何劍春

(紹興文理學(xué)院 工學(xué)院，浙江 紹興312000)

目前，計算機控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域，成為現(xiàn)代自動化技術(shù)的重要內(nèi)容和具體形式.計算機控制技術(shù)是高校工科控制類專業(yè)的一門專業(yè)課程，主要介紹計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論(信號變換理論和系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述)、經(jīng)典z域分析方法、經(jīng)典z域設(shè)計方法、狀態(tài)空間分析和設(shè)計方法、數(shù)值控制方法以及目前工業(yè)控制領(lǐng)域的典型應(yīng)用形式.通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握計算機控制系統(tǒng)的信號通道設(shè)計、常規(guī)數(shù)字控制器設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計和抗干擾措施等方面的理論和技能，具備開發(fā)常用計算機控制系統(tǒng)的能力.

計算機控制技術(shù)的傳統(tǒng)教學(xué)方法側(cè)重理論體系的系統(tǒng)性和完整性，以課堂講授為主，輔以一定的演示或操作實驗來加強學(xué)生的認(rèn)知程度.由于計算機控制技術(shù)發(fā)展迅速，知識更新快，傳統(tǒng)的教學(xué)方式方法必須加快適應(yīng)時代的步伐.以本校為例，計算機控制技術(shù)課程內(nèi)容多、學(xué)時少，教學(xué)上存在以下不足：

(1)實踐環(huán)節(jié)薄弱.按照本校教學(xué)大綱要求，計算機控制技術(shù)課程實踐環(huán)節(jié)設(shè)置為12學(xué)時；同時，現(xiàn)有課程實驗設(shè)備體積大，成本較高，實驗室配備數(shù)量很少.因此，教師一貫采用演示實驗形式完成課程的實踐環(huán)節(jié)，沒有重視理論與實踐的有效配合，無法進行深層次引導(dǎo).

(2)學(xué)而不知其用.計算機控制技術(shù)綜合了自動控制理論、單片機原理、微機原理、程序設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容，要求學(xué)生能貫通應(yīng)用有一定難度.傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生普遍感到知識點多且抽象，認(rèn)知水平浮于表面，不能切實體會理論與工程實際的緊密聯(lián)系，學(xué)而不知其用，久而久之學(xué)習(xí)興趣受到影響.

由此可見，計算機控制技術(shù)教學(xué)需順應(yīng)形勢發(fā)展調(diào)整授課內(nèi)容，增加合適的新技術(shù)和新內(nèi)容；同時，應(yīng)采用新型授課模式，淘汰原用于操作實驗的體積龐大的操作平臺，革新實驗技術(shù)，建設(shè)新型實驗機制.通過教學(xué)模式改革，促進學(xué)生快速融合連續(xù)域控制理論，主動探索和解決實際計算機離散控制問題，形成重視技能培養(yǎng)的積極教學(xué)方式.

針對本校計算機控制技術(shù)教學(xué)實際情況，結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求，以“強化技能，革新技術(shù)”為原則，將目前流行的SOPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)引入課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，設(shè)計了多項切合課程內(nèi)容的實踐項目，并由實踐項目驅(qū)動理論知識點的傳達順序和學(xué)時分配，以強化理論內(nèi)容在實踐中的應(yīng)用，縮短淺層次內(nèi)容的課堂占時，提升學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)興趣.

1 EDA模式課程實踐教學(xué)的意義

可編程邏輯器件(PLD，Programmable Logic Device)的出現(xiàn)極大地提高了電子設(shè)計的效率和可靠性.目前，許多高校已經(jīng)將基于PLD的EDA(Electronics Design Automation)技術(shù)引入本科生和研究生的教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與團隊精神，增強就業(yè)競爭力.從本科培養(yǎng)計劃角度看，EDA/SOPC技術(shù)為電氣、電子、控制類專業(yè)學(xué)生的課外創(chuàng)新活動和崗前培訓(xùn)提供了必需的電子設(shè)計理論知識與技能，與其他技術(shù)基礎(chǔ)課銜接十分緊密.我校電工電子實驗教學(xué)中心2006年設(shè)立了FPGA(Field Programmable Gate Array)分室，配備有EDA開發(fā)系統(tǒng)(GW48PK2S)30套，但迄今為止使用率甚低.

因此，不論是出于加強實驗室建設(shè)、拓展實驗設(shè)備受益面的目的，還是出于強化計算機控制技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的目的，進行課程實踐教學(xué)的EDA模式改革都很有必要.其重要意義體現(xiàn)在：

(1)有效提升FPGA實驗室設(shè)備和軟件的使用率.通過相關(guān)類別課程的實踐環(huán)節(jié)、EDA技術(shù)講座以及專項培訓(xùn)等環(huán)節(jié)，大力提高實驗室資源使用率和受益面.

(2)取精用弘，有效支持電子競賽和課外創(chuàng)新活動.將可編程邏輯技術(shù)和技能訓(xùn)練有機結(jié)合，有利于引導(dǎo)學(xué)生開展課外創(chuàng)新研究和橫向合作，提升學(xué)生電子設(shè)計及其他領(lǐng)域的應(yīng)用技能.例如，據(jù)統(tǒng)計全國大學(xué)生電子競賽賽題中，可使用FPGA技術(shù)的賽題超過三分之一，有些賽題甚至離開FPGA技術(shù)便無從下手.因此，應(yīng)盡快提高電類專業(yè)中FPGA技術(shù)的普及率，加強FPGA技術(shù)對課程實驗的融合度，使之成為電子競賽等創(chuàng)新活動繼續(xù)保持活力的重要因素.

(3)以改促建，有效輔助新專業(yè)建設(shè).本?？刂乒こ滔到晷略鲭姎夤こ虒I(yè)，EDA模式改革對該專業(yè)培養(yǎng)方案中數(shù)字電路、數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)、單片機原理、計算機控制技術(shù)等課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的建設(shè)有重要的推進作用.

2 EDA模式課程實踐教學(xué)設(shè)計

為切實提升計算機控制技術(shù)課程教學(xué)效果，改進課程教學(xué)方式，根據(jù)課程大綱要求、項目典型性要求和教材側(cè)重點，結(jié)合實驗室現(xiàn)有EDA實驗開發(fā)系統(tǒng)，選擇表1、表2所示項目作為課程實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容.其中，表1所示5項為課內(nèi)實驗項目，共計16學(xué)時；表2所示5項為課外選做項目，共計16學(xué)時.實驗項目的選擇依據(jù)以下原則：

廣西賓陽竹編文化及其現(xiàn)代發(fā)展對策研究 …………………………………………………………………………… 覃秋萍（4/58）

表1 課程實驗項目

表2 課外設(shè)計項目

(1)符合計算機控制技術(shù)課程教學(xué)大綱、教材側(cè)重點和實踐內(nèi)容的典型性要求；

(2)符合GW48型EDA系統(tǒng)開設(shè)條件，并經(jīng)過可行性測試，形成實施項目的引導(dǎo)性文檔；

(3)兼顧課程傳統(tǒng)實驗內(nèi)容及發(fā)展趨勢，在集成度、復(fù)雜度等方面有所提升.

3 項目驅(qū)動調(diào)整理論教學(xué)計劃

根據(jù)計算機控制技術(shù)課程教學(xué)大綱要求，2010級自動化專業(yè)選用電子工業(yè)出版社的《計算機控制系統(tǒng)》(康波主編，2011年出版)作為教材.該教材共11章，授課內(nèi)容包含于其中的8個章節(jié)中(第7章至第9章內(nèi)容超出大綱范圍).授課過程以“項目驅(qū)動”形式重組知識結(jié)構(gòu)，調(diào)整理論授課順序，并及時穿插與項目相關(guān)的課外知識.調(diào)整后的授課計劃及補充內(nèi)容具體見表3.

以“圍繞項目組織重點內(nèi)容，簡化基礎(chǔ)理論”為原則，側(cè)重于實踐項目相關(guān)知識點的細講和點撥，部分基礎(chǔ)理論知識點則作簡化處理，并以講座形式(共16講)組織教學(xué). 除此以外，教學(xué)過程中還安排了16學(xué)時的課外自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，并要求學(xué)生提交簡要的自學(xué)報告.

4 實踐環(huán)節(jié)的實施與評價

由于課時限制，為保證實踐環(huán)節(jié)的質(zhì)量和效果，除要求教師精心設(shè)計實踐項目、認(rèn)真編制指導(dǎo)材料、合理組織教學(xué)內(nèi)容外，還需學(xué)生做好前期預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，進行充分的課外練習(xí)和系統(tǒng)仿真.計算機控制技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的實施分以下幾個階段：前期準(zhǔn)備，交流和引導(dǎo)，過程管理，項目評議.

4.1 前期準(zhǔn)備

精心的前期準(zhǔn)備是取得良好實踐效果的關(guān)鍵.項目實施前應(yīng)做好以下幾方面工作：

(1)精心鋪墊.實驗前教師應(yīng)確保編制完成實驗指導(dǎo)書，并給學(xué)生提供詳細的學(xué)習(xí)資料，必要時還要進行針對性的案例分析，保證學(xué)生理解透徹；

表3 “項目驅(qū)動”的知識結(jié)構(gòu)重組

(2)認(rèn)真試驗.實驗前需進行設(shè)備和軟件的測試，并進行項目試運行，保證項目的準(zhǔn)確性和可行性；

(3)認(rèn)真預(yù)習(xí).要求學(xué)生實驗前認(rèn)真閱讀指導(dǎo)書，理解實驗的目的和原理，弄清實驗步驟；通過大量練習(xí)，熟練掌握VHDL語言及Matlab、QuartusII、NiosIDE等軟件，了解EDA開發(fā)流程和注意事項.

4.2 交流和引導(dǎo)

(1)注重師生交互，通過網(wǎng)上交流平臺，及時組織學(xué)生討論實驗方案和遇到的問題，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性；

(2)及時布置聯(lián)系緊密的思考題，共享啟發(fā)性說明文檔，提示和剖析備選的課外設(shè)計項目，引導(dǎo)學(xué)生深入理解項目的內(nèi)容和意義，逐步培養(yǎng)學(xué)生進行獨立分析和設(shè)計的能力.

4.3 過程管理

為保證教學(xué)效果，保質(zhì)保量完成課內(nèi)和課外項目，教學(xué)中組建了8個學(xué)習(xí)小組(每組4人).項目實施過程以小組為單位進行管理.各小組自行決定項目實施計劃和組員分工.項目實施過程按小組進行監(jiān)督和驗收，并由小組自行評定組員的貢獻率.

4.4 項目評議

(1)點評.為反映學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，各項目均設(shè)置了明確的要求和目標(biāo)，并有一定的發(fā)揮空間；項目實施后，對各組完成情況和共性問題及時進行點評，并進行階段性總結(jié).

(2)自評.為反映團隊協(xié)作情況，項目實施后各小組進行自評，確定組員的貢獻度.

(3)總評.為綜合反映學(xué)生的實踐水平，期末實踐總評成績?yōu)檎麄€實踐過程的加權(quán)和，包括課內(nèi)項目(前期預(yù)習(xí)、實施效果和總結(jié)報告)、課外項目(效果測評和總結(jié)報告)及小組自評等部分.

5 結(jié)論

針對目前計算機控制技術(shù)課程教學(xué)過程中存在的問題，通過引入硬件可自由組建的SOPC技術(shù)，進行實踐模式改革嘗試.實踐模式改革的側(cè)重點有兩個：一是針對GW48型EDA開發(fā)平臺，設(shè)計切合課程關(guān)鍵內(nèi)容且適于在平臺上實現(xiàn)的實踐項目；二是基于項目驅(qū)動調(diào)整理論授課計劃，側(cè)重圍繞項目展示知識點，縮短基礎(chǔ)理論用時.教學(xué)實踐表明，采用這種新的教學(xué)模式符合計算機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，可脫離大型實驗平臺的限制，顯著提升了實踐環(huán)節(jié)的構(gòu)建層次，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，擴大了他們的知識面，取得了良好的教學(xué)效果.在今后的教學(xué)研究和實踐中，應(yīng)進一步探索SOPC技術(shù)在同類型課程中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生自行設(shè)計實用的控制項目，提高學(xué)生分析問題、解決問題、自主創(chuàng)新的綜合實力.

參考文獻:

[1]康波.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2011.

[2]王慧.計算機控制系統(tǒng)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]張志剛.FPGA與SOPC設(shè)計教程-DE2實踐[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.

[4]唐向宏,岳恒立,鄭雪峰.MATLAB及其在電子信息類課程中的應(yīng)用[M].2版.北京：高等教育出版社,2009.

[5]孫冠群,于少娟.控制電機與特種電機及其控制系統(tǒng)[M].北京：北京大學(xué)出版社,2011.

[6]何劍春,龍勝春.基于SOPC技術(shù)的電機控制實驗[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010,32(2):58-60.

[7]陶東婭,何劍春.基于NiosII的直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2008,10(12):56-59.