林偉 李丹菁 蔡丹鳳

上海應用技術學院電氣與電子工程學院 上海 201418

《計算機控制系統(tǒng)》教學改革的探討

林偉 李丹菁 蔡丹鳳

上海應用技術學院電氣與電子工程學院 上海 201418

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，培養(yǎng)高級應用型技術人才已日益重要。為了培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應用技術人才，促進學生未來的可持續(xù)發(fā)展，作為對計算機控制系統(tǒng)(Computer Control Systems)課程的教學改革，調(diào)整優(yōu)化教學內(nèi)容，引進實施全英文授課。同時，通過課內(nèi)實驗，學生項目，校企合作等多種渠道結(jié)合，大大提高了學生的實踐能力以及綜合應用能力。

高層次應用技術人才；可持續(xù)發(fā)展；計算機控制系統(tǒng)；全英文授課；校企合作

近年來，能源、動力等各行業(yè)在向著大型化、自動化、高效化、節(jié)能化、環(huán)保化的方向加快發(fā)展，相關的控制工程要求也越來越復雜。這些行業(yè)高層次自動化專業(yè)技術人才對計算機控制先進應用技術的掌握需求也更為迫切。為此，作為電氣工程及其自動化類專業(yè)四年級上學期專業(yè)主干課程，我校（上海應用技術學院）開設了計算機控制系統(tǒng)(Computer Control Systems)，它也是自動化專業(yè)的核心課程。

《計算機控制系統(tǒng)》綜合了計算機控制系統(tǒng)的控制理論和先進的應用技術，因此是一門理論與實踐密切聯(lián)系的課程。關于該課程的教學展開及教學改革，許多高校都進行了有益的探索[1-5]。目前，國際上幾乎所有研究型院校在本科高年級或者研究生學習階段都開設有本課程。傳統(tǒng)上，在這些高校中，本課程往往更多地偏重于理論內(nèi)容。

近幾年來，為了突出培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的新型高層次應用技術人才，我們在上海市教委開展的“上海高校示范性全英語教學課程建設項目”、本校開展的“校企合作課程建設項目”等的支持下，對本課程的教學進行了一系列改進研究[6]，下面展開談談我們在教學改革中的體會。

1、優(yōu)化教學內(nèi)容，注重學生可持續(xù)發(fā)展力

（1）理論與實踐平衡發(fā)展

作為應用技術大學，與前面提到的傳統(tǒng)教學內(nèi)容更偏重甚至只注重高深的理論有所不同，過去我校的《計算機控制系統(tǒng)》理論部分比較淺顯，更為偏向技術應用。這是我校該課程的一個特色。相應的，對于一些重要的基礎理論知識（例如采樣定理），往往只講結(jié)論。然而，在幾年的教改探索與實踐中我們發(fā)現(xiàn)，這樣的點到即止，容易造成學生知其然而不知其所以然的現(xiàn)象。而另一方面，一些偏技術應用的內(nèi)容，可能會在授課時講過部分或全部，在課內(nèi)實驗或課程配套的學生項目中又會重復講到。因此，為促進學生的可持續(xù)發(fā)展，我們對課程的理論與實踐內(nèi)容作了進一步的調(diào)整與平衡，適當增加了對基礎理論的講解，增加一些相關背景知識（例如，在講采樣定理時，加講頻率混疊等相關知識），讓學生在了解了理論的來龍去脈后，再講應用，一則容易理解，同時也更加深了他們的印象，學習效果明顯。

（2）多方位提高學生綜合能力

在教學過程中，為了讓學生對所學知識有直觀生動的理解，除了舉一些實例外，配合仿真演示也是很有效的手段。例如：學過PID控制及各種改進方法，史密斯預估控制等控制策略后，在課堂上搭建仿真模型，進行演示、比較不同控制策略的效果，以促進學生對課程內(nèi)容的更好理解。在仿真軟件的選取上，我們選擇了開源軟件SCILAB，這也是近年來在包括德國、法國等許多歐美國家的高校中更為常用的仿真軟件。對于學生將來的實踐以及工作而言，在能用計算機進行控制的同時，能用計算機進行仿真無疑也是個實用的輔助能力。雖然對仿真分析軟件（如Matlab）的使用學習有另外作為選修課開設，但許多同學或者因為時間關系，或者因為興趣關系，并不會選修，之前對這方面知識的接觸也不多。由于本課程在內(nèi)容設置上更多側(cè)重于介紹組態(tài)軟件等工業(yè)應用軟件，沒有專門課時讓學生系統(tǒng)學習計算機仿真軟件。但是，通過采用在課堂上當場進行模型搭建、仿真演示，同時配合簡單的講解，不斷地潛移默化間，學生還是掌握了一定的計算機仿真能力，綜合能力得到了提高，同時也為有需要的學生將來的進一步研究深造打下了基礎。

（3）增強國際競爭力

計算機控制系統(tǒng)本身涉及大量不斷推出的前沿技術，其中許多來自于歐美發(fā)達國家。這在未來的工作中，對學生的國際競爭力提出了較高的要求。首先他們要在具有較高的英語應用能力的基礎上，熟練掌握計算機控制系統(tǒng)的專用術語詞匯。他們不但要能適應國際化的工作環(huán)境，還需要有能力不斷地直接更新、學習這些日新月異的新技術。

為此，作為本課程改革的一部分，我們把英語教學引進了課堂中，與許多歐美國家的高校一樣，采用經(jīng)典的英文教材，制作全英文課件，包括平時的作業(yè)以及考試，也都全部使用英文進行。課程建設的實踐表明，全英文教學一定程度提高了學生的英文應用能力，大大擴大了他們對原文專業(yè)術語（尤其是中外業(yè)界說法不一一對應的專業(yè)術語）的掌握，增加了他們對專業(yè)新技術的了解，最終提高了他們進行專業(yè)層面國際交流和學習、工作的興趣與能力。一個意料之外的效果是：目前一些學生已經(jīng)主動開始嘗試用英文進行專業(yè)小論文的撰寫。

2、加強實踐性，引進校企合作環(huán)節(jié)

為了順應培養(yǎng)高層次應用人才的要求，除了在課堂講授中增加實例案例外，我們從課堂實驗，學生項目和校企合作三方面入手，從而有效增強學生實踐應用能力。

《計算機控制系統(tǒng)》是一門綜合性較強的課程。學生在學習了必要的理論知識后，對于如何正確實施數(shù)據(jù)的輸入輸出，采取合適的控制策略組建控制系統(tǒng)有了基礎的認識，但是依然缺少綜合直觀的印象及動手實踐。因此，在本課程的理論課之外，需要進行實驗實踐的訓練，這包括課內(nèi)的實驗環(huán)節(jié)以及理論課講授全部結(jié)束之后另外配套一到一周半的學生項目環(huán)節(jié)。這兩個動手實踐環(huán)節(jié)都是學生學習的必要部分，除了對已學過的理論課知識進行加深鞏固之外，還起到補充知識的功能。

（1）課內(nèi)實驗

課內(nèi)實驗的成功完成是學生能參加課程考試的前提條件。通過課內(nèi)實驗，可以促進學生對基礎知識的理解與掌握，加深鞏固理論知識，為之后的實際運用筑基。例如：我們在課內(nèi)實驗的環(huán)節(jié)，設計了簡單的模擬量數(shù)據(jù)輸入輸出實驗，結(jié)合VB編程實現(xiàn)人機界面，對指定通道采集到的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換等處理和顯示，同時將相應的數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出。這個過程中，學生建立了一個簡單的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對工控機的總線結(jié)構(gòu)，模擬信號、數(shù)字信號的理解以及相應的轉(zhuǎn)換處理等有了更直觀的印象。另外，對于人機界面的設計，VB的編程也有了一定掌握。因課內(nèi)實驗課時的限制，有關控制及其實現(xiàn)部分的實踐訓練留待配套的學生項目具體展開。

（2）學生項目

學生項目環(huán)節(jié)中，學生可以有充分的時間，在進一步了解一般計算機控制系統(tǒng)類型的基礎上，利用實驗室的設備以及數(shù)據(jù)采集模塊等，來完成一個小型直接數(shù)字控制系統(tǒng)的設計、搭建以及調(diào)試運行。

與課內(nèi)實驗不同，學生從現(xiàn)場的數(shù)據(jù)測量，傳輸，采集，轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，運算到數(shù)據(jù)的輸出和執(zhí)行都一一參與設計及實施。整個過程中涉及到的知識面范圍較廣，包括測量變送，數(shù)據(jù)的輸入輸出通道，外設的驅(qū)動及通信，數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)處理，控制策略的選擇、改進及實現(xiàn)，參數(shù)的整定，抗干擾及可靠性技術等等。這些內(nèi)容在理論課中都已學過，但是學生當時明白、理解了，考試沒問題，也不一定代表真正深入吸收和能自由熟練地應用。在學生項目中，通過設計到實現(xiàn)的過程，就是從不懂到懂，從知道到理解，從明白到深刻的過程。

此外，為了建立自動控制系統(tǒng)，學生還需要學習及使用相關的組態(tài)軟件，編制友好的人機界面?？紤]到時間以及理解效率的關系，在理論課講授部分，組態(tài)軟件的知識我們只是稍做介紹，沒有涉及具體的編程及應用。實驗時，指導學生邊學邊做，邊試邊做，效果在軟件學習的同時得以即時展示，學生的學習興趣及成果感大大上升，學習效率極大提高。

控制系統(tǒng)軟、硬件搭建好之后，需要不斷調(diào)試運行，達到要求的控制性能。在前面高效學習的基礎上，學生的學習熱情高漲，為了取得更好的控制性能指標，主動查閱參考資料，與教師深入探討，積極思考控制策略改進方案。調(diào)試時不斷發(fā)現(xiàn)、總結(jié)以及驗證經(jīng)驗、知識帶來的成就感使一些學生在課后依然不愿離開實驗室，一遍遍進行嘗試、思考以及改進，促進了對計算機控制系統(tǒng)的設計原則和步驟的掌握，最終出色完成了任務。正如他們自己回顧實驗過程時所說的，這樣的學生項目對于他們對理論課知識的系統(tǒng)鞏固、實踐能力的提高非常有價值，希望能多些這樣的機會。

（3）校企合作

直接數(shù)字控制作為一類典型的計算機控制系統(tǒng)得到較廣的應用。然而，當前計算機控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡化、集成化、分布化和節(jié)點智能化的方向在迅速發(fā)展，相關的技術更是日新月異。由于或者是新技術的研發(fā)者，或者是新技術的使用者，這方面，企業(yè)往往就是新技術的風向標。與企業(yè)合作，不但能為學生增加經(jīng)驗，提高工作能力，還能直接有利于他們對新技術的及時更新掌握。為此，近年來，我校與Rockwell Automation公司簽署了全面戰(zhàn)略合作協(xié)議，并共同建設自動化技術應用研究工程中心。

在理論授課時，對于這類不斷更新發(fā)展的技術部分，我們引入校企合作。有三分之一的課時，請企業(yè)中的專家直接進課堂，為學生講授最新的控制網(wǎng)絡技術。企業(yè)專家有豐富的一線工程經(jīng)驗，在授課過程中，除了傳授最新的技術外，亦能隨時指點學生工程中的注意事項。例如，在講到集散控制系統(tǒng)時，我們請羅克韋爾自動化的專家為學生分別從A-B PLC的網(wǎng)絡構(gòu)架、硬件體系、軟件構(gòu)成幾方面入手，系統(tǒng)介紹了相應最新技術、產(chǎn)品及特點。專家的豐富案例，結(jié)合校企共建的集散控制系統(tǒng)實驗平臺演示，不但促進了學生對原本看起來雜散、枯燥、虛幻內(nèi)容的理解，同時也提高了學生的實踐能力。

3、結(jié)束語

本課程教學改革近年來的效果和經(jīng)驗表明，合理調(diào)整優(yōu)化教學內(nèi)容，引進全英文授課，通過課內(nèi)實驗，學生項目以及校企合作等多方面增強實踐環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際競爭力的高層次應用技術人才起到了較好的促進作用。

[1]溫淑慧.計算機控制技術實驗教學改革初探[J].教學研究，2010(06)：59-61.

[2]李云霞，康波，鄒見效.《計算機控制系統(tǒng)》教學改革思路和實踐[J].實驗科學與技術，2012(02) ：70-72.

[3]項雷軍，洪雪梅，鄭力新，徐園園.基于能力培養(yǎng)的計算機控制系統(tǒng)課程教學改革探究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2014(17)：65-67.

[4]朱永紅，劉蜀陽，王建宏.基于CDIO理念《計算機控制技術》一體化教學改革與實踐[J].景德鎮(zhèn)學院學報，2015(03)：41-44.

[5]張燕紅.“卓越計劃”平臺下的“計算機控制技術”教學探討[J].常州工學院學報，2015(Z1)：65-67.

[6]李丹菁，王建華，陳嵐，萬衡.新型應用技術大學建設的幾點教學思考[J].高教學刊，2016(2).

Along with the development of modern industry，it has become increasingly important to cultivate high-grade engineers. In order to cultivate innovative and practiced，high-grade engineering talents with international competitiveness，to improve the future sustainability for the development of our students，as a teaching reform for the course “Computer Control Systems”，we reorganized the course contents and implemented teaching-in-English.Meanwhile，the practical abilities and integrative abilities of students were highly enhanced by implementing in-course labs，student projects，and University-Enterprises Cooperation activities.

high-grade engineers，sustainability for the development of students，Computer Control Systems，teachingin-English，University-Enterprises Cooperation

林偉（1967-），男，上海人，學歷：碩士，工作單位：上海應用技術學院，講師，研究方向：電子技術教學科研。