關(guān)于計算機控制系統(tǒng)教學(xué)的研究與實踐
論文摘要：本文從計算機控制系統(tǒng)課程的教學(xué)實踐出發(fā)，從課堂教學(xué)內(nèi)容的組織和實驗的設(shè)計管理兩個教學(xué)內(nèi)容入手，提出以把教學(xué)、實驗過程與日后工作和深入研究時采用的設(shè)計過程接軌為主要思路，輔以對學(xué)生科學(xué)的管理、因材施教，從而保證最多的學(xué)生從課程中受益。
論文關(guān)鍵詞：計算機控制系統(tǒng);教學(xué)研究;實驗設(shè)計
一、引言
對工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行計算機控制是科技發(fā)展的必然，計算機控制系統(tǒng)[1]已成為生產(chǎn)設(shè)備及過程控制等重要的組成部分，它代替人成為工藝過程控制的指揮和監(jiān)督中心。當(dāng)代自動控制專業(yè)的大學(xué)生應(yīng)當(dāng)努力學(xué)習(xí)計算機控制技術(shù)，成長為適應(yīng)社會發(fā)展的高技術(shù)人才。
計算機控制系統(tǒng)課程就是適應(yīng)這樣的需要而開設(shè)的。它是一門理論性強、內(nèi)容豐富、概念抽象、涉及知識面寬、分析方法多、信息量大的課程�？梢哉f本課程濃縮了自動化專業(yè)的知識精華，在專業(yè)的課程體系中具有承上啟下的作用。從課程設(shè)置的上下銜接來說，工科自動化專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程主要在自動控制原理、現(xiàn)代控制理論等理論課的基礎(chǔ)上進(jìn)行深化;在微機原理、單片機原理、電源技術(shù)等課程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程應(yīng)用的實踐。要上好這門課，教師除了需要堅實的理論基礎(chǔ)外，還需要有較好的實踐經(jīng)驗，授課時能夠?qū)⒗碚撆c實際系統(tǒng)聯(lián)系起來，同時要有豐富的教學(xué)經(jīng)驗和成熟的教學(xué)管理手段。
現(xiàn)行的教學(xué)模式下存在的一些問題如下：偏于實際，忽略理論，將對學(xué)生深造和后續(xù)職業(yè)發(fā)展不利;偏重理論教學(xué)，難以將理論與應(yīng)用結(jié)合，學(xué)生出校門卻無一技之長，無法立即服務(wù)于社會;教與學(xué)的脫節(jié)，難于調(diào)動多數(shù)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。
為此本文在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，提出了從教學(xué)的組織和實驗的管理的計算機控制系統(tǒng)課程體系的安排，希望能得到同行的指點，共同進(jìn)步。
二、課堂教學(xué)內(nèi)容的組織
課堂教學(xué)一直是教學(xué)的重點。首先要對課堂內(nèi)容進(jìn)行有機的組織。
教學(xué)內(nèi)容組織的原則是根據(jù)課程定位，兼顧基礎(chǔ)性、實用性，注重基本理論和基本方法，注重工程應(yīng)用價值，舍去那些理論上先進(jìn)而工程上極少應(yīng)用的高級或復(fù)雜算法，舍去那些適用場合不多的硬件配置模式，整合其他的相關(guān)課程資源，依照學(xué)生的水平，重點突出，主要確保多數(shù)學(xué)生不掉隊。選定的課程四大核心內(nèi)容為：
(1)以數(shù)字控制理論為主體，從連續(xù)控制引入數(shù)字控制
(2)控制算法及其編程方法
(3)智能控制理論的應(yīng)用
(4)典型計算機控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計
對重點和難點的內(nèi)容要精講多練。精講就是概念清楚，敘述明確，介紹詳細(xì)，并指明實際運用的情況，并且要適時宜地加以回顧，以使學(xué)生對重點部分經(jīng)常保持清晰的印象。多練需要在教學(xué)中穿插安排一定數(shù)量的習(xí)題課，精選例題，講練結(jié)合，舉一反三，將看似零散的知識點聯(lián)接起來，就可使學(xué)生鞏固所學(xué)知識。同時可適當(dāng)介紹計算機控制系統(tǒng)的學(xué)術(shù)發(fā)展動態(tài)及待解決的問題。
教學(xué)中要著重抓好入門環(huán)節(jié)，萬事開頭難。入門環(huán)節(jié)主要是要求學(xué)生在課程開始之前提交一篇綜述性的研究報告。選題的范圍由任課教師指定，主要涉及計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，基本原理和構(gòu)成，該領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)、研究熱點和發(fā)展趨勢等方向。為了避免報告內(nèi)容的空泛，要求學(xué)生在報告中必須輔以實例加以說明。
經(jīng)過這個環(huán)節(jié)，較好地消除了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時的盲目性，而且這種學(xué)習(xí)模式和學(xué)生獨立研究一個課題相似，可以激發(fā)他們繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。
教學(xué)中要著重抓好入門環(huán)節(jié)，萬事開頭難。入門環(huán)節(jié)主要是要求學(xué)生在課程開始之前提交一篇綜述性的研究報告。選題的范圍由任課教師指定，主要涉及計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，基本原理和構(gòu)成，該領(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)、研究熱點和發(fā)展趨勢等方向。為了避免報告內(nèi)容的空泛，要求學(xué)生在報告中必須輔以實例加以說明。
經(jīng)過這個環(huán)節(jié)，較好地消除了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時的盲目性，而且這種學(xué)習(xí)模式和學(xué)生獨立研究一個課題相似，可以激發(fā)他們繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。
教學(xué)環(huán)節(jié)中，教給學(xué)生學(xué)習(xí)的方法比傳授知識更重要。教學(xué)中主要注意以下問題：
(一)在討論式教學(xué)中學(xué)會問問題。學(xué)習(xí)中最重要的就是學(xué)會思考，帶著問題來思考，是最重要的學(xué)習(xí)原則。在課堂上要盡量多提一些問題，注意將問題的來龍去脈說清楚，有些自我解答，有些找學(xué)生解答，有些則留給學(xué)生課后思考，下次上課時，利用較短的時間進(jìn)行總結(jié)和討論。
(二)培養(yǎng)興趣，找到樂趣。“興趣是最好的老師”。有了興趣和樂趣，就能夠忙而不累，樂而忘憂，就容易產(chǎn)生靈感，事半功倍。
(三)勤于動手，善于轉(zhuǎn)化。要多給學(xué)生動手，以便能把知識轉(zhuǎn)化為動手能力。這一點會由于不同學(xué)生差別很大，因此不同層次的學(xué)生要用實驗室的時間不同。
(四)學(xué)會綜合。要解決實際問題，靠哪一項單科知識都是不夠的，靠的是綜合后的知識。本課程的特點之一就是綜合，包括多門已學(xué)課程的知識綜合，理論與實踐的綜合，硬件與軟件的綜合等等。所以要在課程學(xué)習(xí)中注重綜合。
教學(xué)可以和縱向科研聯(lián)合，將科研成果轉(zhuǎn)化成專業(yè)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)備，形成鮮明的專業(yè)教學(xué)特色，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
教學(xué)也可以和橫向項目相聯(lián)合，建設(shè)校企產(chǎn)學(xué)研合作實踐基地，促成教學(xué)與生產(chǎn)的結(jié)合，校企雙方優(yōu)勢互補、資源互用，是促進(jìn)科技發(fā)展，培養(yǎng)專門人才的重要途徑。
三、實驗的設(shè)計和管理
傳統(tǒng)的以課堂講授為主、實驗為輔的'教學(xué)模式存在嚴(yán)重的缺陷[2]。因為所開設(shè)的實驗多數(shù)是驗證型實驗，所有的實驗對象都已經(jīng)封裝好，學(xué)生只需要插線聯(lián)接，很快就可以獲得實驗結(jié)果。學(xué)生盡管完成了實驗，但無法真正將各門課程所學(xué)的內(nèi)容融會貫通;更重要的是與實際工作中的設(shè)計過程差別甚遠(yuǎn)。
為此，我們采用了實驗教學(xué)與理論教學(xué)并行的教學(xué)模式。學(xué)生的實驗針對課堂上所設(shè)立的控制系統(tǒng)進(jìn)行，如電阻爐溫度控制系統(tǒng)。首先，利用兩個學(xué)時在課堂上講解整個系統(tǒng)的功能、組成和工作過程;在學(xué)生對整個計算機控制系統(tǒng)有了初步認(rèn)識以后，在實驗室演示已設(shè)計好的控制系統(tǒng)，向?qū)W生細(xì)致說明理論內(nèi)容與實物的對應(yīng)關(guān)系，如計算機、加熱元件、接口電路、出發(fā)電路、檢測元件和執(zhí)行機構(gòu)等，再結(jié)合實物和學(xué)生討論設(shè)計方案及他們所提出的問題。然后，學(xué)生將自己的設(shè)計方案帶到實驗室去驗證。最后是同學(xué)們對自己所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。
通過系統(tǒng)級—元件級的循環(huán)過程，同學(xué)們不僅對計算機控制系統(tǒng)課程的核心思想有了深刻的理解，而且親身體驗了實際產(chǎn)品設(shè)計的全過程，也充分認(rèn)識到實踐操作的重要性，感受到設(shè)計成功的喜悅，大大激發(fā)了繼續(xù)學(xué)習(xí)的興趣。除了基礎(chǔ)實驗，我們按照從淺入深設(shè)計了四個綜合實驗：
(一)數(shù)字控制算法模塊化。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，采用C語言對各類數(shù)字控制算法(包括：PID算法及其變形、數(shù)字濾波算法、最少拍算法、達(dá)林算法、狀態(tài)觀測器算法等)按照模塊化設(shè)計思想進(jìn)行編程開發(fā)，以方便系統(tǒng)使用。
(二)溫度閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)。用簡易電加熱溫度控制箱與微機實驗箱構(gòu)成一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，由學(xué)生按照自己設(shè)計的控制方案進(jìn)行系統(tǒng)硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法，通過調(diào)整控制器參數(shù)以及外部擾動條件，觀察系統(tǒng)的運行情況。
(三)步進(jìn)電機數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。用小型直流步進(jìn)電機隨動裝置與微機實驗箱構(gòu)成一個步進(jìn)電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，由學(xué)生按照實驗設(shè)計的控制方案進(jìn)行系統(tǒng)硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法組態(tài)控制系統(tǒng)，通過施加外部擾動，觀察系統(tǒng)的運行情況，并做實時記錄分析。
(四)帶上位監(jiān)控的數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。在數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，可考慮開發(fā)帶上位監(jiān)控功能的在線閉環(huán)系統(tǒng)。通過該監(jiān)控軟件平臺，可實現(xiàn)對系統(tǒng)控制算法的組態(tài)、控制器參數(shù)的調(diào)整和定值的修改等，同時要開發(fā)一些運行監(jiān)控畫面，包括系統(tǒng)工藝圖、運行參數(shù)實時趨勢曲線、報警畫面和參數(shù)一覽畫面等。使學(xué)生可根據(jù)自己的設(shè)計方案，通過該平臺系統(tǒng)靈活的調(diào)整控制算法和對系統(tǒng)運行監(jiān)控。
該課程的實驗內(nèi)容更加符合快速發(fā)展的計算機工程控制技術(shù)要求，使學(xué)生走上工作崗位后能夠盡快地適應(yīng)實際工作。
四、總結(jié)
最佳教學(xué)效果的取得，需要依據(jù)生源情況因材施教，課堂教學(xué)之外，教學(xué)的管理也很關(guān)鍵，實驗教學(xué)，作業(yè)情況，答辯和最終考核都需要認(rèn)真執(zhí)行才能達(dá)到效果，避免流于形式。不過帶來的問題是：對教師投入的精力要求較多。
另一方面，實驗室還沒有實現(xiàn)全開放，學(xué)生自由實驗受到資源和時間的限制。因此，我們還有必要探究更加合理的教學(xué)過程，改進(jìn)教學(xué)手段，以達(dá)到該門課程教學(xué)效果的最優(yōu)化。
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