“计算机控制技术”课程教学改革的实践与探索

[摘要]从“计算机控制技术”课程的培养目标出发，分析了课程的特点与难点，介绍了课堂与实践教学的具体改革方法。

[关键词]计算机控制技术 教学改革 教学研究

一、引言

“计算机控制技术”是自动化专业的一门专业主干课。属于自动化专业培养学生具有7个方面的专业核心竞争能力其中之——“以单片机为核心的计算机控制系统的应用能力，学生掌握单片机应用系统及计算机控制系统的设计、编程、调试的能力”教学体系[1-2]。近年来，随着微型计算机的发展，它的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍，现在可以毫不夸张地说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能成为现代控制系统。这就要求自动化专业的学生通过本课程的学习，掌握合理地选择和组织工业控制计算机的软件、硬件、设备和接口通道以及控制管理生产过程的基本原理和方法，将计算机、传感器、通道和接口、执行机构、控制对象、系统软件和各种应用软件组织成一个有机的整体，形成完整的计算机控制系统，达到预定的控制目的[3]。

二、课程教学改革的背景分析

我校自动化专业以培养学生的工程实践能力和创新素质为目标，基于“大工程”理念构建自动化专业“学以致用、能力为本、就业为上”的人才培养模式。通过学校与企业的密切合作，以大工程为背景，以工程技术为主线，提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、具备较强的专业适应能力、具有跟随技术进步，不断自我完善和长远发展潜力的高级工程实施型人才。培养学生的工程实践能力就成为这门课程重点，要求学生在完成计算机控制技术课程学习之后，应掌握本课程介绍的基本原理，能完成计算机控制系统的设计、安装、编程和调试工作。但是，大部分学生在学完该课程后，仍无法完成计算机控制系统的设计、安装、调试工作，主要存在以下几个方面问题：

（1） 计算机控制技术是自动控制理论、计算机技术和现代检测技术相结合的综合应用技术，是一门多学科、多课程相关、实践性强的课程。它实际上包含着两部分内容：一是计算机控制理论基础，即数字控制基础理论；二是实现技术，主要包括通道接口技术与系统实现技术。课程涉及面很广，知识集成度高[5]，在专业的课程体系中具有承上启下的作用。学生在学习该门课程之中，常常觉得计算机控制技术“内容很乱很多无法融会贯通”。因此，传统的教学模式和教学方法很难对本课程取得较好的教学效果。

（2）理论教学与实践环节不能有机结合。课程的传统实验教学以验证性、演示性实验为主，缺乏综合性应用实验项目，在培养学生的探索精神和创新能力上存在不足， 该课程的传统实验教学很难实现教学相长，难以加强对学生的工程训练。

（3）学生缺少面向工程实践的机会。虽然能学好课程的书本内容，通过课程理论考核，但是一旦遇到实际问题，他们往往不能从问题本身出发，而从书本出发，导致难以综合运用解决实际问题。

（4） 课程采用统一式教学方式，不能满足对不同层次学生对知识的获取要求，没有体现科技创新教育与实践教学在培养创新人才中的重要作用。

三、改革的基本措施

（一）课堂教学方法的改革

1.激发学习兴趣，调动学习积极性

“兴趣是最好的老师”，激发学生的兴趣是学习的关键所在。打破传统的教学模式，初次讲授，教师便以一个简单的学生理解较容易的例子，（例如以学生接触过的过程实验装置的液位控制系统为例）详细讲解计算机控制系统的组成、设计原理与方法、调试、软件编程等方面内容并提供多种可选方法，扩展学生的视野，让学生了解计算机控制技术的实用性，清楚学习方向，激发学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性，把以往教师的“满堂灌”填鸭式教学变成学生自主式学习。

2.引入案例教学法，突出学生在学习中的主体地位，培养学生的创新能力

案例教学法指教师从实际事物中选取蕴含着本质因素的教学内容，使学生通过这种案例的学习与研究，从个别到一般，理解和掌握带普遍性、规律性的系统科学知识，提高智力和能力的一种教学方法[6-7]。计算机控制技术课程的案例教学应从具体的应用实例入手，例如以锅炉自动控制系统为例，让学生考虑其中锅炉汽包液位控制的相关一系列问题，包括液位如何检测、采集、送入计算机；计算机对收到的数据如何处理、对执行机构发出什么样的控制信号；控制信号又如何能送到执行机构上等问题。由问题驱动展开对理论知识的探讨学习，使学生从被动变为主动，真正成为学习的主人。实践出真知，课堂教学也是如此，通过现有的案例实践，使学生加深对“计算机控制技术”课程理论知识的理解，还可以有效训练学生的创新思维能力。

3.应用各种先进教学技术手段

随着现代教育科学的发展，将多媒体技术、网络教学技术用于课堂教学，对学生感官发出较强的信号，有利于学生对知识的吸收，从而促进了教学技术的信息化，优化了教学过程[9-10]。计算机控制技术课程教学中图例较多，应灵活采用多媒体教学手段，同时利用仿真软件可自行开发一些教学演示实例。例如，针对本课程中模拟量输入/输出通道的接口技术、常用控制程序的设计部分的内容，利用PROTEUS平台和KEIL软件，完成系统从芯片选择、电路设计、程序编写、调试、仿真运行的整个过程的讲授与演示，提高教学效果；针对数字PID及其算法、直接数字控制及其算法部分的内容，利用MATLAB软件设计开发一些算法仿真实验，让学生观察和了解选取不同的参数、采用不同的控制算法、在不同的信号驱动下对系统性能的影响，提高学生的综合分析能力，加深对基本原理和各种控制作用特点的理解，同时也提高了学生的计算机应用能力。其次，随着网络技术的日新月异，可以根据不同学生的需要采取网络教学方式，把授课教师关于这门课程的课件和资料挂在网上供学生学习与参考，通过网络与学生进行讨论，同时，可以分享其他院校的教学内容与成果，最终实现网络资源共享。

（二）实践教学方法的改革

实践教学采用实践能力逐级进阶、多元化培养模式。我们利用实验室的现有硬件资源，根据实验装置、实验内容的难易程度把实验教学环节按照“基础性实验（接口技术实验）设计性实验（标准PID控制实验）综合开放性实验（温度闭环控制实验）”逐级培养学生的实践动手能力，为课程实训、毕业设计、创新实验、科技创新等实践环节奠定基础，然后充分分别向不同层次的学生进行开放，以满足不同个性、不同水平学生的需求，让他们在实验室中体验到研究的乐趣，自觉地开展研究性学习。

计算机控制技术实训是本课程教学中的一项重要内容，是培养学生“以单片机为核心的计算机控制系统的应用能力”的重要环节，是教学计划中综合性较强的实践环节，它对帮助学生全面深入地掌握课程教学内容、培养学生理论联系实际的能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。本课程实训的目的是通过解决某个实际问题，巩固和加深计算机控制技术课程中所学的理论知识解决实际问题的能力，基本掌握计算机控制系统的一般设计方法，提高计算机控制系统的设计和分析能力，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。原来学校在实训时采用的方法是在计算机控制技术实验设备的基础上，完成一些综合性较强的系统设计题目，比如在AEDK计算机控制实验系统上可以完成基于8088微处理器的直流电机闭环调速控制系统设计和实现、温度闭环控制系统设计和实现等设计课题。针对系统的框架固定，可选范围有限的缺点，我们以单片机为控制器完成计算机控制系统的设计，在Proteus平台和Keil软件的支持下，学生可以完成系统从芯片选择、电路设计、程序编写、调试、仿真运行的整个过程，可以锻炼学生解决问题的能力。因此我们设计了基于Protues的单片机步进电机控制系统设计、液位控制系统设计、电阻炉温度控制系统设计等实训课题，作为对原有课题的补充，解决了原有实物设计系统的不足，拓宽了课程设计范围。

3.3 考核手段的改革

在考核过程中，加强平时成绩和实践能力的考核，对于课上主动回答难题、提出独到见解或实验环节中表现优异的学生，其平时成绩和实验成绩都给予较大幅度的加分。建议平时成绩和实验成绩占到总成绩的60% 左右，这样能大大激发学生的学习热情。对于实训环节可以给出不同难度的题目，让学生根据自己的学习情况进行选题，难度不同，难度分不同，在基本分基础上，根据学生所做课题的难度和完成情况给予适当的加分，以此来鼓励学生的学习态度（总成绩=基本分+难度分+完成分）。

（四）改革的创新点

（1）理论教学内容在有重点、分层次地强调学科理论系统性的同时，利用案例教学法，激发学生的学习兴趣，使学生从被动变为主动，进一步培养和提高学生的综合素质和创新能力。

（2）构建实践能力进阶、多元化培养模式，势必使实践教学达到“改革实践完善 再改革再实践再完善”的螺旋上升式教学模式。

（3）改革考核机制，提高学生对培养工程实践能力的重视。

四、结语

计算机控制技术课程是自动化专业的重要专业课，具有更新快、实践性强的特点，本文从理论教学方法和实践教学模式两方面对课程的教学进行了探索与改革，实践证明，有针对性的教学、实验与实践环节的改革既巩固了学生的理论知识，又提高了学生的工程实践能力和创新能力，为学生将来从事相关工作打下良好的实践基础。当然课程教学模式的改进是永无止境的，为培养出适应社会需求的工程应用型人才，还需要在实践中不断积累经验，进一步改进教学方法，提高教学质量。

[参考文献]

[1]崔桂梅，贾玉瑛.自动化专业应用型人才培养模式的改革和实践[J].实验室研究与探索，2009，28（11）：114-116

[2]贾玉瑛，崔桂梅.基于微计算机控制系统学生应用能力的培养[J].实验室科学， 2011，14（1）：113-115

[3]鞠阳，计算机控制技术课程教学方法改革探索[J].南京工程学院学报（社会科学版）， 2007，7（1）：45-47

[4]任彦，崔桂梅.“电气控制与PLC技术”教学改革的探索[J].实验室研究与探索， 2011，30（1）：112-113

[5]邢航，张铁民.“计算机控制技术”教学改革探索与实践[J].实验室研究与探索，2007，26（12）：370-372.

[6]李明，刘洪山.案例教学法在“计算机控制技术”课程中的应用[J].中国电力教育，2009，（130）：65-67

[7]林丽纯，李启明.计算机控制技术课程设计的实践和探索[J].实验室科学，2008，（5）：36-38.

[8]KatherineK. Merseth. Case Studies in Educational Administration [M]. USA：Addison-Wesley Educational publishers Inc，1997：30-60.

[9]万华明.可管理开放式智能网络化多媒体教室教学系统的设计构建与实现[J].江西科学，2005（6）：259-262.

[10]韦克平，刘惠珍.现代多媒体技术辅助教学与传统教学方式教学效果比较研究[J].教育探索，2005（5）：46-47.

（作者单位：内蒙古科技大学信息工程学院 内蒙古包头）