關于計算機控制系統教學的研究與實踐
論文摘要：本文從計算機控制系統課程的教學實踐出發，從課堂教學內容的組織和實驗的設計管理兩個教學內容入手，提出以把教學、實驗過程與日后工作和深入研究時采用的設計過程接軌為主要思路，輔以對學生科學的管理、因材施教，從而保證最多的學生從課程中受益。
論文關鍵詞：計算機控制系統;教學研究;實驗設計
一、引言
對工業生產過程進行計算機控制是科技發展的必然，計算機控制系統[1]已成為生產設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督中心。當代自動控制專業的大學生應當努力學習計算機控制技術，成長為適應社會發展的高技術人才。
計算機控制系統課程就是適應這樣的需要而開設的。它是一門理論性強、內容豐富、概念抽象、涉及知識面寬、分析方法多、信息量大的課程。可以說本課程濃縮了自動化專業的知識精華，在專業的課程體系中具有承上啟下的作用。從課程設置的上下銜接來說，工科自動化專業計算機控制系統課程主要在自動控制原理、現代控制理論等理論課的基礎上進行深化;在微機原理、單片機原理、電源技術等課程的基礎上進行工程應用的實踐。要上好這門課，教師除了需要堅實的理論基礎外，還需要有較好的實踐經驗，授課時能夠將理論與實際系統聯系起來，同時要有豐富的教學經驗和成熟的教學管理手段。
現行的教學模式下存在的一些問題如下：偏于實際，忽略理論，將對學生深造和后續職業發展不利;偏重理論教學，難以將理論與應用結合，學生出校門卻無一技之長，無法立即服務于社會;教與學的脫節，難于調動多數學生的學習積極性。
為此本文在教學實踐的基礎上，提出了從教學的組織和實驗的管理的計算機控制系統課程體系的安排，希望能得到同行的指點，共同進步。
二、課堂教學內容的組織
課堂教學一直是教學的重點。首先要對課堂內容進行有機的組織。
教學內容組織的原則是根據課程定位，兼顧基礎性、實用性，注重基本理論和基本方法，注重工程應用價值，舍去那些理論上先進而工程上極少應用的高級或復雜算法，舍去那些適用場合不多的硬件配置模式，整合其他的相關課程資源，依照學生的水平，重點突出，主要確保多數學生不掉隊。選定的課程四大核心內容為：
(1)以數字控制理論為主體，從連續控制引入數字控制
(2)控制算法及其編程方法
(3)智能控制理論的應用
(4)典型計算機控制系統的組成結構和設計
對重點和難點的內容要精講多練。精講就是概念清楚，敘述明確，介紹詳細，并指明實際運用的情況，并且要適時宜地加以回顧，以使學生對重點部分經常保持清晰的印象。多練需要在教學中穿插安排一定數量的習題課，精選例題，講練結合，舉一反三，將看似零散的知識點聯接起來，就可使學生鞏固所學知識。同時可適當介紹計算機控制系統的學術發展動態及待解決的問題。
教學中要著重抓好入門環節，萬事開頭難。入門環節主要是要求學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的基礎知識，基本原理和構成，該領域的關鍵性技術、研究熱點和發展趨勢等方向。為了避免報告內容的空泛，要求學生在報告中必須輔以實例加以說明。
經過這個環節，較好地消除了學生學習該課程時的盲目性，而且這種學習模式和學生獨立研究一個課題相似，可以激發他們繼續學習的興趣。
教學中要著重抓好入門環節，萬事開頭難。入門環節主要是要求學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的基礎知識，基本原理和構成，該領域的關鍵性技術、研究熱點和發展趨勢等方向。為了避免報告內容的空泛，要求學生在報告中必須輔以實例加以說明。
經過這個環節，較好地消除了學生學習該課程時的盲目性，而且這種學習模式和學生獨立研究一個課題相似，可以激發他們繼續學習的興趣。
教學環節中，教給學生學習的方法比傳授知識更重要。教學中主要注意以下問題：
(一)在討論式教學中學會問問題。學習中最重要的就是學會思考，帶著問題來思考，是最重要的學習原則。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，有些找學生解答，有些則留給學生課后思考，下次上課時，利用較短的時間進行總結和討論。
(二)培養興趣，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，就容易產生靈感，事半功倍。
(三)勤于動手，善于轉化。要多給學生動手，以便能把知識轉化為動手能力。這一點會由于不同學生差別很大，因此不同層次的學生要用實驗室的時間不同。
(四)學會綜合。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。所以要在課程學習中注重綜合。
教學可以和縱向科研聯合，將科研成果轉化成專業教學內容和教學設備，形成鮮明的專業教學特色，可以大大激發學生的學習興趣。
教學也可以和橫向項目相聯合，建設校企產學研合作實踐基地，促成教學與生產的結合，校企雙方優勢互補、資源互用，是促進科技發展，培養專門人才的重要途徑。
三、實驗的設計和管理
傳統的以課堂講授為主、實驗為輔的教學模式存在嚴重的缺陷[2]。因為所開設的實驗多數是驗證型實驗，所有的實驗對象都已經封裝好，學生只需要插線聯接，很快就可以獲得實驗結果。學生盡管完成了實驗，但無法真正將各門課程所學的內容融會貫通;更重要的是與實際工作中的設計過程差別甚遠。
為此，我們采用了實驗教學與理論教學并行的教學模式。學生的實驗針對課堂上所設立的控制系統進行，如電阻爐溫度控制系統。首先，利用兩個學時在課堂上講解整個系統的功能、組成和工作過程;在學生對整個計算機控制系統有了初步認識以后，在實驗室演示已設計好的控制系統，向學生細致說明理論內容與實物的對應關系，如計算機、加熱元件、接口電路、出發電路、檢測元件和執行機構等，再結合實物和學生討論設計方案及他們所提出的問題。然后，學生將自己的設計方案帶到實驗室去驗證。最后是同學們對自己所設計的系統進行調試和優化。
通過系統級—元件級的循環過程，同學們不僅對計算機控制系統課程的核心思想有了深刻的理解，而且親身體驗了實際產品設計的全過程，也充分認識到實踐操作的重要性，感受到設計成功的喜悅，大大激發了繼續學習的興趣。除了基礎實驗，我們按照從淺入深設計了四個綜合實驗：
(一)數字控制算法模塊化。根據課程教學內容，采用C語言對各類數字控制算法(包括：PID算法及其變形、數字濾波算法、最少拍算法、達林算法、狀態觀測器算法等)按照模塊化設計思想進行編程開發，以方便系統使用。
(二)溫度閉環數字控制系統。用簡易電加熱溫度控制箱與微機實驗箱構成一個溫度閉環控制系統，由學生按照自己設計的控制方案進行系統硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法，通過調整控制器參數以及外部擾動條件，觀察系統的運行情況。
(三)步進電機數字閉環控制系統。用小型直流步進電機隨動裝置與微機實驗箱構成一個步進電機閉環控制系統，由學生按照實驗設計的控制方案進行系統硬件的連接和配置，同時從控制算法模塊中選擇需要的算法組態控制系統，通過施加外部擾動，觀察系統的運行情況，并做實時記錄分析。
(四)帶上位監控的數字閉環控制系統。在數字閉環控制系統實現的基礎上，可考慮開發帶上位監控功能的在線閉環系統。通過該監控軟件平臺，可實現對系統控制算法的組態、控制器參數的調整和定值的修改等，同時要開發一些運行監控畫面，包括系統工藝圖、運行參數實時趨勢曲線、報警畫面和參數一覽畫面等。使學生可根據自己的設計方案，通過該平臺系統靈活的調整控制算法和對系統運行監控。
該課程的實驗內容更加符合快速發展的計算機工程控制技術要求，使學生走上工作崗位后能夠盡快地適應實際工作。
四、總結
最佳教學效果的取得，需要依據生源情況因材施教，課堂教學之外，教學的管理也很關鍵，實驗教學，作業情況，答辯和最終考核都需要認真執行才能達到效果，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，實驗室還沒有實現全開放，學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過程，改進教學手段，以達到該門課程教學效果的最優化。
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