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淺談關(guān)于計算機控制系統教學(xué)的研究與實(shí)踐
論文摘要：本文從計算機控制系統課程的教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，從課堂教學(xué)內容的組織和實(shí)驗的設計管理兩個(gè)教學(xué)內容入手，提出以把教學(xué)、實(shí)驗過(guò)程與日后工作和深入研究時(shí)采用的設計過(guò)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;教學(xué)研究;實(shí)驗設計
一、引言
對工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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[1]已成為生產(chǎn)設備及過(guò)程控制等重要的組成部分，它代替人成為工藝過(guò)程控制的指揮和監督中心。當代自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生應當努力學(xué)習計算機控制技術(shù)，成長(cháng)為適應社會(huì )發(fā)展的高技術(shù)人才。
計算機控制系統課程就是適應這樣的需要而開(kāi)設的。它是一門(mén)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�？梢哉f(shuō)本課程濃縮了自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的知識精華，在專(zhuān)業(yè)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(lái)說(shuō)，工科自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)計算機控制系統課程主要在自動(dòng)控制原理、現代控制理論等理論課的基礎上進(jìn)行深化;在微機原理、單片機原理、電源技術(shù)等課程的基礎上進(jìn)行工程應用的實(shí)踐。要上好這門(mén)課，教師除了需要堅實(shí)的理論基礎外，還需要有較好的實(shí)踐經(jīng)驗，授課時(shí)能夠將理論與實(shí)際系統聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)要有豐富的教學(xué)經(jīng)驗和成熟的教學(xué)管理手段。
現行的教學(xué)模式下存在的一些問(wèn)題偏于實(shí)際，忽略理論，將對學(xué)生深造和后續職業(yè)發(fā)展不利;偏重理論教學(xué)，難以將理論與應用結合，學(xué)生出校門(mén)卻無(wú)一技之長(cháng)，無(wú)法立即服務(wù)于社會(huì );教與學(xué)的脫節，難于調動(dòng)多數學(xué)生的學(xué)習積極性。
為此本文在教學(xué)實(shí)踐的基礎上，提出了從教學(xué)的組織和實(shí)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(diǎn)，共同進(jìn)步。
二、課堂教學(xué)內容的組織
課堂教學(xué)一直是教學(xué)的重點(diǎn)。首先要對課堂內容進(jìn)行有機的組織。
教學(xué)內容組織的原則是根據課程定位，兼顧基礎性、實(shí)用性，注重基本理論和基本方法，注重工程應用價(jià)值，舍去那些理論上先進(jìn)而工程上極少應用的高級或復雜算法，舍去那些適用場(chǎng)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(diǎn)突出，主要確保多數學(xué)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(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)際運用的情況，并且要適時(shí)宜地加以回顧，以使學(xué)生對重點(diǎn)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(diǎn)聯(lián)接起來(lái)，就可使學(xué)生鞏固所學(xué)知識。同時(shí)可適當介紹計算機控制系統的學(xué)術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)及待解決的問(wèn)題。
教學(xué)中要著(zhù)重抓好入門(mén)環(huán)節，萬(wàn)事開(kāi)頭難。入門(mén)環(huán)節主要是要求學(xué)生在課程開(kāi)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(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢等方向。為了避免報告內容的空泛，要求學(xué)生在報告中必須輔以實(shí)例加以說(shuō)明。
經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節，較好地消除了學(xué)生學(xué)習該課程時(shí)的盲目性，而且這種學(xué)習模式和學(xué)生獨立研究一個(gè)課題相似，可以激發(fā)他們繼續學(xué)習的興趣。
教學(xué)中要著(zhù)重抓好入門(mén)環(huán)節，萬(wàn)事開(kāi)頭難。入門(mén)環(huán)節主要是要求學(xué)生在課程開(kāi)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(lǐng)域的關(guān)鍵性技術(shù)、研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢等方向。為了避免報告內容的空泛，要求學(xué)生在報告中必須輔以實(shí)例加以說(shuō)明。
經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)節，較好地消除了學(xué)生學(xué)習該課程時(shí)的盲目性，而且這種學(xué)習模式和學(xué)生獨立研究一個(gè)課題相似，可以激發(fā)他們繼續學(xué)習的興趣。
教學(xué)環(huán)節中，教給學(xué)生學(xué)習的方法比傳授知識更重要。教學(xué)中主要注意以下問(wèn)題：
(一)在討論式教學(xué)中學(xué)會(huì )問(wèn)問(wèn)題。學(xué)習中最重要的就是學(xué)會(huì )思考，帶著(zhù)問(wèn)題來(lái)思考，是最重要的學(xué)習原則。在課堂上要盡量多提一些問(wèn)題，注意將問(wèn)題的來(lái)龍去脈說(shuō)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(shí)，利用較短的時(shí)間進(jìn)行總結和討論。
(二)培養興趣，找到樂(lè )趣。“興趣是最好的老師”。有了興趣和樂(lè )趣，就能夠忙而不累，樂(lè )而忘憂(yōu)，就容易產(chǎn)生靈感，事半功倍。
(三)勤于動(dòng)手，善于轉化。要多給學(xué)生動(dòng)手，以便能把知識轉化為動(dòng)手能力。這一點(diǎn)會(huì )由于不同學(xué)生差別很大，因此不同層次的學(xué)生要用實(shí)驗室的時(shí)間不同。
(四)學(xué)會(huì )綜合。要解決實(shí)際問(wèn)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(diǎn)之一就是綜合，包括多門(mén)已學(xué)課程的知識綜合，理論與實(shí)踐的綜合，硬件與軟件的綜合等等。所以要在課程學(xué)習中注重綜合。
教學(xué)可以和縱向科研聯(lián)合，將科研成果轉化成專(zhuān)業(yè)教學(xué)內容和教學(xué)設備，形成鮮明的專(zhuān)業(yè)教學(xué)特色，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。
教學(xué)也可以和橫向項目相聯(lián)合，建設校企產(chǎn)學(xué)研合作實(shí)踐基地，促成教學(xué)與生產(chǎn)的結合，校企雙方優(yōu)勢互補、資源互用，是促進(jìn)科技發(fā)展，培養專(zhuān)門(mén)人才的重要途徑。
三、實(shí)驗的設計和管理
傳統的以課堂講授為主、實(shí)驗為輔的教學(xué)模式存在嚴重的缺陷。因為所開(kāi)設的實(shí)驗多數是驗證型實(shí)驗，所有的實(shí)驗對象都已經(jīng)封裝好，學(xué)生只需要插線(xiàn)聯(lián)接，很快就可以獲得實(shí)驗結果。學(xué)生盡管完成了實(shí)驗，但無(wú)法真正將各門(mén)課程所學(xué)的內容融會(huì )貫通;更重要的是與實(shí)際工作中的設計過(guò)程差別甚遠。
為此，我們采用了實(shí)驗教學(xué)與理論教學(xué)并行的教學(xué)模式。學(xué)生的實(shí)驗針對課堂上所設立的控制系統進(jìn)行，如電阻爐溫度控制系統。首先，利用兩個(gè)學(xué)時(shí)在課堂上講解整個(gè)系統的功能、組成和工作過(guò)程;在學(xué)生對整個(gè)計算機控制系統有了初步認識以后，在實(shí)驗室演示已設計好的控制系統，向學(xué)生細致說(shuō)明理論內容與實(shí)物的對應關(guān)系，如計算機、加熱元件、接口電路、出發(fā)電路、檢測元件和執行機構等，再結合實(shí)物和學(xué)生討論設計方案及他們所提出的問(wèn)題。然后，學(xué)生將自己的設計方案帶到實(shí)驗室去驗證。最后是同學(xué)們對自己所設計的系統進(jìn)行調試和優(yōu)化。
通過(guò)系統級—元件級的循環(huán)過(guò)程，同學(xué)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(shí)際產(chǎn)品設計的全過(guò)程，也充分認識到實(shí)踐操作的重要性，感受到設計成功的喜悅，大大激發(fā)了繼續學(xué)習的興趣。除了基礎實(shí)驗，我們按照從淺入深設計了四個(gè)綜合實(shí)驗：
(一)數字控制算法模塊化。根據課程教學(xué)內容，采用C語(yǔ)言對各類(lèi)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(tài)觀(guān)測器算法等)按照模塊化設計思想進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，以方便系統使用。
(二)溫度閉環(huán)數字控制系統。用簡(jiǎn)易電加熱溫度控制箱與微機實(shí)驗箱構成一個(gè)溫度閉環(huán)控制系統，由學(xué)生按照自己設計的控制方案進(jìn)行系統硬件的連接和配置，同時(shí)從控制算法模塊中選擇需要的算法，通過(guò)調整控制器參數以及外部擾動(dòng)條件，觀(guān)察系統的運行情況。
(三)步進(jìn)電機數字閉環(huán)控制系統。用小型直流步進(jìn)電機隨動(dòng)裝置與微機實(shí)驗箱構成一個(gè)步進(jìn)電機閉環(huán)控制系統，由學(xué)生按照實(shí)驗設計的控制方案進(jìn)行系統硬件的連接和配置，同時(shí)從控制算法模塊中選擇需要的算法組態(tài)控制系統，通過(guò)施加外部擾動(dòng)，觀(guān)察系統的運行情況，并做實(shí)時(shí)記錄分析。
(四)帶上位監控的數字閉環(huán)控制系統。在數字閉環(huán)控制系統實(shí)現的基礎上，可考慮開(kāi)發(fā)帶上位監控功能的在線(xiàn)閉環(huán)系統。通過(guò)該監控軟件平臺，可實(shí)現對系統控制算法的組態(tài)、控制器參數的調整和定值的修改等，同時(shí)要開(kāi)發(fā)一些運行監控畫(huà)面，包括系統工藝圖、運行參數實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)、報警畫(huà)面和參數一覽畫(huà)面等。使學(xué)生可根據自己的設計方案，通過(guò)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(shí)驗內容更加符合快速發(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實(shí)際工作。
四、總結
最佳教學(xué)效果的取得，需要依據生源情況因材施教，課堂教學(xué)之外，教學(xué)的管理也很關(guān)鍵，實(shí)驗教學(xué)，作業(yè)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(guò)帶來(lái)的問(wèn)題是：對教師投入的精力要求較多。
另一方面，實(shí)驗室還沒(méi)有實(shí)現全開(kāi)放，學(xué)生自由實(shí)驗受到資源和時(shí)間的限制。因此，我們還有必要探究更加合理的教學(xué)過(guò)程，改進(jìn)教學(xué)手段，以達到該門(mén)課程教學(xué)效果的最優(yōu)化。
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