关于计算机控制系统教学的研究与实践

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论文摘要：本文从计算机控制系统课程的教学实践出发，从课堂教学内容的组织和实验的设计管理两个教学内容入手，提出以把教学、实验过程与日后工作和深入研究时采用的设计过程接轨为主要思路，辅以对学生科学的管理、因材施教，从而保证最多的学生从课程中受益。

论文关键词：计算机控制系统；教学研究；实验设计

一、引言

对工业生产过程进行计算机控制是科技发展的必然，计算机控制系统[1]已成为生产设备及过程控制等重要的组成部分，它代替人成为工艺过程控制的指挥和监督中心。当代自动控制专业的大学生应当努力学习计算机控制技术，成长为适应社会发展的高技术人才。

计算机控制系统课程就是适应这样的需要而开设的。它是一门理论性强、内容丰富、概念抽象、涉及知识面宽、分析方法多、信息量大的课程。可以说本课程浓缩了自动化专业的知识精华，在专业的课程体系中具有承上启下的作用。从课程设置的上下衔接来说，工科自动化专业计算机控制系统课程主要在自动控制原理、现代控制理论等理论课的基础上进行深化；在微机原理、单片机原理、电源技术等课程的基础上进行工程应用的实践。要上好这门课，教师除了需要坚实的理论基础外，还需要有较好的实践经验，授课时能够将理论与实际系统联系起来，同时要有丰富的教学经验和成熟的教学管理手段。

现行的教学模式下存在的一些问题如下：偏于实际，忽略理论，将对学生深造和后续职业发展不利；偏重理论教学，难以将理论与应用结合，学生出校门却无一技之长，无法立即服务于社会；教与学的脱节，难于调动多数学生的学习积极性。

为此本文在教学实践的基础上，提出了从教学的组织和实验的管理的计算机控制系统课程体系的安排，希望能得到同行的指点，共同进步。

二、课堂教学内容的组织

课堂教学一直是教学的重点。首先要对课堂内容进行有机的组织。

教学内容组织的原则是根据课程定位，兼顾基础性、实用性，注重基本理论和基本方法，注重工程应用价值，舍去那些理论上先进而工程上极少应用的高级或复杂算法，舍去那些适用场合不多的硬件配置模式，整合其他的相关课程资源，依照学生的水平，重点突出，主要确保多数学生不掉队。选定的课程四大核心内容为：

（1）以数字控制理论为主体，从连续控制引入数字控制

（2）控制算法及其编程方法

（3）智能控制理论的应用

（4）典型计算机控制系统的组成结构和设计

对重点和难点的内容要精讲多练。精讲就是概念清楚，叙述明确，介绍详细，并指明实际运用的情况，并且要适时宜地加以回顾，以使学生对重点部分经常保持清晰的印象。多练需要在教学中穿插安排一定数量的习题课，精选例题，讲练结合，举一反三，将看似零散的知识点联接起来，就可使学生巩固所学知识。同时可适当介绍计算机控制系统的学术发展动态及待解决的问题。

教学中要着重抓好入门环节，万事开头难。入门环节主要是要求学生在课程开始之前提交一篇综述性的研究报告。选题的范围由任课教师指定，主要涉及计算机控制系统的基础知识，基本原理和构成，该领域的关键性技术、研究热点和发展趋势等方向。为了避免报告内容的空泛，要求学生在报告中必须辅以实例加以说明。

经过这个环节，较好地消除了学生学习该课程时的盲目性，而且这种学习模式和学生独立研究一个课题相似，可以激发他们继续学习的兴趣。

教学中要着重抓好入门环节，万事开头难。入门环节主要是要求学生在课程开始之前提交一篇综述性的研究报告。选题的范围由任课教师指定，主要涉及计算机控制系统的基础知识，基本原理和构成，该领域的关键性技术、研究热点和发展趋势等方向。为了避免报告内容的空泛，要求学生在报告中必须辅以实例加以说明。

经过这个环节，较好地消除了学生学习该课程时的盲目性，而且这种学习模式和学生独立研究一个课题相似，可以激发他们继续学习的兴趣。 "

教学环节中，教给学生学习的方法比传授知识更重要。教学中主要注意以下问题：

（一）在讨论式教学中学会问问题。学习中最重要的就是学会思考，带着问题来思考，是最重要的学习原则。在课堂上要尽量多提一些问题，注意将问题的来龙去脉说清楚，有些自我解答，有些找学生解答，有些则留给学生课后思考，下次上课时，利用较短的时间进行总结和讨论。

（二）培养兴趣，找到乐趣。“兴趣是最好的老师”。有了兴趣和乐趣，就能够忙而不累，乐而忘忧，就容易产生灵感，事半功倍。

（三）勤于动手，善于转化。要多给学生动手，以便能把知识转化为动手能力。这一点会由于不同学生差别很大，因此不同层次的学生要用实验室的时间不同。

（四）学会综合。要解决实际问题，靠哪一项单科知识都是不够的，靠的是综合后的知识。本课程的特点之一就是综合，包括多门已学课程的知识综合，理论与实践的综合，硬件与软件的综合等等。所以要在课程学习中注重综合。

教学可以和纵向科研联合，将科研成果转化成专业教学内容和教学设备，形成鲜明的专业教学特色，可以大大激发学生的学习兴趣。

教学也可以和横向项目相联合，建设校企产学研合作实践基地，促成教学与生产的结合，校企双方优势互补、资源互用，是促进科技发展，培养专门人才的重要途径。

三、实验的设计和管理

传统的以课堂讲授为主、实验为辅的教学模式存在严重的缺陷[2]。因为所开设的实验多数是验证型实验，所有的实验对象都已经封装好，学生只需要插线联接，很快就可以获得实验结果。学生尽管完成了实验，但无法真正将各门课程所学的内容融会贯通；更重要的是与实际工作中的设计过程差别甚远。

为此，我们采用了实验教学与理论教学并行的教学模式。学生的实验针对课堂上所设立的控制系统进行，如电阻炉温度控制系统。首先，利用两个学时在课堂上讲解整个系统的功能、组成和工作过程；在学生对整个计算机控制系统有了初步认识以后，在实验室演示已设计好的控制系统，向学生细致说明理论内容与实物的对应关系，如计算机、加热元件、接口电路、出发电路、检测元件和执行机构等，再结合实物和学生讨论设计方案及他们所提出的问题。然后，学生将自己的设计方案带到实验室去验证。最后是同学们对自己所设计的系统进行调试和优化。

通过系统级—元件级的循环过程，同学们不仅对计算机控制系统课程的核心思想有了深刻的理解，而且亲身体验了实际产品设计的全过程，也充分认识到实践操作的重要性，感受到设计成功的喜悦，大大激发了继续学习的兴趣。除了基础实验，我们按照从浅入深设计了四个综合实验：

（一）数字控制算法模块化。根据课程教学内容，采用C语言对各类数字控制算法（包括：PID算法及其变形、数字滤波算法、最少拍算法、达林算法、状态观测器算法等）按照模块化设计思想进行编程开发，以方便系统使用。

（二）温度闭环数字控制系统。用简易电加热温度控制箱与微机实验箱构成一个温度闭环控制系统，由学生按照自己设计的控制方案进行系统硬件的连接和配置，同时从控制算法模块中选择需要的算法，通过调整控制器参数以及外部扰动条件，观察系统的运行情况。

（三）步进电机数字闭环控制系统。用小型直流步进电机随动装置与微机实验箱构成一个步进电机闭环控制系统，由学生按照实验设计的控制方案进行系统硬件的连接和配置，同时从控制算法模块中选择需要的算法组态控制系统，通过施加外部扰动，观察系统的运行情况，并做实时记录分析。

（四）带上位监控的数字闭环控制系统。在数字闭环控制系统实现的基础上，可考虑开发带上位监控功能的在线闭环系统。通过该监控软件平台，可实现对系统控制算法的组态、控制器参数的调整和定值的修改等，同时要开发一些运行监控画面，包括系统工艺图、运行参数实时趋势曲线、报警画面和参数一览画面等。使学生可根据自己的设计方案，通过该平台系统灵活的调整控制算法和对系统运行监控。

该课程的实验内容更加符合快速发展的计算机工程控制技术要求，使学生走上工作岗位后能够尽快地适应实际工作。

四、总结

最佳教学效果的取得，需要依据生源情况因材施教，课堂教学之外，教学的管理也很关键，实验教学，作业情况，答辩和最终考核都需要认真执行才能达到效果，避免流于形式。不过带来的问题是：对教师投入的精力要求较多。

另一方面，实验室还没有实现全开放，学生自由实验受到资源和时间的限制。因此，我们还有必要探究更加合理的教学过程，改进教学手段，以达到该门课程教学效果的最优化。