◆趙忠蓋

作者：趙忠蓋，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院副教授，博士，主要從事計算機(jī)控制系統(tǒng)、過程控制等方面的教學(xué)和科研工作（214122）。

1 引言

一個完整的計算機(jī)控制系統(tǒng)涉及信號檢測、信號處理、控制策略的實現(xiàn)以及信號輸出等多個環(huán)節(jié)，對應(yīng)的計算機(jī)控制類課程則包括傳感器技術(shù)、自動化儀表、計算機(jī)控制技術(shù)、微型計算機(jī)原理、PLC 技術(shù)及應(yīng)用、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等，詳細(xì)講述了傳感檢測系統(tǒng)、變送傳送系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機(jī)、數(shù)字控制算法、驅(qū)動執(zhí)行以及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計等知識，基本涵蓋了計算機(jī)控制系統(tǒng)組成的硬件工具（PLC、單片機(jī)等）、軟件工具（梯形圖、匯編語言、C 語言等）、檢測傳感知識（傳感原理、儀器儀表等）、方法策略類（各種控制算法、邏輯控制策略等）等各個方面。計算機(jī)控制類課程是自動化專業(yè)本科學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，旨在面向工程實際需求，培養(yǎng)學(xué)生在控制理論的工程應(yīng)用和實現(xiàn)等方面的能力。通過這類課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在面對控制任務(wù)時，能夠從儀表選型、控制方案的確定、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)等多方面綜合考慮，從而構(gòu)建計算機(jī)控制系統(tǒng)。

顯然，隨著計算機(jī)的大量普及以及數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)控制類課程在自動化專業(yè)的教學(xué)和學(xué)習(xí)中將會越來越重要。但是在教學(xué)和指導(dǎo)研究生新生過程中通常發(fā)現(xiàn)，自動化專業(yè)的學(xué)生往往會產(chǎn)生這樣的疑惑：“學(xué)了這些計算機(jī)和控制類的知識，我到底能做什么？”并且，學(xué)生無法抓住計算機(jī)控制類課程的學(xué)習(xí)重點(diǎn)，學(xué)習(xí)的過程中通常會偏向于計算機(jī)控制中計算機(jī)的學(xué)習(xí)，包括編程語言、工業(yè)控制計算機(jī)等工具類知識的學(xué)習(xí)，偏離了“控制”的主題。

計算機(jī)控制類課程的教學(xué)是一個系統(tǒng)工程，課程改革應(yīng)該從系統(tǒng)的高度，而不是局限于某門課，去協(xié)調(diào)處理課程體系，并進(jìn)行整體優(yōu)化，方能去繁就簡，把握課程的核心與實質(zhì)[1]。目前，清華大學(xué)進(jìn)行了計算機(jī)控制技術(shù)綜合實驗的教學(xué)改革[2]，北京航天航空大學(xué)提出計算機(jī)控制技術(shù)本碩一體化教學(xué)方法等[3]，國外自動化專業(yè)出現(xiàn)經(jīng)典教材《現(xiàn)代控制工程》，其綜合了自動控制原理、現(xiàn)代控制理論以及后現(xiàn)代控制理論等多門課程，這些都表明從課程體系高度去優(yōu)化和重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)成為趨勢。正如清華大學(xué)本科教學(xué)改革目標(biāo)所言：學(xué)科發(fā)展和課程設(shè)置要進(jìn)一步向?qū)W科的交叉與綜合背景下通識教育的方向轉(zhuǎn)變；教學(xué)方式要進(jìn)一步向知識傳授與探索相結(jié)合，師生互動、教學(xué)相長，并以調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生求知欲和創(chuàng)造性為主要目標(biāo)的教學(xué)方式轉(zhuǎn)變。計算機(jī)控制類課程的教學(xué)也必然向建設(shè)一個有利于學(xué)生整體掌握課程體系，從而能夠?qū)崿F(xiàn)自主性學(xué)習(xí)、盡早參與研究工作、學(xué)習(xí)和研究并進(jìn)的教學(xué)框架方向發(fā)展。

2 教學(xué)中存在的問題

細(xì)究本科學(xué)生在學(xué)習(xí)計算機(jī)控制類課程中遇到的困惑和迷茫，認(rèn)為計算機(jī)控制類課程的教學(xué)存在如下問題。

計算機(jī)控制類課程體系思想的缺乏 根據(jù)國內(nèi)眾多著名高校和本校自動化專業(yè)的課程大綱，各門計算機(jī)控制類課程往往自成一體，大多以學(xué)生能夠熟練掌握本門課程的知識點(diǎn)為培養(yǎng)目標(biāo)，模糊了計算機(jī)控制類課程體系的整體脈絡(luò)，難免會有所局限，容易使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)識不清的問題。簡單地講，計算機(jī)控制類課程就是教會學(xué)生實現(xiàn)計算機(jī)控制系統(tǒng)，但是由于涉及的知識點(diǎn)和課程較多，時間跨度較長，因此如果沒有明確的課程體系思想，很容易使學(xué)生淹沒在某個旁枝末節(jié)的支流中。目前，國內(nèi)有一部分教師認(rèn)識到這一點(diǎn)，并努力從教材內(nèi)容上進(jìn)行改革。比如清華大學(xué)王錦標(biāo)教授等編寫了計算機(jī)控制系統(tǒng)教材等，從工程實際出發(fā)，介紹計算機(jī)控制技術(shù)的實現(xiàn)。

教材和教學(xué)內(nèi)容的銜接問題 計算機(jī)控制類課程之間存在緊密的聯(lián)系，往往無法對課程進(jìn)行硬性的劃分。比如計算機(jī)控制技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)兩門課就很難劃分，但是教材的編寫者相互之間不可能進(jìn)行協(xié)調(diào)，各自編寫的出發(fā)點(diǎn)也不同，使得教材內(nèi)容往往存在相當(dāng)部分的重疊。另一方面，教學(xué)課程體系思想的缺乏也導(dǎo)致各門課程的授課內(nèi)容可能存在重復(fù)過多，或者缺乏銜接，致使學(xué)生無法融會貫通。國內(nèi)僅計算機(jī)控制技術(shù)這門課，就出現(xiàn)很多內(nèi)容差別很大的教材，至于各課程教材之間內(nèi)容的重疊現(xiàn)象更是普遍存在，給教師的授課和學(xué)生的學(xué)習(xí)都帶來困難。

實踐教學(xué)缺乏整體環(huán)節(jié) 計算機(jī)控制類課程的實踐教學(xué)通常側(cè)重于原理的驗證或者工具的掌握，條件好的學(xué)校采用實物進(jìn)行，而條件差的則只能通過MATLAB 仿真，欠缺系統(tǒng)性的實踐環(huán)節(jié)[4]，從理論到理論的應(yīng)用聯(lián)系不夠。比如目前很多學(xué)生沒有弄清楚自動化專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課——自動控制原理，與計算機(jī)控制技術(shù)之間的聯(lián)系。隨著國內(nèi)各種工具類競賽項目的興起，工具類課程逐漸在自動化專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用環(huán)節(jié)中占據(jù)重要地位，從而出現(xiàn)實踐環(huán)節(jié)與自動化專業(yè)基礎(chǔ)知識的脫節(jié)現(xiàn)象。并且，已有的課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)也往往只是針對某門課，缺乏整體實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生無法從全局去了解和掌握計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，因此產(chǎn)生諸如前面的疑惑也就不足為怪了。

3 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化和改進(jìn)

通過計算機(jī)控制類課程體系的整體優(yōu)化，解決學(xué)生對專業(yè)核心課程脈絡(luò)不清晰的問題，以及教師單兵作戰(zhàn)的問題。通過整合課程內(nèi)容，并將計算機(jī)控制技術(shù)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)融合為一門課，解決計算機(jī)控制類多門課程內(nèi)容交叉、重復(fù)，部分內(nèi)容不適應(yīng)培養(yǎng)目標(biāo)要求等問題。將理論和應(yīng)用相結(jié)合，通過基本性實驗教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實踐活動，解決普遍存在的重理論、輕實踐的問題。

基于項目引導(dǎo)或任務(wù)引導(dǎo)原則[5]，以行業(yè)特色或地方經(jīng)濟(jì)實際需要為背景，以自動化應(yīng)用技術(shù)為主線，以通識教育與專業(yè)技術(shù)教育結(jié)合，主要圍繞計算機(jī)控制類課程體系的整體優(yōu)化，以“系統(tǒng)理念”為主線的課程內(nèi)容的整合，基本性實驗教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計實踐活動的改革等展開工作，做到三個“突出”。

整體優(yōu)化計算機(jī)控制類課程體系，突出“主線” 課程的安排按照計算機(jī)控制系統(tǒng)的自然順序進(jìn)行，改變以往按照課程重要程度的安排方式。舊的課程體系下，計算機(jī)控制類各課程獨(dú)立設(shè)置，設(shè)置時間和設(shè)置內(nèi)容的邏輯依據(jù)性較弱。通常，本科生一、二年級為通識教育，安排基礎(chǔ)類的課程，比如數(shù)學(xué)類、語言類以及電子技術(shù)類等，為后面的專業(yè)學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)；而大三以后為專業(yè)教育，考慮到學(xué)生保研選拔、學(xué)生實習(xí)等多方面的因素，專業(yè)課無形中會按照課程的重要程度安排：大三開設(shè)專業(yè)基礎(chǔ)類的課程，比如自動控制原理、電機(jī)與拖動、計算機(jī)控制技術(shù)、PLC、傳感器技術(shù)等；還剩下一些專業(yè)性很強(qiáng)的課程則放到本科大四上半學(xué)期，比如現(xiàn)場總線控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、智能控制等。如此，計算機(jī)控制類的課程順序上存在一定的顛倒，比如平行開設(shè)計算機(jī)控制類的課程無法實現(xiàn)知識上的漸進(jìn)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來困難。而且計算機(jī)控制類課程缺乏一門統(tǒng)領(lǐng)性的課程，使學(xué)生在進(jìn)入計算機(jī)控制類課程學(xué)習(xí)前，能夠?qū)τ嬎銠C(jī)控制類課程有個整體的認(rèn)識，幫助學(xué)生理清該類課程的脈絡(luò)，從而避免直接進(jìn)入盲人摸象式的細(xì)節(jié)教育。

為了避免上述問題，在課程的安排上遵循工程上計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計流程，按從系統(tǒng)框架到細(xì)節(jié)的順序，突出計算機(jī)控制系統(tǒng)的主線，輔以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的工具和手段。具體地，為保證學(xué)生能夠?qū)τ嬎銠C(jī)控制以至自動化專業(yè)有所了解，在大一階段開設(shè)新生研討和專業(yè)前沿課，就自動化專業(yè)課程主要是計算機(jī)控制類課程的整體應(yīng)用進(jìn)行普及教育，在加強(qiáng)學(xué)生對計算機(jī)控制的整體認(rèn)識的同時，培養(yǎng)學(xué)生的興趣。計算機(jī)控制技術(shù)作為計算機(jī)控制類課程的核心課程，在自動控制原理課程結(jié)束后即安排，突出兩者之間的聯(lián)系；然后圍繞這門課，先從信號的檢測和儀表選型等方面安排課程。而工具類的課程之間沒有主次之分，統(tǒng)一安排在一學(xué)期，最后安排現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上將前面的課程貫穿起來。因此，計算機(jī)控制類課程的脈絡(luò)是：專業(yè)前沿和新生研討課→計算機(jī)控制技術(shù)→傳感器技術(shù)、自動化儀表→單片機(jī)技術(shù)、PLC 及其應(yīng)用、微機(jī)原理等→現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

通過整體優(yōu)化計算機(jī)控制類課程體系，一是讓學(xué)生對專業(yè)類課程有清晰的脈絡(luò)，提高學(xué)習(xí)效率，認(rèn)清各門課程；二是讓教師之間形成團(tuán)隊，進(jìn)行研究型大學(xué)計算機(jī)控制類課程體系的研究工作，提出適應(yīng)21 世紀(jì)要求的培養(yǎng)模式。

整合課程內(nèi)容，突出“系統(tǒng)” 計算機(jī)控制涉及的課程較多，廣義的計算機(jī)控制系統(tǒng)包括檢測、算法以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等計算機(jī)控制類課程的全部內(nèi)容。因此，各門課之間很難獨(dú)立分割，幾乎所有的計算機(jī)控制系統(tǒng)的教材都會有部分內(nèi)容講解信號的檢測以及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在這些內(nèi)容又單獨(dú)成課；反過來，很多現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)以及自動化儀表的教材也往往含有部分計算機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)容。另一方面，教師在講解某門課時，為了使學(xué)生融會貫通，課程之間適當(dāng)?shù)你暯右彩直匾?，但是如何把握銜接的度是關(guān)鍵。因此，如何整合課程內(nèi)容是計算機(jī)控制類教改的重點(diǎn)。

針對計算機(jī)控制類課程間教學(xué)內(nèi)容的安排問題，為了讓學(xué)生掌握計算機(jī)控制類課程的核心知識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以工程上計算機(jī)控制系統(tǒng)為引領(lǐng)，將相關(guān)專業(yè)課程有機(jī)結(jié)合在一起，既注意各自的特點(diǎn)，又強(qiáng)調(diào)內(nèi)部的聯(lián)系，實現(xiàn)課程內(nèi)容的系統(tǒng)化。在系統(tǒng)框架下，計算機(jī)控制技術(shù)側(cè)重于與自動控制原理的銜接，并引入現(xiàn)代控制理論部分的內(nèi)容，傳授學(xué)生關(guān)于通過計算機(jī)實現(xiàn)控制理論的算法，讓學(xué)生了解控制系統(tǒng)的理論和策略基礎(chǔ)；傳感器和自動化儀表實現(xiàn)計算機(jī)控制系統(tǒng)的信號檢測與自動化儀表，在系統(tǒng)思想的引領(lǐng)下，這兩門課與其他課程的重疊較少，在舉例應(yīng)用中，將各種儀表與信息檢測置于計算機(jī)控制系統(tǒng)的大框架下即可，并且關(guān)于儀表之間的通信與連接部分的內(nèi)容略掉；PLC、單片機(jī)等工具類的課程，核心授課內(nèi)容設(shè)置為講授控制系統(tǒng)中變量的采集與處理，以及各種控制算法的實現(xiàn)等；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則從宏觀上構(gòu)建學(xué)生的系統(tǒng)觀，并最終實現(xiàn)計算機(jī)控制類課程的綜合，側(cè)重于各種工業(yè)常用通信協(xié)議的講授。在現(xiàn)代教育教學(xué)思想的指導(dǎo)下，遵循系統(tǒng)科學(xué)的整體性原理，將計算機(jī)控制系統(tǒng)類課程涉及的主要內(nèi)容融為一個整體。

加強(qiáng)實踐教學(xué)，突出“綜合” 實踐起到鞏固理論知識的作用，創(chuàng)新源于實踐。如何將理論知識和應(yīng)用有機(jī)結(jié)合起來，形成良性互動，是實踐教學(xué)改革的重點(diǎn)。特別的，計算機(jī)控制系統(tǒng)的一大特點(diǎn)是系統(tǒng)，但是計算機(jī)控制類課程又單獨(dú)成課，各自都有相關(guān)的實驗，這些實驗都是針對該門課具體的知識點(diǎn)設(shè)置，很難在實驗中將計算機(jī)控制類課程的內(nèi)容融為一體。

通過基本性實驗教學(xué)、專題性課程設(shè)計、工程應(yīng)用性畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，從培養(yǎng)學(xué)生基本、綜合和自主實踐能力出發(fā)，并按研究型大學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和新的課程體系要求，構(gòu)建新的實踐能力培養(yǎng)體系。該體系中，各門課的實驗還是針對該課的基本知識點(diǎn)，但是增加了專題性的課程設(shè)計，并且實現(xiàn)開放式的課程設(shè)計方式，使學(xué)生在計算機(jī)控制的大框架下可以自主選題，然后利用課余時間自主完成課題任務(wù)，不再單獨(dú)占用上課時間。與傳統(tǒng)課程設(shè)計不同，該課程設(shè)計最大的特點(diǎn)是針對計算機(jī)控制類課程的綜合設(shè)計，突出知識點(diǎn)的綜合應(yīng)用。而且在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的設(shè)置上，加大工程應(yīng)用性的比例，鼓勵學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)控制類實際項目的開發(fā)與設(shè)計。

4 教學(xué)方法改進(jìn)

與教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化與改進(jìn)相適應(yīng)，在教學(xué)方法上主要進(jìn)行如下改進(jìn)。

1）以計算機(jī)控制系統(tǒng)為主線，從應(yīng)用角度出發(fā)，密切結(jié)合工業(yè)自動化實踐，以主講教授為龍頭，成立系列課程教研組，組織教師進(jìn)行調(diào)研、討論，將計算機(jī)控制系列課程融為一體，相互銜接、相互連貫，重新制訂合理的教學(xué)計劃和大綱、實驗計劃和大綱、綜合課程設(shè)計的計劃和大綱等，并聘請校內(nèi)外專家進(jìn)行評審。

2）在加強(qiáng)學(xué)生對課程之間的知識聯(lián)系方面有如下舉措。

①組織學(xué)術(shù)造詣深厚的教授給大一新生講授學(xué)科前沿和新生研討課，加強(qiáng)學(xué)生的思辨能力，同時建立學(xué)生計算機(jī)控制的系統(tǒng)思想。

②在大二充分利用學(xué)院國家電子類大學(xué)生實踐基地平臺，組織學(xué)生進(jìn)行大學(xué)生創(chuàng)新項目的實踐；大二的學(xué)生作為大三學(xué)生的助手，建立計算機(jī)控制系統(tǒng)實際應(yīng)用的感性認(rèn)識。

③在大三后則利用學(xué)生參觀實習(xí)的契機(jī)，讓學(xué)生了解實際工廠計算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，并通過國際工業(yè)自動化展，了解計算機(jī)控制系統(tǒng)在各行各業(yè)中的應(yīng)用以及最新發(fā)展趨勢。

3）在加強(qiáng)綜合實驗方面主要采用如下措施。

①依托相應(yīng)課程，優(yōu)化基本性實驗教學(xué)內(nèi)容，對原有實驗內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和更新，精選內(nèi)容先進(jìn)、具有代表性的教學(xué)內(nèi)容和實驗項目。

②加大綜合性、設(shè)計性實驗的比重，根據(jù)實際情況開設(shè)選擇性實驗，充分發(fā)揮有實踐經(jīng)驗教師的特長，以項目為引導(dǎo)，給出項目的要求，不限定知識范圍，讓學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的計算機(jī)控制知識，根據(jù)項目成本、項目技術(shù)要求等工程要求，自主選型，并自主完成項目的計算機(jī)控制系統(tǒng)，給學(xué)生最大的發(fā)揮空間。

③在代表性課程的考核環(huán)節(jié)，如現(xiàn)場總線控制，增加該課程的課程設(shè)計環(huán)節(jié)。在該環(huán)節(jié)，教師不限定題目，學(xué)生可以根據(jù)自身的經(jīng)歷或者生活體驗，發(fā)揮自主想象的空間，自主選題，并做出控制系統(tǒng)實物。另一方面為增加對控制系統(tǒng)的認(rèn)識，學(xué)生需要就系統(tǒng)方案的設(shè)計、功能等方面進(jìn)行說明或演示。在此過程中一切以學(xué)生為主，給學(xué)生配備教師顧問組，由多名教師組成，學(xué)生可以根據(jù)需求自主尋求教師的意見。除此之外，教師僅需要對學(xué)生的作品進(jìn)行評價。

④在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，對畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行分類要求。在側(cè)重于工程設(shè)計類的畢業(yè)設(shè)計中給學(xué)生一定的經(jīng)費(fèi)，讓學(xué)生實現(xiàn)設(shè)計的實物并演示；而在側(cè)重于論文類的畢業(yè)設(shè)計中，設(shè)計與科學(xué)研究相結(jié)合，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入較前沿的理論研究中去，拓寬學(xué)生專業(yè)知識面。

5 結(jié)語

由于課程多、跨度大、課程間相關(guān)性強(qiáng)，并且課程間內(nèi)容重疊，計算機(jī)控制類課程的“教”和“學(xué)”都存在困難。本文以工程上一個完整的計算機(jī)控制系統(tǒng)為引領(lǐng)，分別從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的優(yōu)化上給出教學(xué)改革方法。在教學(xué)內(nèi)容上，對各課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，做到突出“主線”脈絡(luò)，突出“系統(tǒng)”架構(gòu)，突出“綜合”實踐；在教學(xué)方法上，對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容的改革，通過改革教學(xué)大綱、教學(xué)計劃和實驗計劃，使計算機(jī)控制類課程相互銜接，并借助學(xué)院國家級創(chuàng)新基地平臺，以及增加新生研討課、學(xué)科前沿課和課程實習(xí)環(huán)節(jié)，再依托現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，結(jié)合綜合設(shè)計環(huán)節(jié)，加強(qiáng)學(xué)生的綜合實踐環(huán)節(jié)。通過上述改革，加強(qiáng)學(xué)生對計算機(jī)控制系統(tǒng)中“控制”和“系統(tǒng)”的認(rèn)識，既增加學(xué)生對計算機(jī)控制類課程理論知識的理解，又培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用計算機(jī)控制類知識的實踐能力，效果明顯。

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