汪德彪，胡文金，楊波，劉顯榮，姚立忠

我國于2016年6月成為《華盛頓協議》的正式成員，標志著我國高等工程教育進入新階段。隨著“卓越工程師計劃”與工程教育認證掛鉤，我國工科專業(yè)參加工程教育認證的熱度上升。工程教育認證遵循以學生為中心、產出導向和持續(xù)改進的理念。要在實質意義上滿足工程教育認證要求，必須以這種理念構建專業(yè)人才培養(yǎng)方案，明確培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，而專業(yè)課程體系是培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的支撐基礎［1-3］。計算機控制系統(tǒng)作為自動化專業(yè)的一門核心課程，對學生的專業(yè)素質培養(yǎng)和專業(yè)核心能力形成具有重要的作用。重慶科技學院自動化專業(yè)于2016年通過工程教育認證，為滿足自動化專業(yè)工程教育認證需要，我們對工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程進行了深入改革，得出了一些基本經驗。

一、自動化專業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程教學目標

重慶科技學院自動化專業(yè)依據OBE（Outcome Based Education）理念制定人才培養(yǎng)方案，遵從工程教育認證理念，確定了自動化專業(yè)學生畢業(yè)5年左右要達到的5個方面的能力要求：一是具有工程倫理道德和正確的社會價值觀，具有承擔社會責任的能力；二是熟悉技術規(guī)范，具有跨文化交流、協同工作和管理的能力；三是具有利用自然科學和工程知識，識別和分析現場工程問題的基礎能力；四是具有終身學習能力，具有運用新方法、新技術、新軟件等現代工程技術和工具的能力；五是在多種現實約束條件下，具有協同解決現場工程問題所需的技術能力和業(yè)務能力。自動化專業(yè)根據5個方面的能力要求確定了12條畢業(yè)要求，根據畢業(yè)要求構建專業(yè)課程體系，課程體系中各課程教學目標的達成是畢業(yè)要求達成的基礎，一般通過課程目標的達成度來支撐畢業(yè)要求的達成度［1-5］。

工業(yè)計算機控制系統(tǒng)作為自動化專業(yè)的核心課程之一，主要支撐畢業(yè)要求2-2、3-1、6-2和7-2指標點。指標點2-2：能識別和表示自動控制系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)、結構和參數；指標點3-1：能夠根據用戶需求確定自動化系統(tǒng)設計目標、設計依據和設計步驟；指標點6-2：了解與自動化系統(tǒng)相關的技術標準、產業(yè)政策和法律法規(guī)，尊重知識產權；指標點7-2：理解經濟與社會可持續(xù)發(fā)展的意義，能針對實際自動化工程項目，評價其投入使用后對經濟和社會可持續(xù)發(fā)展的影響。

在充分理解自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求的基礎上，結合工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程的工程性和綜合性特點，制定課程的教學目標，具體包括：（1）理解計算機控制系統(tǒng)的結構特點、主流技術、發(fā)展趨勢等，理解使用計算機控制系統(tǒng)提升工業(yè)生產自動化水平的意義；（2）熟悉工業(yè)計算機、總線與接口技術，能熟練使用和維護工業(yè)計算機系統(tǒng)；（3）掌握過程通道的組成與實現技術，能分析過程通道中的典型單元電路，能正確應用典型的過程通道；（4）掌握計算機控制系統(tǒng)中的測量預處理方法和控制算法，會使用多種實現方案；（5）理解總線型網絡與通信技術，能搭建計算機控制網絡；（6）掌握計算機控制系統(tǒng)的軟件實現方法，能夠編寫數據采集、PID運算和輸出程序；（7）了解計算機控制系統(tǒng)設計方法、步驟和技術標準，能根據控制目標和要求，給出計算機控制系統(tǒng)的簡要設計方案。

二、存在的問題

根據自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求，工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程的目標不僅有技術性要求，也有非技術性要求。目前工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程主要存在3個方面的問題。

第一，非技術性教學內容與技術性教學內容的融合不充分，甚至缺少非技術性教學內容。比如計算機控制的技術標準、管理規(guī)范、產業(yè)政策和法律法規(guī)、技術經濟、環(huán)境保護等，這些非技術性內容涉及很少。即使有也只是從技術性教學內容中剝離出來，形成“兩張皮”，沒有與技術性教學內容有機融合，教學效果不佳。

第二，教學內容陳舊，與當今主流技術脫節(jié)。先進成熟的計算機控制技術進入課堂是工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程教學追求的目標，只有這樣才能滿足工程教育認證要求。當今國內計算機控制系統(tǒng)課程的教材或多或少存在教材內容與工程應用實際脫節(jié)的問題，一些已經在工程應用中不再使用的技術仍然占據教材的不少篇幅，與現代計算機控制技術的現狀存在差距。

第三，教學內容的工程性不強，理論成分多，工程理念體現不充分。比如PID算法工程化處理與編程實現問題、實驗對象與真實對象存在較大差距，大學教學與工程應用“最后一公里路程”始終不能貫通。

三、工程教育認證下的教學對策

（一）教師必須透徹理解自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標和畢業(yè)要求

教師不應只簡單講授工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程的基本知識，而應把該課程融入到自動化專業(yè)的課程體系中，站在自動化專業(yè)人才培養(yǎng)的全局去思考該課程的教學問題，準確界定該課程的邊界和自動化專業(yè)課程體系中各門課程之間的關系。只有這樣才能在教學中明確工程教育認證標準強調的復雜工程問題的針對性，凸顯核心課程的教學地位，才能抓住課程的本質，形成人才培養(yǎng)合力，為畢業(yè)要求的達成提供支撐。為了充分發(fā)揮教師的關鍵性作用，在自動化專業(yè)負責人的引領下，在控制理論與控制技術課程小組內對工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程進行研討。研討內容涉及自動化專業(yè)核心能力、課程如何達成相關能力、課程教學內容的取舍與實施方法等。經過討論達成的共識在實際教學活動中具有更好的執(zhí)行力，能確保課程目標的實現。

（二）非技術性內容融入技術性內容教學

從工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程支撐自動化專業(yè)畢業(yè)要求指標點看出，該課程需要支撐許多非技術性指標。為此，將控制與環(huán)境、控制與效益、規(guī)范與法律等非技術性內容融入到技術性內容中，使課程教學顯得立體而豐滿，從而推進課程目標的完整實現。

第一，充分利用案例教學手段。將控制與環(huán)境、控制與效益的內容納入案例分析中，主要體現在2個教學內容上：一是在計算機控制系統(tǒng)基本概念和性能分析章節(jié)，以造紙廠的技術改造為案例，從經濟成本上分析，用計算機控制取代傳統(tǒng)控制需要一次性投入的經費預算，采用計算機控制后，估算勞動力節(jié)省和能源與資源消耗減少的成本，將投資與收益對比，計算收回投入需要的時間。從環(huán)境保護與社會責任上分析，造紙企業(yè)是污染排放大戶，主要是水污染，污水必須經過處理才能排放。對當今社會來講，排放達標與否是企業(yè)生存的基本前提，生態(tài)污染后的修復和造成的生態(tài)影響難以用金錢來衡量，生態(tài)環(huán)境效益是無價的。從產品質量提升上分析，產品質量提升不僅能提升經濟效益，也能對產品品牌的形成和企業(yè)形象的改善提供支持。在分析時列出具體的指標數據，并深入分析其深刻內涵，為后續(xù)技術性內容的學習指明方向，建立起非技術性內容與計算機控制相關技術性內容之間的聯系，展現非技術性內容在計算機控制中的重要性。二是將計算機控制系統(tǒng)設計與案例分析章節(jié)安排在課程教學的末尾。通過1～2個具體案例，以計算機控制系統(tǒng)工程設計與應用的流程為線索，即控制需求分析→方案論證→硬件選型與系統(tǒng)搭建→軟件平臺選擇→系統(tǒng)設計→調試與運行→工程驗收與用戶培訓→技術資料歸檔。在實際工程項目中，自動控制通常處于從屬地位，它必須服從工藝和設備的要求。從工程合同的甲乙雙方來講，從事自動控制的人員往往處于乙方的角色。在控制需求分析這一環(huán)節(jié)，站在合同乙方的視角去分析合同甲方的控制需求，分析控制的約束性和非約束性指標以及特色需求，分析滿足這些指標需要的技術手段與方法如何選取，這些分析為控制系統(tǒng)方案的設計奠定基礎。在控制方案選擇時，不僅要考慮控制系統(tǒng)的先進性，還必須考慮控制系統(tǒng)的實用性與技術繼承性。在控制方案論證中，要充分分析控制系統(tǒng)與環(huán)境適應性和控制系統(tǒng)實施的法律風險，比如會不會造成環(huán)境污染、運行事故應急處理措施的完善程度、控制系統(tǒng)的安全處理措施能否規(guī)避法律風險等。在控制系統(tǒng)成本核算方面，指出工程成本是如何計算的，硬投入成本和軟投入成本的計算方法應該怎樣進行，為此將技術經濟與管理課程的一些知識貫穿進來。通過這種立體化的案例分析使學生學會從工程實際出發(fā)去分析和解決問題，增強了學生的專業(yè)技術能力和非技術能力。

第二，實施綜合性大作業(yè)，促使學生利用各種資源進行探究式學習，將非技術性內容涵蓋其中。例如，“以生活供熱用的小型鍋爐煤改氣為例，請分析進行計算機控制改造的主要內容，以及實施改造的成本分析和投資回報時間分析，并分析實施計算機控制后的供熱質量、經濟效益、環(huán)境保護等方面的進步，盡量以數據說明。”該作業(yè)題給學生提供了廣泛的發(fā)揮空間，學生利用網絡和圖書資源搜集相關信息，得出的答案也多種多樣，有些答案的信息和數據比較充實，有些答案的數據少，表達不夠具體。但不管回答的質量好與不好，都能使學生對非技術性內容有一定的認識，進而促使學生綜合素質的形成。

通過案例教學將非技術性內容與技術性內容結合起來，使之成為工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程的有機整體。

（三）加強工業(yè)計算機教學內容

工業(yè)控制計算機（IPC），是計算機控制系統(tǒng)的硬件基礎，它隨著計算機技術的進步以及計算機在工業(yè)控制中應用的不斷深入而不斷發(fā)展。計算機控制系統(tǒng)課程的傳統(tǒng)教學內容只注重總線型工業(yè)計算機，很好地兼容了普通商用計算機的軟硬件資源，受到了業(yè)界的歡迎，但可編程控制器（PLC）、嵌入式控制器（EC）、智能調節(jié)器（ICM）、遠程實時控制單元（RTU）、分布式控制系統(tǒng)（DCS/FCS）等工業(yè)控制裝置沒有很好地體現在課程教學中。為此，我們將計算機控制技術基礎和工業(yè)計算機2門課程整合為工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程，重新制定課程教學大綱。各種各樣的工業(yè)計算機在其他課程中也有涉及，特別是PLC和DCS還有相應的課程安排，如何將這些工業(yè)計算機有機地連接成一個完整的計算機控制系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)課程的基本任務。為此，在工業(yè)計算機教學內容上除了增強ISA、PCI板卡分析與應用，還補充了控制系統(tǒng)的基本架構。一是IPC+過程板卡的單機架構，二是IPC+遠程I/O模塊或IPC+PLC或IPC+RTU或IPC+ICM的小型分布式或上下位機架構，三是以DCS/FCS為核心的大型分布式計算機控制系統(tǒng)架構，形成了遞進式的教學內容。

為了突出教學內容的效果，實行非標準答案課程考核方式。答案不是唯一的，只要學生對自己的觀點和控制方案有合理的分析，論據充分，都給予認可。如“請比較IPC和PLC這2種工業(yè)控制計算機各自的特點和優(yōu)勢，你認為兩者之間有無取代的可能性，如果讓你選擇，你更愿意使用IPC還是PLC？為什么？”IPC和PLC都是當今主流的工業(yè)控制計算機，學生的答案一般有3種：一是認為IPC和PLC各有優(yōu)缺點，相互補充，互不取代，并逐漸走向融合，這是主流答案，占80%以上；二是認為IPC會取代PLC，給出的理由是IPC更靈活，資源更豐富，此類答案占比在5%左右；三是認為PLC會取代IPC，給出的理由是PLC更適應工業(yè)環(huán)境，此類答案占比在10%左右。又如“有一燃氣加熱爐計算機控制系統(tǒng)，通過調節(jié)燃氣供給量來達到控制爐膛溫度的目的。在該系統(tǒng)中還需要檢測爐膛壓力和煙囪排放氣體中的氧氣含量，在爐膛壓力過高時應該開啟放散閥。請統(tǒng)計控制系統(tǒng)的過程信號，搭建控制系統(tǒng)硬件方案，并配用適當文字闡述該控制方案。”學生選擇的控制系統(tǒng)方案主要有4種形式：一是IPC+PCI板卡模式，這種模式為單機計算機控制系統(tǒng)；二是IPC+ICM模式，這種模式為小型分布式控制系統(tǒng)；三是IPC+ADAM模塊模式，這也是一種小型分布式控制系統(tǒng)；四是IPC+PLC模式，這種模式為上下位機系統(tǒng)。4種模式都是這種小型系統(tǒng)的主要模式，在學生的答案中有在硬件配置上列出具體型號的，也有不明確具體參數的，回答質量有高有低。

（四）將工程化理念融入教學內容

將計算機控制的基本理論、基本技術和基本方法用于解決工程實際問題是工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程教學的使命所在。在教學過程中始終堅持灌輸工程化理念，注重在課堂教學中聯系工程實際，從工程應用中提出對計算機控制的要求，主要對以下教學內容進行改革。

第一，PID算法工程化處理。PID算法是應用最廣泛的控制算法，對該算法的工程化處理極其重要。PID算法表達式雖然簡單，但在實際工程中的應用卻十分復雜，如何讓PID算法適應多樣化的工程應用就是一個典型的工程化問題。PID算法工程化可分為給定值、測量值、偏差量、控制算法實現、控制量和手/自動無擾切換6個方面［6］。以手/自動無擾切換處理為例，一是回答計算機控制系統(tǒng)為什么要保留手動操作方式的問題，主要理由是系統(tǒng)調試需要手動方式，以及計算機系統(tǒng)出現故障時需要手動操作進行應急處理；二是回答硬手動和軟手動的區(qū)別與應用場景的問題，所謂硬手動是脫離計算機系統(tǒng)的手動操作方式，而軟手動是經過計算機系統(tǒng)的手動操作方式。顯然在計算機出現故障后需要硬手動操作，而軟手動是在調試或在運行期間人干預計算機控制的一種操作方式，在工程實際中二者都需要；三是回答無擾切換的工程意義以及如何實現的問題，PID算法輸出是通過執(zhí)行器完成控制的，如果手/自動切換時形成控制量的“階梯”，可能對生產過程造成“破壞性”擾動，讓學生明白工業(yè)生產過程是不允許過大的擾動。至于無擾切換的實現就是在手/自動模式下，相互跟蹤或記憶控制量，在模式切換時不會出現控制量“階梯”現象。PID算法工程化處理的其他幾個方面也采取相應的措施，使教學與工程應用對接，這些措施的采取有利于提升學生的工程意識。為了進一步將PID算法的工程化落到實處，將西門子S7-300系列PLC中的PID算法模塊FB41在課堂上展現出來，借助于典型工控產品中的PID算法塊來分析PID算法工程化處理的實現過程。

第二，工程量的標定與校準處理。工程量是客觀存在的物理量，通過變換和轉換才能在計算機中以一定的數字量來表示。這個變換和轉換的過程隱含了一系列工程問題，例如，數字量與物理量之間的關系、計算機內部運算和I/O處理問題、控制量與各種類型執(zhí)行器的對應關系、A/D和D/A分辨率與數據的關系、大信號與小信號之間的對比關系等。以標準數處理為例，一是計算機控制系統(tǒng)中的物理量有大有小，不能將數的大小作為直接比較與判斷依據，因為它們代表不同的物理意義。比如一個0～1 000℃溫度系統(tǒng)與一個0～5 m的液位系統(tǒng)，顯然將2個系統(tǒng)的數據進行比較時不能直接比較2個系統(tǒng)的參數大小，如果在一起運算則小信號的地位得不到體現，甚至會造成錯誤。就上述系統(tǒng)而言，2.5這個數對于溫度系統(tǒng)而言是一個微不足道的小數據，而對于液位系統(tǒng)來講則是50%的液位高度，如果把過程參數折算成0～1的標準數，就可避免錯誤的產生；二是標準數0～1在控制輸出時代表控制閥門0～100的開度，比如輸出4～20 mA電流去控制閥門，采用12位D/A轉換器進行數/模轉換，則要將“0”轉換成“819”輸出，將“1”轉換成“4 095”輸出，0～1 被線性地折算成 819～4 095的整數。計算機控制系統(tǒng)中涉及廣泛的數據處理問題，這些問題的產生與工程實際密切相關，將對這些問題的工程化分析和與工程實際聯系起來是教學過程融合工程化理念的具體體現。

四、結語

工程教育認證是一個持續(xù)改進和不斷深化的過程，學校類型和學生差異使得計算機控制系統(tǒng)的課程教學千姿百態(tài)，不可千校一面。重慶科技學院作為應用型普通高等學校，具有較悠久的應用型人才培養(yǎng)歷史，自動化專業(yè)也是重慶科技學院辦學歷史最長的專業(yè)之一，積累了豐富的經驗，計算機控制課程歷經了計算機控制技術基礎、工業(yè)計算機系統(tǒng)+計算機控制技術和工業(yè)計算機控制系統(tǒng)3個階段，深入融合工業(yè)計算機、計算機控制技術、工程化案例和計算機控制非技術性內容。通過幾年的教學實踐，這種融合不斷完善，但隨著社會需求的不斷變化、自動化專業(yè)培養(yǎng)目標的不斷優(yōu)化、計算機控制技術的不斷發(fā)展，工業(yè)計算機控制系統(tǒng)課程教學仍然需要持續(xù)改進。