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摘要：“计算机控制系统”是自动化类专业一门重要的专业基础课程。针对该课程与相关课程教学内容重叠及与新理论、新技术相对滞后的问题，探讨了该课程教学内容体系的重构；针对学生被动学习及轻视实践能力训练的问题，给出了设计型、研讨型教学方法。教学实践结果表明，通过教学内容、教学方法和手段的改革，提高了学生的学习兴趣和主动性，教学效果良好。
关键词：计算机控制；教学改革；教學实践
作者简介：周西峰（1960-），男，陕西西安人，南京邮电大学自动化学院，副教授。（江苏?南京?210046）
基金项目：本文系南京邮电大学教学改革项目（项目编号：JG00506JX26）的研究成果。
中图分类号：G642.0 ?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0073-02
“计算机控制系统”课程是高等学校自动化类专业重要的专业基础课，该课程不仅有很强的理论性，也有很强的实践性。课程内容主要包括计算机控制系统基础理论、系统分析与设计、系统工程实现三方面的内容。通过这门课程的学习和训练，学生能掌握计算机控制系统硬件、软件、控制规律、数据通信、现场总线网络技术等方面的专业知识和技术，能根据给定的控制任务，正确选择工业控制计算机的硬件、软件、外围设备、接口通道、控制规律等，将计算机、传感器、通道和接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组成一个统一的整体，形成完整的计算机控制系统，满足预定的控制要求，达到设计和应用计算机控制系统的目的。
随着现代化工业生产过程复杂度和集成度的提高，计算机控制系统已经发展到了一个新的阶段，正朝着软件组态化、硬件结构化、结构体系网络化的方向发展，这也对该门课程内容的更新和调整提出了新的要求。
一、“计算机控制系统”课程的特点
1.多项理论与技术的综合
“计算机控制系统”是3C（Computer、Communication、Control）技术在自动化领域的综合应用。它综合了计算机原理与技术、通信原理与技术、自动控制原理与自动化技术、检测技术与传感器等多项理论与技术，该门课程不仅涉及多个专业的主干课程，而且就同一专业来说，也涉及前后的多门课程，与计算机原理（或微机原理与应用）、接口技术、通信原理与技术、自动控制原理、现代控制理论、信号与系统、自动化仪表、自动控制系统、过程控制等多门课程均有交叉。
2.集原理、设计、应用为一体
“计算机控制系统”课程通常要讲授计算机控制的基本原理，主要涉及常规控制技术和现代控制技术，内容包括数字控制器控制算法、线性离散系统的Z变换法、线性离散系统的状态空间法等内容，同时涉及利用这些理论的设计方法以及工程实现方法，内容烦杂，要求的理论基础较多，还要介绍以上设计在实际工业自动化领域的应用实现。对于没有工业生产过程背景，缺乏对工艺流程的了解，没有实际工业生产经验的学生来说，仅在课堂上通过教师讲解、学生听课的方法来掌握好这些课程内容具有一定的困难。
3.控制系统体系结构多样
“计算机控制系统”传统教学内容主要以直接数字控制（DDC）为主线，着重介绍数字控制器的设计理论和工程设计方法。随着计算机技术的发展，特别是网络技术的广泛应用，传统的教学内容已赶不上技术的进步，满足不了生产中对综合自动化更高水平的需求。“计算机控制系统”向着网络化综合控制系统的方向发展。网络化控制系统（NCS）是3C技术的结晶，是INTERNET技术在控制系统领域应用的产物，控制系统与网络通信系统的融和已成为网络化控制系统的研究热点。网络化控制系统已在工业生产中得到了广泛应用。基于现场总线和工业以太网的集散控制系统、可编程控制器系统、现场总线控制系统是今后相当长时期内计算机控制系统的主流应用。多样性的控制系统结构给教师讲授、学生学习，特别是实验教学带来了较大的困难。
二、教学中存在的主要问题与对策
1.多门课交叉，知识点重叠
由于多门课程交叉，就有了“计算机控制系统”课程与相关课程部分知识点重叠的问题。针对这一问题，组织教学过程中首先要全面了解培养计划中对已开课程相关重叠知识点的基本要求，了解学生对这些知识点的掌握程度，做到因材施教。其次是处理好教材与讲义的关系，教材一般会追求系统性和完整性，对于涉及的知识点都会进行完整系统的介绍，讲义则要根据学生的具体情况有所取舍，避免知识点的重叠，提高教学效率。
2.关于新技术问题
教材的出版发行有一定的周期，课程教材难以做到包含应有的最新技术。在组织教学过程中，首先授课教师要有意识地不断关注并跟踪计算机控制领域的最新技术及发展动态，研究和探讨这些新技术在教学过程中如何组织，在教学过程中尽量做到能够反映计算机控制领域的最新技术和最新研究成果。其次是处理好教材与讲义的关系，尽量选用满足教学要求并包含最新技术的新教材，讲义要及时增添与本课程相关的新技术。
3.关于实践性教学环节
“计算机控制系统”课程不仅有很强的理论性，同时有很强的实践性。组织教学过程中通过实践性教学环节贯彻工程师基本训练的思想，达到电气工程师基本技能训练的目的，是每一位从事课程教学的教师都应该关注的问题。
关于“计算机控制系统”课程的实践教学环节，笔者经多年的教学体验，多次与兄弟院校从事该课程教学同行的交流及对多所兄弟院校的考察调研，认为“计算机控制系统”课程实践性教学环节普遍存在重理论轻实践、教学手段方法单一、实践教学条件落后三个方面的问题。针对这些问题，通过不断的探索和研究，在组织教学过程中采取了以下的对策：变教师一人讲授为主为多人指导为主；变学生以听课为主为带着任务主动学习为主；变授课场地以教室为主为以开放的实验室为主。具体做法举例如下：
（1）产品设计型。以任务驱动为向导，以研究型学习为主，以培养研发能力和团队协作能力为目的来组织教学。对“计算机控制系统”教学内容的直接数字控制（DDC）部分，学生已在前期课程中学习过微机原理与接口技术（或单片机原理与应用）、汇编语言程序设计、自动控制原理等课程，对计算机的输入输出通道（过程通道）、数字PID控制算法等均有基础，设计并实现一个通用数字PID控制器的基本理论与基本技术基本具备。因此，在这部分的教学中，给学生一个“设计并实现一个数字PID控制器任务书”的课题，根据任务书的要求，由3～4名学生自由组合为一个研究型学习小组，组织3～5名教师（含实验员和助教）进行指导，实验室（主要是单片机实验室）对学生开放，在授课学期内完成给定的设计。 教学实践表明，任务驱动的研究型学习，不仅激发了学生学习的主动性，训练了学生的研发能力和团队协作能力，同时也增强了各团队之间的竞争意识（各小组之间相比，完成早的、做得好的，均可加分）和成就感。
（2）交流研讨型。以激发学生自主学习为向导，以培养学生获取文献资料的能力、提出问题的能力、解决问题的能力为目的来组织教学。监控组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是计算机控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业计算机控制系统监控功能的、通用层次的软件工具，它能支持各种工控设备和常见的通信协议，提供分布式数据管理和网络功能，在工业计算机控制系统中得到了广泛的应用。在计算机控制系统的教学中，让学生了解监控组态软件的功能、作用，掌握一种监控组态软件的使用方法尤为重要。在教学组织过程中，提前以研讨提纲的形式要求部分学生重点介绍一个监控组态软件的功能，另一部分学生重点介绍监控组态软件的作用，再一部分学生重点介绍监控组态软件的作用（均要做PPT），然后教师与学生一起讨论。最后学生按照自己的兴趣完成系统设备组态、控制功能组态、操作画面组态中的一种组态便可合格，有多种兴趣的则不受限制。
教学实践表明，对于功能、作用、使用方法等介绍性的知识，让学生自己讲并参与讨论，同时要在实验室验证自己从文献资料中了解到的功能、方法等，比单纯由教师讲授效果要好。
（3）综合应用型。以解决生产需求为向导，以培养工程应用能力为目的来组织教学。这部分实践安排供有学习兴趣、学有余力的学生选择，不作统一要求。基本做法是给学生提供一个实际生产需求或生产工艺的要求，让学生设计一个满足生产需求或生产工艺要求的设计方案，并对设计方案的可行性进行论证，有条件的情况下可以组织实施。
三、教学内容的重构与教学方法研究
课程教学内容的改革原则：一是能够反映最新的技术发展水平，二是要更好地满足实际生产的需求，三是能满足培养自动化类专业高级工程技术人才的需求，四是必须坚持理论与实践并重。课程内容改革的方向是软件组态化、硬件结构化、结构体系网络化、系统设计集成化。
根据教学内容改革原则和发展方向，在充分了解学生对已学课程掌握程度的基础上，对本课程教学内容进行重构，形成讲义。
针对不同的教学内容应采取不同的教学方法。该门课程的基本理论部分，采用以多媒体电子课件为主，传统板书为辅的授课方式，利用多媒体课件可加大教学的信息量，通过文字、图形的动静配合及色彩的搭配突出基本概念，使教学内容生动、有趣，进一步激发学生的学习热情。对于重要的公式推导和典型的例题，则采用板书教学，使学生能看到所阐述问题的连续性，有充分的时间深刻理解其内容。对于知识点有重叠的部分要认真研究，大胆删减。
对于实践部分，一是重视，二是增加学生的实践机会，三是改革传统的实验方法和手段。让学生参与到提出问题、解决问题的过程中，增强学生自我探究意识和创新意识，激发学生自主学习的热情。基于以上思考，教学内容重构及对应的教学方法手段见表1。
四、结束语
通过对课程内容的重构，教学中及时反映了与学科相关的最新技术，避免了知识点的重叠。通过实施设计型、研讨交流型、综合型实验，培养了学生自主学习能力、研发能力和创新意识，提高了学生学习的兴趣和主动性，达到了对学生进行实际工程训练的目的。
参考文献：
[1]何克忠,李伟.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]王锦标.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3]顾德英,张健,马淑华,等.计算机控制技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
[4]曹承志.微型计算机控制新技術[M].北京:机械工业出版社,2001.
[5]朱小娟.《计算机控制系统》教学方法研究[J].沈阳工程学院学报(社会科学版),2010,6(3):431-433.
[6]李祥飞,张昌凡.“计算机控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育,2010,(12):85-86.
[7]于宏涛,祝尚臻,雷彦华.项目教学法在《计算机控制系统》课程教学中的应用[J].科技信息,2011,(25):182-183.
（责任编辑：刘辉）
关键词：计算机控制；教学改革；教學实践
作者简介：周西峰（1960-），男，陕西西安人，南京邮电大学自动化学院，副教授。（江苏?南京?210046）
基金项目：本文系南京邮电大学教学改革项目（项目编号：JG00506JX26）的研究成果。
中图分类号：G642.0 ?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）29-0073-02
“计算机控制系统”课程是高等学校自动化类专业重要的专业基础课，该课程不仅有很强的理论性，也有很强的实践性。课程内容主要包括计算机控制系统基础理论、系统分析与设计、系统工程实现三方面的内容。通过这门课程的学习和训练，学生能掌握计算机控制系统硬件、软件、控制规律、数据通信、现场总线网络技术等方面的专业知识和技术，能根据给定的控制任务，正确选择工业控制计算机的硬件、软件、外围设备、接口通道、控制规律等，将计算机、传感器、通道和接口、执行机构、系统软件和各种应用软件组成一个统一的整体，形成完整的计算机控制系统，满足预定的控制要求，达到设计和应用计算机控制系统的目的。
随着现代化工业生产过程复杂度和集成度的提高，计算机控制系统已经发展到了一个新的阶段，正朝着软件组态化、硬件结构化、结构体系网络化的方向发展，这也对该门课程内容的更新和调整提出了新的要求。
一、“计算机控制系统”课程的特点
1.多项理论与技术的综合
“计算机控制系统”是3C（Computer、Communication、Control）技术在自动化领域的综合应用。它综合了计算机原理与技术、通信原理与技术、自动控制原理与自动化技术、检测技术与传感器等多项理论与技术，该门课程不仅涉及多个专业的主干课程，而且就同一专业来说，也涉及前后的多门课程，与计算机原理（或微机原理与应用）、接口技术、通信原理与技术、自动控制原理、现代控制理论、信号与系统、自动化仪表、自动控制系统、过程控制等多门课程均有交叉。
2.集原理、设计、应用为一体
“计算机控制系统”课程通常要讲授计算机控制的基本原理，主要涉及常规控制技术和现代控制技术，内容包括数字控制器控制算法、线性离散系统的Z变换法、线性离散系统的状态空间法等内容，同时涉及利用这些理论的设计方法以及工程实现方法，内容烦杂，要求的理论基础较多，还要介绍以上设计在实际工业自动化领域的应用实现。对于没有工业生产过程背景，缺乏对工艺流程的了解，没有实际工业生产经验的学生来说，仅在课堂上通过教师讲解、学生听课的方法来掌握好这些课程内容具有一定的困难。
3.控制系统体系结构多样
“计算机控制系统”传统教学内容主要以直接数字控制（DDC）为主线，着重介绍数字控制器的设计理论和工程设计方法。随着计算机技术的发展，特别是网络技术的广泛应用，传统的教学内容已赶不上技术的进步，满足不了生产中对综合自动化更高水平的需求。“计算机控制系统”向着网络化综合控制系统的方向发展。网络化控制系统（NCS）是3C技术的结晶，是INTERNET技术在控制系统领域应用的产物，控制系统与网络通信系统的融和已成为网络化控制系统的研究热点。网络化控制系统已在工业生产中得到了广泛应用。基于现场总线和工业以太网的集散控制系统、可编程控制器系统、现场总线控制系统是今后相当长时期内计算机控制系统的主流应用。多样性的控制系统结构给教师讲授、学生学习，特别是实验教学带来了较大的困难。
二、教学中存在的主要问题与对策
1.多门课交叉，知识点重叠
由于多门课程交叉，就有了“计算机控制系统”课程与相关课程部分知识点重叠的问题。针对这一问题，组织教学过程中首先要全面了解培养计划中对已开课程相关重叠知识点的基本要求，了解学生对这些知识点的掌握程度，做到因材施教。其次是处理好教材与讲义的关系，教材一般会追求系统性和完整性，对于涉及的知识点都会进行完整系统的介绍，讲义则要根据学生的具体情况有所取舍，避免知识点的重叠，提高教学效率。
2.关于新技术问题
教材的出版发行有一定的周期，课程教材难以做到包含应有的最新技术。在组织教学过程中，首先授课教师要有意识地不断关注并跟踪计算机控制领域的最新技术及发展动态，研究和探讨这些新技术在教学过程中如何组织，在教学过程中尽量做到能够反映计算机控制领域的最新技术和最新研究成果。其次是处理好教材与讲义的关系，尽量选用满足教学要求并包含最新技术的新教材，讲义要及时增添与本课程相关的新技术。
3.关于实践性教学环节
“计算机控制系统”课程不仅有很强的理论性，同时有很强的实践性。组织教学过程中通过实践性教学环节贯彻工程师基本训练的思想，达到电气工程师基本技能训练的目的，是每一位从事课程教学的教师都应该关注的问题。
关于“计算机控制系统”课程的实践教学环节，笔者经多年的教学体验，多次与兄弟院校从事该课程教学同行的交流及对多所兄弟院校的考察调研，认为“计算机控制系统”课程实践性教学环节普遍存在重理论轻实践、教学手段方法单一、实践教学条件落后三个方面的问题。针对这些问题，通过不断的探索和研究，在组织教学过程中采取了以下的对策：变教师一人讲授为主为多人指导为主；变学生以听课为主为带着任务主动学习为主；变授课场地以教室为主为以开放的实验室为主。具体做法举例如下：
（1）产品设计型。以任务驱动为向导，以研究型学习为主，以培养研发能力和团队协作能力为目的来组织教学。对“计算机控制系统”教学内容的直接数字控制（DDC）部分，学生已在前期课程中学习过微机原理与接口技术（或单片机原理与应用）、汇编语言程序设计、自动控制原理等课程，对计算机的输入输出通道（过程通道）、数字PID控制算法等均有基础，设计并实现一个通用数字PID控制器的基本理论与基本技术基本具备。因此，在这部分的教学中，给学生一个“设计并实现一个数字PID控制器任务书”的课题，根据任务书的要求，由3～4名学生自由组合为一个研究型学习小组，组织3～5名教师（含实验员和助教）进行指导，实验室（主要是单片机实验室）对学生开放，在授课学期内完成给定的设计。 教学实践表明，任务驱动的研究型学习，不仅激发了学生学习的主动性，训练了学生的研发能力和团队协作能力，同时也增强了各团队之间的竞争意识（各小组之间相比，完成早的、做得好的，均可加分）和成就感。
（2）交流研讨型。以激发学生自主学习为向导，以培养学生获取文献资料的能力、提出问题的能力、解决问题的能力为目的来组织教学。监控组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是计算机控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业计算机控制系统监控功能的、通用层次的软件工具，它能支持各种工控设备和常见的通信协议，提供分布式数据管理和网络功能，在工业计算机控制系统中得到了广泛的应用。在计算机控制系统的教学中，让学生了解监控组态软件的功能、作用，掌握一种监控组态软件的使用方法尤为重要。在教学组织过程中，提前以研讨提纲的形式要求部分学生重点介绍一个监控组态软件的功能，另一部分学生重点介绍监控组态软件的作用，再一部分学生重点介绍监控组态软件的作用（均要做PPT），然后教师与学生一起讨论。最后学生按照自己的兴趣完成系统设备组态、控制功能组态、操作画面组态中的一种组态便可合格，有多种兴趣的则不受限制。
教学实践表明，对于功能、作用、使用方法等介绍性的知识，让学生自己讲并参与讨论，同时要在实验室验证自己从文献资料中了解到的功能、方法等，比单纯由教师讲授效果要好。
（3）综合应用型。以解决生产需求为向导，以培养工程应用能力为目的来组织教学。这部分实践安排供有学习兴趣、学有余力的学生选择，不作统一要求。基本做法是给学生提供一个实际生产需求或生产工艺的要求，让学生设计一个满足生产需求或生产工艺要求的设计方案，并对设计方案的可行性进行论证，有条件的情况下可以组织实施。
三、教学内容的重构与教学方法研究
课程教学内容的改革原则：一是能够反映最新的技术发展水平，二是要更好地满足实际生产的需求，三是能满足培养自动化类专业高级工程技术人才的需求，四是必须坚持理论与实践并重。课程内容改革的方向是软件组态化、硬件结构化、结构体系网络化、系统设计集成化。
根据教学内容改革原则和发展方向，在充分了解学生对已学课程掌握程度的基础上，对本课程教学内容进行重构，形成讲义。
针对不同的教学内容应采取不同的教学方法。该门课程的基本理论部分，采用以多媒体电子课件为主，传统板书为辅的授课方式，利用多媒体课件可加大教学的信息量，通过文字、图形的动静配合及色彩的搭配突出基本概念，使教学内容生动、有趣，进一步激发学生的学习热情。对于重要的公式推导和典型的例题，则采用板书教学，使学生能看到所阐述问题的连续性，有充分的时间深刻理解其内容。对于知识点有重叠的部分要认真研究，大胆删减。
对于实践部分，一是重视，二是增加学生的实践机会，三是改革传统的实验方法和手段。让学生参与到提出问题、解决问题的过程中，增强学生自我探究意识和创新意识，激发学生自主学习的热情。基于以上思考，教学内容重构及对应的教学方法手段见表1。
四、结束语
通过对课程内容的重构，教学中及时反映了与学科相关的最新技术，避免了知识点的重叠。通过实施设计型、研讨交流型、综合型实验，培养了学生自主学习能力、研发能力和创新意识，提高了学生学习的兴趣和主动性，达到了对学生进行实际工程训练的目的。
参考文献：
[1]何克忠,李伟.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2003.
[2]王锦标.计算机控制系统[M].北京:清华大学出版社,2005.
[3]顾德英,张健,马淑华,等.计算机控制技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2006.
[4]曹承志.微型计算机控制新技術[M].北京:机械工业出版社,2001.
[5]朱小娟.《计算机控制系统》教学方法研究[J].沈阳工程学院学报(社会科学版),2010,6(3):431-433.
[6]李祥飞,张昌凡.“计算机控制系统”课程教学方法探讨[J].中国电力教育,2010,(12):85-86.
[7]于宏涛,祝尚臻,雷彦华.项目教学法在《计算机控制系统》课程教学中的应用[J].科技信息,2011,(25):182-183.
（责任编辑：刘辉）