网络化控制系统实验教学模式改革

谢昊飞， 蔡龙腾

(重庆邮电大学 自动化学院， 重庆 400065)



网络化控制系统实验教学模式改革

谢昊飞， 蔡龙腾

(重庆邮电大学 自动化学院， 重庆 400065)

针对现有的网络化控制系统课程中存在的实验系统成本高、内容不合理和实验效果不理想等弊端，论文对其实验教学模式进行了全方位的研究。首先梳理了课程重难点内容，结合它们的内部联系设计了符合课程要求的实验；接着提出了交叉课程协作实验教学方法，构建了综合性强的实验教学平台；最后融合了实验的过程监督和交叉答辩考核，推进教师教学过程和教学效果的监督考核机制。3年的课程实验教学表明：网络化控制系统实验教学质量和学生的实践创新能力得到很大提高，实验教学模式改革取得很好的教学效果。

网络化控制系统； 实验教学平台； 协作教学

0 引 言

网络化控制系统(NCS)是工业数据通信领域的一次技术变革，网络化、开放化、智能化和集成化是其特点[1-2]。20世纪90年代中期以来，NCS技术得到快速发展，在机械制造、石油化工、工业自动化等领域得到广泛的应用。国内外高校也开始启动了相应的课程，以满足市场需求。作为一门新兴的课程，它的内容十分广泛，涉及计算机控制、自动控制原理、网络通信等多门学科。与其相关的实验教学也存在诸多的问题：①构建实际的实验系统成本高，但是课程原理性展示不强[3-4]；②现有实验内容，操作性过程多，自我设计内容少，难以达到让学生掌握课程重难点内容；③课程实验课时是十分有限，但是网络化控制系统一些实验难以在短时间内完成；④实验课程教学效果缺乏有效的监督考核机制[5-6]。

本文将从实验教学内容体系、教学方法、实验平台设计和实验教学的监督考核机制进行探讨，突出学生和教师双主体，增强学生发现问题、解决问题的能力，加强学生自我进行控制系统的设计能力。

1 课程实验教学内容体系改革

网络化控制系统课程主要教学内容有现场总线基金会总线FF、过程自动化总线PROFIBUS、楼宇自动化总线LONWORKS、汽车电子领域的CAN总线、集散控制系统DCS、工业以太网、工业无线关键技术和系统集成等内容[7]。由于每个教学模块所涉及的实验系统都十分昂贵，通常来说课程往往一种模块为原型来构造实验系统。而且鉴于工业网络化系统主要面向用户需求来进行开发和设计，因此即使购买到相应的系统，实验往往也是以操作和参数配置为主[8-10]。很显然，目前这种实验不仅难以覆盖网络化控制系统的教学内容，且空洞的操作性实验也很难达到理解课程的重难点的目的。

虽然课程教学模块涵盖内容很广，但仔细分析其教学内容，仍然能够找到教学模块与各个知识点的内部联系，如表1所示。

表1 教学模块与各个主要知识点关系

在日常课程教学发现，表1中的介质访问(确定性通信)、应用服务、用户功能和功能调度是难点，学生在学习时候都会遇到比较大的困难。学生在实际实验学习中，还有一个比较难以评估实验效果的问题是未有一个网络化控制系统的性能评估的工具，因此设计了如表2所示的实验教学内容。

表2 实验课内容及要求

2 实验教学方法改革

2.1 课程实验协作教学模式

完成表2所涉及的内容深度和广度，8学时的实验教学安排显然是不够的。结合学生实际实验教学的效果，本课程改变了仅靠8学时实验课时的教学模式，利用创新实验、综合设计、课程设计、课后练习等多种途径协作推进实验的教学，以弥补课时的不足，同时也与其他课程共同完成实验教学。课程实验教学总体关系如图1所示。

课程基础实验主要是工业数据通信驱动设计；课程作业实验主要有确定性通信MAC访问内容，它主要是课程相关的非破坏性位仲裁技术、通信调度实体等内容；课程综合性实验主要有网络化控制协议栈设计或者应用服务API设计模块；涉及到功能调度算法、功能块应用进程和系统仿真性能评估，则需要和其他课程共同来完成实验的设计。本课程的8学时主要留给课程基础实验和综合性实验，其他课时则通过课程作业和其他实验实践时间来补充。此外，课程还加强与科技创新小组或企业的联系，联合进行创新设计，以进一步加强对本门课程前沿动态和实际工业应用的理解[11-12]。

2.2 教师的双师型培育

本门课程一个重要特点就是内容繁多，而且工业应用性十分强。如果里面许多知识点未能有实际开发和设计经验，对实验内容存在的问题很难提供指导。在这门课程中提高教师实际科研和项目开发或设计水平，开展双师型培育工作，突出教师和学生双主体，提高实验教育水平有效方法。

同时，本课程也要求教师既要进行理论教学，又要从事实验教学，避免传统的理论教学和实验教学老师分离的现象，从而确保教学连贯性和一致性，提高实验教学的效果。

3 实验教学平台构建

目前市面上与本门课程相关的实验，大部分仅仅针对课程中某一个教学模块，而且大部分仅仅提供操作性指导的验证性实验，从前期的教学效果来看，情况十分不理想。因此有必要构建一个适合大三、大四学生(或者研究生)学习实验教学平台。实验教学平台如图2所示，它共有三个实验区：物理试验区、仿真实验区和共性实验区。

(1)物理试验区针对具体的芯片等硬件来进行课程实验，主要提供驱动开发。

(2)仿真实验区则提供基本的TrueTime工具使用实验，EDF、RM等常规调度案例实验等内容，它一个重要特点就是能提供对网络化控制系统设计时候性能分析。而物理实验区，对于具体性能参数分析，只能解决额外昂贵的测试工具来完成，通常实验平台不提供这种工具[13]。

(3)共性区提供了一些协议栈具体开发、功能块调度和应用设计等较难的实验内容，虽然物理实验区和仿真实验区要求开发语言不通，但是其核心原理和算法是相同的[14]。

此实验教学平台带来最大的好处就是灵活性强，教师可根据需要和实际的课时安排来调整实验内容，而且具有其他实验平台未有的性能评估分析功能。

4 实验教学的监督考核机制

本门课程实验教学的监督考核主要体现两个方面：

(1)在传统的实验教学考核的基础上，融合实验的过程监督和交叉答辩考核，督促学生严肃教学过程，公平公正全面评估学生对课程知识应用能力。传统考核主要检查学生对知识的记忆，而忽略了分析和解决问题的能力得评价，同时忽略对学生的评估。因此改革后的教学监督考核机制，首先建立全面的过程监督，了解学生在实验或者课程设计或是其他实践教学过程存在的问题，同学生一起共同探讨问题。涉及到综合类实验教学，则启动了答辩考核的机制，上课学生分配给不同的课程答辩组教师，指导教师不能参加本指导团队的学生，参考本科毕业设计模式，开展实验教学的考核。

(2)推进教师教学过程和教学效果的监督考核机制。为此，课程组特设了一位兼职的实验教学督导，从实验教学大纲、实验教学目的、教学的方法、教学过程开展全面的监督，既形成对教学的评估，也与任课教师一道共同探讨教学存在各种现象和问题。此外，督导教师也会与学生一同探讨教学中存在的问题和困难，突出学生的主体作用[15]。

5 结 语

通过3年的课程实验教学，实验教学改革取得很好的教学效果，主要体现在以下几个方面：

(1)学生的风气有了明显改善，学习态度十分认真。由于每1个实验教学内容，有了严格的监督和评估，学生感觉明显的学习压力。特别是后期的实验答辩阶段前2个星期，学生间相互帮助学习，课后与教师的各种交流，整个课程组教师都可以感觉学习风气极大改变。

(2)学生学习效果有了很大的提高。前几届学生大部分能按照实验指导书步骤完成相应的实验，但是实验原理的理解却难以让人满意，综合性设计型实验，能完成设计组寥寥无几。教学改革后的效果，呈现出让人鼓舞的现象，综合性实验通过率达到93%，而且许多学生完成呈现在实验室学生作品展览厅。学生自我分析问题和解决问题的能力得到良好的提升。

(3)师生之间的交流和相互之间的亲近感得到增强。由于教学过程督导和考核的改变，学生之间交流环节增多。学生为了完成实验，需要与教师频繁的交互沟通。与前几届学生相比，相互间的陌生感开始消除，除了教学效果有改善外，相互间的理解得到加强，师生关系融洽。

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Experimental Teaching Pattern Reform on Network Control System

XIEhao-fei,CAIlong-teng

(College of Automation，Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065， China)

In view of the existing shortcomings in NCS course, such as the high cost of experiment system, the unreasonable course content, the unsatisfactory experiment effect and so on, an all-dimensional study of the experimental teaching mode was conducted in the paper. At first, the difficult contents were sorted out and combined with their internal links, the experiment that met the requirements of the course was designed; then, the cross curriculum collaborative experimental teaching method was proposed and a comprehensive experimental teaching platform was built; at last, the experimental process supervision and interaction defense tests were fused together, and the supervision test mechanism of teaching process and teaching effectiveness were promoted. Practice in the last three years showed that these reforms effectively improved the teaching quality and students’ practical innovation ability and the experimental teaching reform work well.

NCS； experimental teaching platform； collaborative teaching

2014-02-24

重庆市研究生教育优质课程(Y201114)；重庆市高等教育教学改革研究项目(1201019)；重庆邮电大学研究生教育创新计划重点项目(Y201002)

谢昊飞(1978-)，男，湖南邵阳人，博士，副教授，主要研究方向：网络控制、智能控制。

Tel.：15808003577；E-mail：tomxiefine@126.com

TP 273.5

A

1006-7167(2015)01-0189-04