计算机控制类课程整体优化教学研究*

◆赵忠盖

作者：赵忠盖，江南大学物联网工程学院副教授，博士，主要从事计算机控制系统、过程控制等方面的教学和科研工作（214122）。

1 引言

一个完整的计算机控制系统涉及信号检测、信号处理、控制策略的实现以及信号输出等多个环节，对应的计算机控制类课程则包括传感器技术、自动化仪表、计算机控制技术、微型计算机原理、PLC 技术及应用、现场总线控制系统等，详细讲述了传感检测系统、变送传送系统、工业控制计算机、数字控制算法、驱动执行以及控制结构设计等知识，基本涵盖了计算机控制系统组成的硬件工具（PLC、单片机等）、软件工具（梯形图、汇编语言、C 语言等）、检测传感知识（传感原理、仪器仪表等）、方法策略类（各种控制算法、逻辑控制策略等）等各个方面。计算机控制类课程是自动化专业本科学习的核心内容，旨在面向工程实际需求，培养学生在控制理论的工程应用和实现等方面的能力。通过这类课程的学习，学生在面对控制任务时，能够从仪表选型、控制方案的确定、系统结构以及实现等多方面综合考虑，从而构建计算机控制系统。

显然，随着计算机的大量普及以及数字控制技术的发展，计算机控制类课程在自动化专业的教学和学习中将会越来越重要。但是在教学和指导研究生新生过程中通常发现，自动化专业的学生往往会产生这样的疑惑：“学了这些计算机和控制类的知识，我到底能做什么？”并且，学生无法抓住计算机控制类课程的学习重点，学习的过程中通常会偏向于计算机控制中计算机的学习，包括编程语言、工业控制计算机等工具类知识的学习，偏离了“控制”的主题。

计算机控制类课程的教学是一个系统工程，课程改革应该从系统的高度，而不是局限于某门课，去协调处理课程体系，并进行整体优化，方能去繁就简，把握课程的核心与实质[1]。目前，清华大学进行了计算机控制技术综合实验的教学改革[2]，北京航天航空大学提出计算机控制技术本硕一体化教学方法等[3]，国外自动化专业出现经典教材《现代控制工程》，其综合了自动控制原理、现代控制理论以及后现代控制理论等多门课程，这些都表明从课程体系高度去优化和重新设计教学内容已经成为趋势。正如清华大学本科教学改革目标所言：学科发展和课程设置要进一步向学科的交叉与综合背景下通识教育的方向转变；教学方式要进一步向知识传授与探索相结合，师生互动、教学相长，并以调动学生自主学习、激发学生求知欲和创造性为主要目标的教学方式转变。计算机控制类课程的教学也必然向建设一个有利于学生整体掌握课程体系，从而能够实现自主性学习、尽早参与研究工作、学习和研究并进的教学框架方向发展。

2 教学中存在的问题

细究本科学生在学习计算机控制类课程中遇到的困惑和迷茫，认为计算机控制类课程的教学存在如下问题。

计算机控制类课程体系思想的缺乏 根据国内众多著名高校和本校自动化专业的课程大纲，各门计算机控制类课程往往自成一体，大多以学生能够熟练掌握本门课程的知识点为培养目标，模糊了计算机控制类课程体系的整体脉络，难免会有所局限，容易使学生产生认识不清的问题。简单地讲，计算机控制类课程就是教会学生实现计算机控制系统，但是由于涉及的知识点和课程较多，时间跨度较长，因此如果没有明确的课程体系思想，很容易使学生淹没在某个旁枝末节的支流中。目前，国内有一部分教师认识到这一点，并努力从教材内容上进行改革。比如清华大学王锦标教授等编写了计算机控制系统教材等，从工程实际出发，介绍计算机控制技术的实现。

教材和教学内容的衔接问题 计算机控制类课程之间存在紧密的联系，往往无法对课程进行硬性的划分。比如计算机控制技术与现场总线控制系统两门课就很难划分，但是教材的编写者相互之间不可能进行协调，各自编写的出发点也不同，使得教材内容往往存在相当部分的重叠。另一方面，教学课程体系思想的缺乏也导致各门课程的授课内容可能存在重复过多，或者缺乏衔接，致使学生无法融会贯通。国内仅计算机控制技术这门课，就出现很多内容差别很大的教材，至于各课程教材之间内容的重叠现象更是普遍存在，给教师的授课和学生的学习都带来困难。

实践教学缺乏整体环节 计算机控制类课程的实践教学通常侧重于原理的验证或者工具的掌握，条件好的学校采用实物进行，而条件差的则只能通过MATLAB 仿真，欠缺系统性的实践环节[4]，从理论到理论的应用联系不够。比如目前很多学生没有弄清楚自动化专业最重要的专业基础课——自动控制原理，与计算机控制技术之间的联系。随着国内各种工具类竞赛项目的兴起，工具类课程逐渐在自动化专业学生的应用环节中占据重要地位，从而出现实践环节与自动化专业基础知识的脱节现象。并且，已有的课程设计实践环节也往往只是针对某门课，缺乏整体实践环节，使学生无法从全局去了解和掌握计算机控制系统的设计与实现，因此产生诸如前面的疑惑也就不足为怪了。

3 教学内容优化和改进

通过计算机控制类课程体系的整体优化，解决学生对专业核心课程脉络不清晰的问题，以及教师单兵作战的问题。通过整合课程内容，并将计算机控制技术与现场总线控制系统融合为一门课，解决计算机控制类多门课程内容交叉、重复，部分内容不适应培养目标要求等问题。将理论和应用相结合，通过基本性实验教学、课程设计、毕业设计等实践活动，解决普遍存在的重理论、轻实践的问题。

基于项目引导或任务引导原则[5]，以行业特色或地方经济实际需要为背景，以自动化应用技术为主线，以通识教育与专业技术教育结合，主要围绕计算机控制类课程体系的整体优化，以“系统理念”为主线的课程内容的整合，基本性实验教学、课程设计、毕业设计实践活动的改革等展开工作，做到三个“突出”。

整体优化计算机控制类课程体系，突出“主线” 课程的安排按照计算机控制系统的自然顺序进行，改变以往按照课程重要程度的安排方式。旧的课程体系下，计算机控制类各课程独立设置，设置时间和设置内容的逻辑依据性较弱。通常，本科生一、二年级为通识教育，安排基础类的课程，比如数学类、语言类以及电子技术类等，为后面的专业学习打基础；而大三以后为专业教育，考虑到学生保研选拔、学生实习等多方面的因素，专业课无形中会按照课程的重要程度安排：大三开设专业基础类的课程，比如自动控制原理、电机与拖动、计算机控制技术、PLC、传感器技术等；还剩下一些专业性很强的课程则放到本科大四上半学期，比如现场总线控制技术、现代控制理论、智能控制等。如此，计算机控制类的课程顺序上存在一定的颠倒，比如平行开设计算机控制类的课程无法实现知识上的渐进，给学生的学习带来困难。而且计算机控制类课程缺乏一门统领性的课程，使学生在进入计算机控制类课程学习前，能够对计算机控制类课程有个整体的认识，帮助学生理清该类课程的脉络，从而避免直接进入盲人摸象式的细节教育。

为了避免上述问题，在课程的安排上遵循工程上计算机控制系统的设计流程，按从系统框架到细节的顺序，突出计算机控制系统的主线，辅以实现控制系统的工具和手段。具体地，为保证学生能够对计算机控制以至自动化专业有所了解，在大一阶段开设新生研讨和专业前沿课，就自动化专业课程主要是计算机控制类课程的整体应用进行普及教育，在加强学生对计算机控制的整体认识的同时，培养学生的兴趣。计算机控制技术作为计算机控制类课程的核心课程，在自动控制原理课程结束后即安排，突出两者之间的联系；然后围绕这门课，先从信号的检测和仪表选型等方面安排课程。而工具类的课程之间没有主次之分，统一安排在一学期，最后安排现场总线控制系统，从结构和系统上将前面的课程贯穿起来。因此，计算机控制类课程的脉络是：专业前沿和新生研讨课→计算机控制技术→传感器技术、自动化仪表→单片机技术、PLC 及其应用、微机原理等→现场总线控制系统。

通过整体优化计算机控制类课程体系，一是让学生对专业类课程有清晰的脉络，提高学习效率，认清各门课程；二是让教师之间形成团队，进行研究型大学计算机控制类课程体系的研究工作，提出适应21 世纪要求的培养模式。

整合课程内容，突出“系统” 计算机控制涉及的课程较多，广义的计算机控制系统包括检测、算法以及系统的结构等计算机控制类课程的全部内容。因此，各门课之间很难独立分割，几乎所有的计算机控制系统的教材都会有部分内容讲解信号的检测以及控制系统的结构，而现在这些内容又单独成课；反过来，很多现场总线控制系统以及自动化仪表的教材也往往含有部分计算机控制系统的内容。另一方面，教师在讲解某门课时，为了使学生融会贯通，课程之间适当的衔接也十分必要，但是如何把握衔接的度是关键。因此，如何整合课程内容是计算机控制类教改的重点。

针对计算机控制类课程间教学内容的安排问题，为了让学生掌握计算机控制类课程的核心知识，激发学生的学习兴趣，以工程上计算机控制系统为引领，将相关专业课程有机结合在一起，既注意各自的特点，又强调内部的联系，实现课程内容的系统化。在系统框架下，计算机控制技术侧重于与自动控制原理的衔接，并引入现代控制理论部分的内容，传授学生关于通过计算机实现控制理论的算法，让学生了解控制系统的理论和策略基础；传感器和自动化仪表实现计算机控制系统的信号检测与自动化仪表，在系统思想的引领下，这两门课与其他课程的重叠较少，在举例应用中，将各种仪表与信息检测置于计算机控制系统的大框架下即可，并且关于仪表之间的通信与连接部分的内容略掉；PLC、单片机等工具类的课程，核心授课内容设置为讲授控制系统中变量的采集与处理，以及各种控制算法的实现等；现场总线控制系统则从宏观上构建学生的系统观，并最终实现计算机控制类课程的综合，侧重于各种工业常用通信协议的讲授。在现代教育教学思想的指导下，遵循系统科学的整体性原理，将计算机控制系统类课程涉及的主要内容融为一个整体。

加强实践教学，突出“综合” 实践起到巩固理论知识的作用，创新源于实践。如何将理论知识和应用有机结合起来，形成良性互动，是实践教学改革的重点。特别的，计算机控制系统的一大特点是系统，但是计算机控制类课程又单独成课，各自都有相关的实验，这些实验都是针对该门课具体的知识点设置，很难在实验中将计算机控制类课程的内容融为一体。

通过基本性实验教学、专题性课程设计、工程应用性毕业设计等环节，从培养学生基本、综合和自主实践能力出发，并按研究型大学培养目标和新的课程体系要求，构建新的实践能力培养体系。该体系中，各门课的实验还是针对该课的基本知识点，但是增加了专题性的课程设计，并且实现开放式的课程设计方式，使学生在计算机控制的大框架下可以自主选题，然后利用课余时间自主完成课题任务，不再单独占用上课时间。与传统课程设计不同，该课程设计最大的特点是针对计算机控制类课程的综合设计，突出知识点的综合应用。而且在学生毕业设计的设置上，加大工程应用性的比例，鼓励学生进行计算机控制类实际项目的开发与设计。

4 教学方法改进

与教学内容的优化与改进相适应，在教学方法上主要进行如下改进。

1）以计算机控制系统为主线，从应用角度出发，密切结合工业自动化实践，以主讲教授为龙头，成立系列课程教研组，组织教师进行调研、讨论，将计算机控制系列课程融为一体，相互衔接、相互连贯，重新制订合理的教学计划和大纲、实验计划和大纲、综合课程设计的计划和大纲等，并聘请校内外专家进行评审。

2）在加强学生对课程之间的知识联系方面有如下举措。

①组织学术造诣深厚的教授给大一新生讲授学科前沿和新生研讨课，加强学生的思辨能力，同时建立学生计算机控制的系统思想。

②在大二充分利用学院国家电子类大学生实践基地平台，组织学生进行大学生创新项目的实践；大二的学生作为大三学生的助手，建立计算机控制系统实际应用的感性认识。

③在大三后则利用学生参观实习的契机，让学生了解实际工厂计算机控制系统的构成，并通过国际工业自动化展，了解计算机控制系统在各行各业中的应用以及最新发展趋势。

3）在加强综合实验方面主要采用如下措施。

①依托相应课程，优化基本性实验教学内容，对原有实验内容进行调整和更新，精选内容先进、具有代表性的教学内容和实验项目。

②加大综合性、设计性实验的比重，根据实际情况开设选择性实验，充分发挥有实践经验教师的特长，以项目为引导，给出项目的要求，不限定知识范围，让学生应用所学的计算机控制知识，根据项目成本、项目技术要求等工程要求，自主选型，并自主完成项目的计算机控制系统，给学生最大的发挥空间。

③在代表性课程的考核环节，如现场总线控制，增加该课程的课程设计环节。在该环节，教师不限定题目，学生可以根据自身的经历或者生活体验，发挥自主想象的空间，自主选题，并做出控制系统实物。另一方面为增加对控制系统的认识，学生需要就系统方案的设计、功能等方面进行说明或演示。在此过程中一切以学生为主，给学生配备教师顾问组，由多名教师组成，学生可以根据需求自主寻求教师的意见。除此之外，教师仅需要对学生的作品进行评价。

④在毕业设计环节，对毕业设计进行分类要求。在侧重于工程设计类的毕业设计中给学生一定的经费，让学生实现设计的实物并演示；而在侧重于论文类的毕业设计中，设计与科学研究相结合，引领学生进入较前沿的理论研究中去，拓宽学生专业知识面。

5 结语

由于课程多、跨度大、课程间相关性强，并且课程间内容重叠，计算机控制类课程的“教”和“学”都存在困难。本文以工程上一个完整的计算机控制系统为引领，分别从教学内容和教学方法的优化上给出教学改革方法。在教学内容上，对各课程教学内容进行整合，做到突出“主线”脉络，突出“系统”架构，突出“综合”实践；在教学方法上，对应教学内容的改革，通过改革教学大纲、教学计划和实验计划，使计算机控制类课程相互衔接，并借助学院国家级创新基地平台，以及增加新生研讨课、学科前沿课和课程实习环节，再依托现场总线控制系统，结合综合设计环节，加强学生的综合实践环节。通过上述改革，加强学生对计算机控制系统中“控制”和“系统”的认识，既增加学生对计算机控制类课程理论知识的理解，又培养学生综合应用计算机控制类知识的实践能力，效果明显。

[1]张德江,于微波,贾文超.教学与教研互动教法与学法共融:“计算机控制系统”国家精品课建设的体会[J].中国大学教学,2007(10):29-31.

[2]丁冬花,赵雁南.计算机控制系统综合实验课简介[J].实验技术与管理,1994,11(1):51-52.

[3]张平,夏洁,周锐,等.建设独具特色的“计算机控制”精品课程[J].电气电子教学学报,2009(31):143-145.

[4]温淑慧.计算机控制技术实验教学改革初探[J].教学研究,2010,33(6):59-62.

[5]王佳庆,王晓刚,王清,等.基于项目教学法的计算机控制技术课程教学改革与探索[J].教育教学论坛,2014(15):273-275.