工业控制器实验教学改革与实践

肖 茜，王成栋

（电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731）

工业控制器实验教学改革与实践

肖 茜，王成栋

（电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731）

实验教学是工业控制器原理及应用技术课程教学的重要环节。该文分析了工业控制器传统实验教学的不足之处，并从优化课程结构、充实实验内容、完善考核形式等方面出发，给出了提高实验教学效果的有效改革措施；建立了包含基础型、提高型、综合应用型实验的分阶段、多层次的实验教学体系。实践证明，新的实验教学体系能进一步激发学生学习的主动性和创造性，有效提高学生方案设计、解决问题和探索创新的能力。

工业控制器；实验教学；教学改革；实践

工业控制器原理及应用设计课程主要以8位的MCS-51单片机为基础，介绍工业用微型控制器的结构、组成、工作原理、计算机的总线结构、存储器及接口的扩展与编址原理、常用外围芯片的连接、指令系统等，同时简要介绍DSP、ARM和PLC等工业控制器的工作原理及相关应用。工业控制器是开设有机电控制类、自动化类等相关专业的工科院校很重视的学科基础课程，该课程是对学生应用工业控制器技术的综合性训练，为学生掌握微控制器的工作原理、应用微控制器完成工业上的一些测试、控制任务奠定必要基础。作为该课程教学工作的重要环节之一，实验教学对教学效果和质量有较大的影响。

在翻转课堂和MOOC环境下，开放式实验教学已经成为改革趋势。文献［1］建立了一个虚拟可视化微控制器仿真实验系统，通过该系统学生可远程在线学习微控制器编程，并有可视化仿真硬件界面实时观察到运行结果。用该系统教学时，每3小时的课堂教学要求学生有至少10小时的课前学习。虚拟实验教学系统能够随时随地共享资源，使学生更加方便地利用实验资源。

目前，针对微控制器的实验教学，部分国内外教师提倡采用软件仿真和硬件操作2种实验方式，并选择贴近生活的实验题目以激发学生的主动性。结合两种实验的优点，不仅能使学生掌握课程的基本理论和技术，并能最大限度激发学生的主动性、锻炼实践操作技能、培养科学的创新思维［2］。

1 传统实验教学中存在的问题

工业控制器原理及应用技术的实验课程依托理论课程开设，一般有8个学时，占总学时的1/6，但这门课程具有很强的实践应用性，8学时的实验课不足以让学生掌握相关应用技术［3］。为节约课堂时间，教师在指导书中写清实验操作步骤，保证学生能够完成实验。课前预习学生做的也不够到位，为了有满意的实验结果，只能依照实验步骤完成实验，得出高度理想化的实验结果。因此实验过程只是机械性的重复实验步骤和简单的仪器操作。

由于受实验设备的限制，工业控制器原理及应用设计的课程实验以熟悉51单片机仿真器的编程环境以及用汇编指令完成基本外设的编程等验证型实验为主，实验内容单一。由于实验教学课时少，学生没有足够的思考时间和尝试空间；以实验数据和结果为导向的评分标准，又导致学生不重视实验过程，不主动预估实验进展和分析实验数据，实验后也不会进行总结和内容拓展。这样使得实验教学环节效果差、质量低，最终自主设计和完成的课程设计实现的功能也比较简单。通过该课程学生能够理解工业控制器的原理和概念，但大部分学生没有切实掌握工业控制器应用系统设计和调试等相关技术，对工业控制器的相关技术缺乏整体的掌握，与社会需求还有较大的差距［4］。

2 工业控制器实验教学的改革

2.1 调整实验内容

本着培养学生方案设计、动手操作、独立解决问题及分析实验数据等方面的综合能力的实验教学目的，建立了包含基础型、提高型、综合应用型实验的分阶段、多层次的实验教学体系。

基础型实验为软硬件基本原理实验，主要目的是熟悉编程环境和汇编指令，实验内容为排序实验和控制流水灯实验；提高型实验为基本接口实验，主要内容包含8255输入输出控制，中断系统实验，A/D或D/A转换实验等；综合应用型实验为自主完成的课程设计，要求学生利用实验室现有的或自主研制的单片机、DSP、ARM或PLC设备完成一个控制系统，例如:语音芯片控制、电压频率转换器设计、电机控制等实验。

2.2 合理安排实验课程结构

提高型和综合应用型实验的难度较大，要求学生掌握一定的基础知识、熟悉编程环境和设备操作方法，是对学生进行复合式综合训练的一种实验［5］。安排实验内容时应从简单易上手的基础型实验开始，逐渐深入到复杂的综合型实验，使复杂的概念和操作过程更易掌握［6］。首先应进行基础型实验，让学生了解编程环境和设备操作方法。

为了加强实验课和理论课的联系，对实验内容和上课时间做了新安排。第一次实验安排在期中考试后，为基础型实验，其中一个实验为期中考试题中的编程题调试，另一个实验为工业控制器I/O口控制实验。引入期中考试编程题调试实验，可以加深学生的印象，使学生更加扎实地掌握实验内容。提高型实验安排在理论课结束后，实验内容难度有所提高，为了激发学生的自主性，安排了三组实验，三组实验内容都用到A/D或D/A转换及8255芯片，难易程度相近，学生任选一组实验完成。

基础型和提高型实验使用的硬件平台为DICE-589KIII单片机微机多合一实验系统，该实验平台的硬件设备是固定的，学生只用进行少量的接线后，用Keil或韦福软件编程并调试，用仿真器完成实验即可。在编程软件的基础上，还需引入Multisim、Proteus等仿真软件。一方面，不仅程序的编写、编译等软件方面的操作可以直接借助计算机完成，通过仿真软件可以避免选取元器件以及设计、焊接和调试电路等硬件方面的操作过程，并可直接观察到电路的工作过程和程序的运行结果，使得教学内容更加贴近工程应用［7］；另一方面，可以鼓励学生使用仿真软件来辅助完成课后作业，通过实验掌握并巩固理论知识，让学生进一步掌握仿真软件的使用方法，通过仿真实验又使学生掌握了所学知识，同时有利于学生学习其他种类的控制器。

基础型和提高型实验没有涉及硬件选型及电路设计、焊接和调试，因此教学环节中增加了课程设计，即综合应用型实验。课程设计的目的在于锻炼学生方案设计、探索创新、独立解决问题和项目管理等方面的能力；学生需要独立思考，根据相关的设计要求，查阅资料，自主设计实施方案，设想实验结果形式，搭建实验设备，实现实验过程［8］。

课程设计由学生设定实验内容，由教师控制选题的难易程度；除单片机以外，实验室也提供其他种类微控制器的实验设备，如 ARM和PLC等，并鼓励学生使用DSP、ARM和PLC的实验设备及自主开发的实验板作课程设计的硬件部分。这样做即可锻炼学生运用工业控制器进行系统设计能力，也丰富了实验的教学内容。

课程设计由学生利用课余时间独立完成，以此进一步锻炼学生的自主学习能力和创造力。课程设计要求学生用工业控制器设计一个有一定难度的控制系统，并通过硬件电路实现预期的功能。对于自制实验设备的学生，可预先通过仿真实验检验方案的可行性，然后再设计硬件电路，并完成焊接、调试等工作；通过仿真实验可以节约时间，提高效率，同时也为学生自学和创新打下一定的基础。在完成课程设计的过程中，学生要自主分析和解决出现的问题，通过这一过程学生能进一步掌握工业控制器软硬件设计所涉及的知识［9］。为了更全面的考察课程设计的完成质量，学生不仅要交实验报告，还要以pPT形式进行答辩。

设计性实验项目功能实现的难度有所提升，但题目范围广，又可以自主选题和确定方案，极大地提高了学生的参与积极性和主动性，锻炼了学生的自学能力和创新能力；其中一些完成项目实现的功能强大并具有一定的开发价值。

2.3 利用网络资源，充实实验内容

为迎合MOOC环境下开放式实验教学的趋势，将实验内容、相关资料和硬件平台使用视频放于网络学堂；通过网络学堂学生进行课前预习，根据实验内容编写程序，熟悉实验箱的硬件电路，完成仿真调试。通过网络学堂，学生还能与老师实时交流，使学习过程不再限制于8学时的实验课，这样不仅能培养学生的自主学习能力，也能节约课堂时间。

现今信息技术发达，网上的工业控制器论坛和教学网站上有很多经典例程和视频以及软硬件相关的技术文章，并能与相关领域的同仁及前辈交流，同时新的产品和权威的信息也会在网上发布［10］。网络上丰富的资料，不仅是学生学习理论知识的辅助材料，实验过程中遇到的问题也可通过网络资源解决，同时能够使教学内容跟上本学科和社会发展的需求，使学生的能力和经验获得大幅度提高。

2.4 增强师生交流，注重学生个体化发展

线上教育资源越来越丰富，线下教学就更加关注师生间的沟通交流和学生的个体化发展。实验中鼓励学生相互协作探讨，多和老师交流，表达个人心得体会。完成实验后，应引导学生进行反思与总结，并按要求填写实验数据分析和心得体会［11］。通过实验教师对各组学生工业控制器应用技术的掌握情况已有所了解，对基础较好且有兴趣的学生，可以适当提高课程设计的难度，对基础薄弱的学生可适当降低课程设计难度，这有利于学生的个体化发展。

2.5 完善实验考核方式，培养学生的综合素质

只有采用科学合理的考核方式才能在激发学生学习兴趣的同时，对学生学习效果进行更公正评价，因此在工业控制器实验教学环节的考核方式上也进行了一些改革。传统的评分标准只包括实验报告成绩和平时成绩两部分，使得实验报告成为主要的考核依据。为了使学生重视实验过程，改革后的评分标准包括了4个部分:课程设计成绩占考核的50（其中选题与方案设计占20，答辩过程占15，设计报告占15）、实验操作成绩（20）、实验报告成绩（15）和平时成绩（15）。新的考核方式不仅能考查学生撰写报告的能力，同时考察了方案设计、解决实际问题和程序调试等方面的综合能力。采用新的考核方式后，学生学习的积极性和创造性都有明显提高。

2.6 以学促赛，以赛促学

自该实验教学体系使用以来学生学习工业控制器的兴趣提高了，学生的学习由被动变成了主动学习，课程设计的难度及完成质量都有很大的提高。大部分学生除了完成正常课堂项目任务外，还积极参与到课外创新实践项目，如创新创业项目、大学生创客工作室和创新俱乐部等，提高了学生工业控制器应用能力和学科综合素养，有利于学生参加竞赛和就业。采用新教学体系后越来越多的学生报名参加省级及国家级电子设计竞赛以及“西门子杯”工业自动化挑战赛，获奖层次和数量都有所提高。

3 结束语

实验教学在工业控制器原理与应用课程的教学中占有重要地位，本文以激发学生的学习积极性和创造性、提高学生的实践能力和创新能力为根本出发点，综合了多种实验教学形式的优点，建立了包含基础型、提高型、综合应用型实验的分阶段、多层次的实验教学体系。实践证明，使用新的教学体系后，一定程度上促进了理论教学，有效提高了学生运用工业控制器进行软硬件设计的综合能力及创新能力。

［1］JASCHKE S，BUCHNER S，SCHUBER S.Explorative learning and visualization environment for teaching embedded systems in higher education［C］//Teaching，Assessment and Learning for Engineering（TALE）.Bali Indonesia:［s.n.］，2013:219-222.

［2］KENDRE S S，MULMULE P V，SHIRBAHADURKAR S D.Developingexperimentalplatformsusingcommon software tools for enhancing technical skills of electronics engineering students in microcontrollers［C］//Frontiers in EducationConference，OklahomaCity，2013: 1450-1452.

［3］李洁，李卫兵，杜玉杰.《单片机原理及应用》实验教学改革与实践［J］.实验科学与技术，2012，10（4）: 92-94.

［4］蒋存波，陈小琴，金红.提高单片机教学效果的实验教学方法探讨［J］.电气电工教学学报，2006，28（3）: 108-110.

［5］张业民，李光提，黄在范.提高学生综合、设计性实验能力的探索［J］.实验科学与技术，2010，8（2）: 97-163.

［6］辛光红.单片机实验教学研究［J］.实验科学与技术，2011，9（6）:72-73.

［7］王海燕，杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用［J］.实验室研究与探索，2012，31（5）:88-91.

［8］田运生，刘维华，王景春.综合性设计性实验项目建设的探索与实践［J］.实验技术与管理，2012，29（2）: 126-129.

［9］张霓.关于“单片机原理及应用”课程教学改革的几点思考［J］.电气电子教学学报，2004，26（5）:21-23.

［10］陈玉霞，林峰，陈文，等.激发学生主体性，提高实验教学质量［J］.实验技术与管理，2011，28（7）: 147-150.

［11］陈亮.单片机课程的教学改革［J］.实验室研究与探索，2008，27（9）:121-123.

Reform and Exploration on the Experimental Teaching of Industrial Microcontroller Technology

XIAO Qian，WANG Chengdong
（School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Experiment teaching is one of the most important links in course teaching of principles and applications of industrial microcontroller technology.The insufficiency of present industrial microcontroller experimental teaching was analyzed.Effective reform measures such as optimizing configuration，enriching the experimental content and improving the grading system and so on，were applied to improve experimental teaching effect.A series of phased and stratified experimental teaching system，which including basis，advanced and comprehensive application experiments，was established.Practices show new experimental teaching system could better stimulate students’initiative and creativity，and the ability of project design，problem solving，exploration and creativity of students were effectively improved.

industrial microcontroller；experimental teaching；teaching reform；practice

TP368.1

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.056

2015-11-09；修改日期：2016-09-12

电子科技大学教学改革研究项目（2015XJYZC027）。

肖 茜（1988-），女，硕士，助理工程师，主要从事电控制与自动化、机电一体化技术等方面的研究。