基于能力素质模型的“微型计算机原理”教学改革

张 军, 高国琴, 刘国海, 牛雪梅

(江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013)

基于能力素质模型的“微型计算机原理”教学改革

张 军, 高国琴, 刘国海, 牛雪梅

(江苏大学 电气信息工程学院, 江苏 镇江 212013)

本文构建了自动化专业能力素质模型，强调“微型计算机原理”课程教学中，实践能力与控制系统理论分析、设计能力相结合，对该课程的部分内容进行教学改革，以提高学生解决复杂控制系统工程问题的能力。

自动化；能力素质模型；微型计算机原理；教学改革

0 引言

目前，能力素质模型为人才培养提供理论框架，已经成为人力资源与开发工作的重要基础，在人才招聘、选拔、训练等方面形成一套统一的能力素质标准[1]。由于能力素质模型反映了优秀毕业生应具备的核心素质与能力，将能力素质模型应用于高校自动化专业培养体系构建，其评价结果将更具科学性和准确性，可有效避免人才培养与社会需求脱节的矛盾。

“微型计算机原理”作为自动化专业的核心基础课，是“计算机控制技术”、“过程控制”以及“运动控制”等课程的重要预修课程。国内各高校针对该课程的实践性强、应用性要求高的特点，分别从课堂教学与实践环节有机结合，加强系统化的工程实践训练等方面进行探索，有效提高了学生的工程素质和创新意识[2，3]。但是，在强调提高“微型计算机原理”实践能力的教学改进中，却忽略了“微型计算机原理”与控制系统分析、与设计理论相结合这一最重要的自动化专业素质能力的培养，使得学生掌握的微机知识不能灵活应用于控制系统分析与设计中，如：控制系统关键参数在微机中的选取、程序的结构设计、控制律的实现等，导致学生解决复杂控制系统问题的能力较弱，成为目前自动化专业教育的瓶颈[3，4]。

基于上述分析，本文引入能力素质模型的概念，以此为基础构建自动化专业学生的能力素质模型，对“微型计算机原理”课程明确了新的培养要求，通过强调“微型计算机原理”课程教学中，实践能力与控制系统分析、设计能力相结合，拓宽和提升学生的综合专业素质。在此基础上，对“微型计算机原理”的教学内容中，子程序设计、定时器接口、中断服务子程序设计三个内容进行有针对性的教学改革，突出实践能力与系统分析有机结合，提高学生解决复杂控制系统工程问题的能力。

1 构建自动化专业能力素质模块

能力素质模型是从组织战略发展的需要出发，以强化竞争力，提高实际业绩为目标的一种独特的人力资源管理的思维方式、工作方法和操作流程[5]。我院以培养创新素质和提高工程实践能力为目的，剖析了企业对自动化专业学生的工程实践能力、创新创业能力需求，把自动化专业课程体系结构分解为不同类的能力素质培养模块，并明确了每门专业课程的能力素质培养目标，以期与企业需求合理地相互衔接。能力素质培养模块基本结构如下：

(1)数理能力素质模块：这部分要求学生具有良好的数学理论功底，具备一定的理论拓展能力(具体课程这里省略)。

(2)电工电子能力素质模块：这部分要求学生具有较强的弱电和强电设计能力，实践动手能力，这是自动化专业必修的主干学科基础课程群，对于培养学生的动手实践能力、开发创新能力具有重要的作用。

(3)计算机软件及硬件能力素质模块：这部分要求学生具有较强的编程能力，以程序设计为主线，并且突出硬件与软件的结合，通过课内与课外联系的方式来培养学生开发嵌入式系统的能力。

(4)控制理论能力素质模块：这部分要求学生建立控制系统一般概念，掌握经典与现代自动控制的基本理论，具有一定的控制系统分析与设计的能力；熟悉常用传动控制技术、过程控制设备及零部件的选择和调试。这是自动化专业最有特色的主干学科专业课程群。

(5)计算机运动控制工程能力素质模块：这部分要求学生掌握运动控制系统的分析与设计，主要包括：运动控制对象的分析，系统方案设计，控制律设计，常用运动量的检测与控制零部件的设计、选型、调试等。

(6)计算机过程控制工程能力素质模块：这部分要求学生掌握工业过程控制系统的系统性和实践性知识，主要包括：系统方案设计，常用过程量的检测与控制，常用过程量的检测与控制零部件的设计、选型、安装、调试等。

这样以能力素质模块为主线构建的自动化课程体系结构，为培养学生具备较扎实的专业基础和宽厚的专业知识，提高自动化人才创新能力、社会实践能力和就业创业竞争力提供了保障。上述构建的专业能力素质模块中，将控制理论能力素质模块与计算机能力素质模块相结合，可有效提高学生解决复杂控制系统的工程问题能力。为保证自动化专业基础知识的系统性，我校在课程设置上将“微型计算机原理”和“自动控制”两门课安排在大三上学期同时开课。本文从“微型计算机原理”的课堂教学改革和设计入手，在控制理论指导下与控制系统分析与设计融合，进行下面几方面的尝试探索。

2 “微型计算机原理”课程教学改革

2.1 子程序设计

程序设计过程中把多次引用的相同程序段编成一个独立的程序段，当需要执行这个程序段时，可以用CALL指令调用它。具有这种独立功能的程序段称为“过程”或“子程序”。调用子程序的程序通常称为“主程序”或“调用程序”[6]。在讲述这一部分内容的应用背景时，我们没有单纯地按照书本说教，而是结合自动化专业特点，提出了设计子程序需要与实际控制系统的要求相结合的观念，引入了控制系统的工程应用程序的一般概念，其主要包括下面几方面[7]：

(1)控制系统的监控程序：巡回检测程序、数据处理程序、报警程序、操作台服务程序。

(2)控制程序：判断程序、分析程序、采样和控制程序、事故处理程序。

(3)信息管理程序：统计报表程序、制表打印程序等。

这些应用程序以子程序形式与主程序进行信息交换，以此让学生明白工程上真正的程序结构，理解学习子程序设计的必要性，明白子程序用在什么地方，即：

(1)在程序重复使用的情况下，程序应该编写成子程序。这样可避免重复编写程序，节省大量存储空间。

(2)程序具有通用性，如键盘管理程序、磁盘读/写程序、标准函数程序等。编成子程序后便于用户共享。

因此，子程序的特点很好适应了控制系统的综合应用要求，学生们学起来有的放矢。同时，介绍了子程序应当以文件形式编写，对子程序的说明部分应提供足够的解释信息，使不同的用户看了这部分后就知道该段子程序的功能，其主要信息示于表1。

表1 子程序说明信息表

这样，课堂上很自然地引出子程序概念，对入口参数和出口参数等进行重点剖析讲解，使学生很快理解怎么用子程序的精髓。实践表明，改革后的课堂教学明显强化了模块化设计思想，以及良好的编程注释风格，培养了学生复杂工程系统的程序结构设计能力。

2.2 定时器技术

在“定时与计数技术”一章中，目前的教材主要讲述8253芯片的基本结构以及如何编程，但是较少涉及到定时器的应用范围以及如何应用，这使得学生很难真正明白在控制系统中怎么应用。在自动化专业的工程应用中，定时与计数技术是关键的接口之一；我们在原有的定时器接口技术介绍的基础上，重点强调在自动控制系统中，常要按一定的采样周期对处理对象进行采样或定时检测某些参数、用计数器对外部事件计数、记录外设提供的脉冲个数等。其中定时采样与控制系统的设计能力有密切关系，可以从下面几方面阐述定时器与控制系统设计相关的内涵：

1)采样周期对控制系统的闭环系统稳定性能的影响

采样周期T是控制系统的一个重要的参数，对闭环系统的稳定性和性能有很大的影响。这一部分与离散控制系统的朱利判据有关。

2)定时周期时间对采样信息的影响

采样周期与香农采样定理相关，不仅需要满足

ωs>2ωmax

(1)

式中ωs是采样频率，ωmax是信号最大频率。同时需要考虑闭环系动态响应频带，满足下面的关系式

ωs>(4-10)ωb

(2)

式中ωb是系统的带宽。课堂上举例解释了为什么运载火箭的采样周期是10 ms，如何在这个时间周期内完成火箭的姿态确定、控制律的计算、故障诊断等。

3)注意事项

在能满足系统性能要求的前提下，应尽量选取较大的定时周期时间(较低的采样频率)，以降低系统成本。具体工业过程控制对象的采样周期选择如表2所示。

表2 工业过程控制典型变量的采样周期

改进后的定时器课堂教学使得定时器接口技术与控制系统的稳定设计、信号处理以及控制系统紧密结合起来，提高了学生对复杂控制对象的分析与设计能力。

2.3 中断服务程序设计

微机的中断服务程序是由用户程序把中断服务程序标号与中断事件联系起来，并且开放系统中断后，才能进入等待中断并随时执行的状态。原有的教材只讲授中断服务程序的基本框架结构，以及进栈的信息保护和出栈的信息恢复等，很少提及如何设计中断用户程序。设计这一部分内容时，我们特别强调中断程序应短小精炼，执行时对其他处理不要延时过长，即越短越好[8]。我们以设计典型的工业过程控制中断程序(流程图见图1)为例，强调了控制的实时性与中断服务子程序的结构特点相对应，尤其突出常用的控制系统中的PID(比例、积分、微分)控制律是下面的实现形式：

(3)

式中e(k)是反馈采样信号与期望值的偏差。由于PID是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律，具有原理简单、通用性强、计算简单特点、可靠性高、因此很容易被广泛应用[8,9]。这样讲述中断服务程序才能做到有的放矢、理论联系实际，并且与自动控制理论控制律设计有机结合起来。这不仅让学生明白工业上的PID控制怎么用微机实现，而且也能使其明白中断服务子程序短小简单的要点，培养了学生如何从不同知识点设计复杂系统的控制程序能力，以满足控制系统的实时性和快速性。

图1 控制中断服务子程序

上述“微型计算机原理”教学改革在自动化专业2012级三个班学生进行了试验，学生高度认可新知识的结构，认为这种素质能力的融合，把自动化专业的特色鲜明凸现出来，使学生掌握了综合解决复杂控制系统问题的能力。在2015年举办的全国大学生电子设计大赛中，学生将这方面内容应用两级

倒立摆的控制中，成功设计了双闭环控制方案，有六人获得了比赛一等奖。

3 结语

为提高自动化专业学生解决复杂工程问题的能力，从社会需求出发，构建了自动化专业学生能力素质模型，通过该模型引导自动化专业培养模式和课程体系的改革，并尝试应用于“微型计算机原理”课程。从控制系统的分析、设计需求出发，对“微型计算机原理”的部分内容进行教学改革，有效提高了学生解决复杂工程问题的能力，取得了良好的实践效果。

[1] Peerasit P, Dreagan M. A competency model for effectiveness in managing multiple projects[J].Journal of High Technology Management Research, 2008, 18(2): 118-131.

[2] 曹华，苏曙光，陈亨斌．“微机原理与接口技术”课程教学改革探索[J].南京：电气电子教学学报, 2015,37(4):18-22．

[3] 崔文华，王宁，王宇，王立明．微机原理与接口技术实验教学规划与实践[J].上海：实验室研究与探索, 2011, 30(9): 161-164．

[4] McClelland D C. Testing for competence rather than for intelligence[J]. American Psychologis, 1973,28(1):1-14.

[5] Harvey M G, Novicrvic M M, Speier C. An innovative global management staffing system: a competency-based perspective[J]. Human Resource Management, 2000, 39(4): 381-394.

[6] 张荣标．微型计算机原理[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[7] 裴润，宋申民．自动控制原理[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007．

[8] 高金源．计算机控制系统[M]．北京：清华大学出版社，2009．

[9] 王广雄，何朕．控制系统设计[M]．北京：清华大学出版社，2009．

Teaching Reform for Microcomputer Principle Course Based on Competency Model

ZHANG Jun，GAO Guo-qin，LIU Guo-hai, NIU Xue-mei

(ElectricalandInformationEngineeringCollege,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013，China)

In this paper, after the modeling of automation engineering competency, we emphasize the combination of the practical ability of microcomputer principle and the ability of the theoretical analysis and design of the control system. After the teaching reform for a part of the course, the ability of the students in automation engineering in solving the problem of complex control system engineering is expected to be improved.

automation； competency model； microcomputer principle； teaching reform

2016-08-25;

2017-01- 10

江苏省高等学校教学改革项目(2015JSJG143)，省属高校自动化专业卓越工程人才培养体系研究与实践(2014A22)，2014年教育部自动化类专业教学指导委员会专业教育教学改革研究课题面上项目,江苏大学教学改革重中之重项目(2015JGZZ001)

张 军( 1972-) ，男，博士，副教授，主要从事飞行器控制与信号处理教学和研究，E-mail: jzhangj@mail.ujs.edu.cn

A

1008-0686(2017)04-0069-04

图分类号：GA420