计算机控制系统课程一体化云教学案例研究

赵峙尧，许继平，刘翠玲，廉小亲，于重重

一、引言

“计算机控制系统”是自动化类专业的一门重要的专业必修课程，是一门理论与实践结合紧密的课程。[1]随着控制技术、计算机技术和现代工业的快速发展，计算机控制也发生了很大的变化。在教学内容上，该门课程的讲授既要让学生掌握传统计算机控制的理论和方法，还应该让学生了解最新的计算机控制方法、控制器设计思想和工程对象，适应现代智能制造业发展的要求。[2，3]

2020年初，面对来势汹汹的新冠肺炎疫情，全国上下在以习近平同志为核心的党中央坚强领导下，众志成城，共抗疫情。为有效防控新冠肺炎疫情，阻断疫情向校园蔓延,确保全校师生员工的生命安全和身体健康，各地高校积极制定延期开学工作方案，通过“线上办公”和“在线教学”等网络形式，确保“停课不停教、停课不停学”。[4，5]线上教学存在教学时空、教学行为分离的特点，且无法在传统实验室开展实验教学内容，线上教学难以保证与线下教学质量等效，这给本门课程的线上教学方法提出了严峻的挑战。

考虑到本门课程的理论更新快、实践性强等特点，课程组教师联合赣州市某医疗科技有限公司，以“医用口罩生产线”为例，依托线上教学平台，开展本门课程的一体化云教学，包括理论知识云讲授、工业现场云实习、知识转化云实验、成果汇报云翻转，灵活克服线上教学时空分离的局限性，探索新的线上教学模式，加深学生对计算机控制理论知识的理解，实现教与学的再度整合。同时，本案例在疫情防控阶段以重要防疫物资生产为切入点开展教学，以“医用口罩生产线”为例，使学生深切感受自动化行业在疫情防控中的使命和担当，引导学生树立正确的专业观和价值观，践行立德树人的育人理念。

二、计算机控制系统课程教学过程中的问题与对策

“计算机控制系统”这门课程用到的基础知识分布在自动化类、电子信息类专业的许多课程中，这导致本门课程历来是一门难学难教的课程。[6]在疫情防控背景下，本门课程的教学开展也面临新的问题，主要包括以下四个方面。

(一)教学设计

本门课程的教学设计应密切结合工程实际，全面系统地讲授计算机控制系统的结构、设计、实现等问题。在疫情背景下，如何重新设计本门课程的教学，在教学时空、教学行为分离下的线上教学中高质量地完成教与学，是本门课程教学过程中的一大难题。[7]特别是在以往线下教学过程中，在讲授“数字控制器的模拟化设计方法”和“数字控制器的直接设计方法”部分时，由于学生数学基础不够扎实、前期课程知识掌握得不够牢，时而出现表情茫然、分心等状况，这在线上教学中更是难以有效监管和反馈。因此，课程组教师重新设计本门课程的教学大纲，以疫情防控中的控制问题为引例讲授计算机控制系统概述部分，降低理论教学内容的深度，仅保留数据接口技术、系统总线、数字控制器设计中基本的理论、方法和设计。

例如，在“数字控制器的模拟化设计方法”中，不过多展开数字PID控制器的各类工程化改进算法，以原理讲授、理解改进思想为主。同时，增加既能体现传统计算机控制技术又能体现智能控制等新技术、具有典型性代表性的现代工业案例，与工程师一同进行案例剖析，使学生能够更好地理解和掌握计算机控制系统设计的理论知识，并能很直观地与实际现代工业过程中的计算机控制问题挂上钩。例如，医用口罩制造生产线、智能人工呼吸床等。最后，基于虚拟仿真技术开展实验教学，实验对象与智能制造业密切相关，让学生能够亲自动手解决实际案例中的计算机控制问题，并配合翻转课堂，让学生成为计算机控制设计的主导者。

(二)课程实验

本门课程总学时为68学时，其中实验为12学时。本门课程的原实验教学设计是依托过程控制行业中的三级水箱系统为物理模拟对象，开展数字PID控制器参数整定等理论内容的配套实验教学。在疫情背景下，学生因无法返校而不能在实验室中进行实验，实验教学难以按照原计划开展。因此，课程组教师结合线上教学的特点，利用虚拟仿真平台“组态王”开展实验教学。[8]以理论教学中的实际工程案例为背景，选择计算机控制的关键环节，由学生在“组态王”中搭建工程案例中的计算机控制仿真系统，个性化地进行控制算法编制和控制系统设计，发挥学生的主观能动性，激发其自主学习热情，更好地促进理论知识的理解和掌握。

(三)课堂效果

在疫情背景下，线上教学平台打破了教学空间的限制，提升了教学的灵活性。然而，线上教学的课堂效果与线下教学仍然存在一定差距。而且，由于网络带宽等硬件条件的限制，教师与学生难以全程线上面对面授课，教师无法有效获得学生的表情反馈，难以把控课堂教学效果。

课程组教师尝试在教学内容趣味性、课堂互动、随堂练习三个方面提升课堂教学效果。第一，在教学设计中，将文本、图片、视频、仿真等内容整合在一起，结合网络资源，使教学内容更加形象生动，具有更强的视觉冲击感，增添教学内容的趣味性，提升学生的学习热情。[9]第二，在线上教学过程中，增加课堂互动和提问，并通过公共聊天窗口及时获得学生们的反馈，调动学生的积极性。第三，设置随堂小练习，形式上采用线上判断题、单选题和多选题等客观题，可以及时掌握学生对知识理解的程度，并调整教学进程和速度，提升课堂教学效果。

(四)课后巩固

课后巩固是保证课程教学的有效手段。在疫情期间，借助互联网手段，可以从授课回放、作业评价、线上答疑、调查问卷等多个方面进行课后巩固。第一，基于线上教学平台进行主体内容授课，学生课后可通过查看授课回放巩固学习。第二，基于北京工商大学BB平台，学生可上传作业电子版，课程组教师在线进行批改、评分，并及时反馈给学生。第三，基于腾讯会议平台，定期安排集中线上答疑，对阶段性授课内容进行解惑。第四，利用微信小程序定期编制调查问卷发给学生填写，以反映线上教学授课情况。上述各环节有机结合，每一堂课都有及时的反馈，为线上教学工作提质增效。[10]

三、计算机控制系统课程一体化云教学案例

依托线上教学平台，开展本门课程一体化云教学案例，包括理论知识云讲授、工业现场云实习、知识转化云实验、成果汇报云翻转四个方面。

(一)理论知识云讲授

在本环节，课程组教师通过线上教学平台，讲授与本案例相关的理论知识，包括计算机控制系统的基本结构、数据接口技术、数据通信技术、数字控制器设计等。教学内容既包含了以往线下常规教学中的课程体系和知识点，也融入了面向智能制造领域、机器人领域实际工程对象等知识点，旨在紧跟计算机控制系统的技术发展，让学生进一步了解科技前沿动态。

借鉴“企业专家进课堂”的教学形式，邀请赣州市某医疗科技有限公司总工程师通过线上教学平台给学生讲授医用口罩生产中计算机控制流程，从计算机控制系统自动化水平的演变、智能制造模式、医用口罩的基本结构、口罩面体熔喷布进料滚筒速度控制、口罩耳带超声波精准焊接控制等方面为学生介绍了计算机控制在医用口罩生产中扮演的重要角色。同时，向学生介绍了作为一个具有红色基因的江西民营企业，在疫情关键时期，攻坚克难，积极探索，以“坚定信念、艰苦奋斗”的精神克服重重困难的担当之举。在防疫物资紧缺时期，仅用2天时间完成原本10天才能完成的口罩生产线的调试工作，在国内口罩供不应求的情况下，充分履行企业社会责任，以低于市场价50%的价格销售口罩等举措，深化了学生对自动化专业的理解，让学生为自动化在疫情中的使命与担当感到由衷的自豪，引导其树立正确的专业观和价值观，将来为行业为国家贡献力量。

(二)工业现场云实习

在本环节，学生跟随镜头“走进”赣州市某医疗科技有限公司的医用口罩生产车间。现场工程师为学生逐一讲解口罩面体合成、柔性耳带焊接、成品包装等口罩生产环节，并将之前云讲授的理论知识与每个生产过程相结合，进一步加深了学生对理论知识的理解，同时也让学生对所学知识的应用场景有了更直观的认识，实现了理论与实践的结合。

对于医用口罩制造过程，需配置全自动生产设备或半自动生产设备。全自动设备是一体成型，一般1台本体机拖2到3台耳带机，从原料投料到包装完成都可实现。而半自动设备则需按以上流程逐个配置，包括口罩成型机、口罩压合机、口罩切边机、呼吸阀冲孔机、鼻梁条线贴合机、耳带点焊机、呼吸阀焊接机等。

另外，结合计算机控制系统课程中特别重要的“闭环控制”知识点，现场工程师以口罩耳带流程化焊接、口罩成品包装自动化码垛场景为例，详细讲授了“偏差反馈控制”的实施方案，让学生们对计算机控制系统的闭环控制典型结构有了更加深刻的认识。在云实习现场，学生与现场工程师在技术研发、创新创业、社会担当、企业文化等方面进行了深入的讨论，学生们普遍反映收获颇丰。

(三)知识转化云实验

在本环节，以课程原实验的三容水箱控制为云实验对象，利用工业组态软件的建模、仿真功能，搭建三容水箱液位控制仿真系统，实验要求如下：

(1)模拟实现三容水箱的进出水功能。

(2)调节水泵运转速度，控制上水箱进水速度。

(3)三个水箱的出水速度均可由阀门控制。

(4)进出水对各水箱的液位影响要符合实际。

(5)显示各水箱液位实时变化曲线。

课程组教师通过线上教学平台指导学生进行虚拟仿真实验。

首先，课程组教师通过线上教学平台手把手给学生演示组态软件的基本功能，包括画面、变量、菜单栏、控件、动画等基本功能以及命令语言、报警、曲线、报表等进阶功能。

其次，课程组教师对实验要求进行详细解读，包括水箱外观、液位模型、水泵控制、出水阀控制、水容量守恒等，并在组态王软件里对关键、难点要素进行了操作展示。学生们可以远程实时与教师互动，释疑解惑。

最后，学生们按照实验要求开始设计仿真系统，并在组态王软件中逐步完成水箱搭建、模型构建、PID控制、实时曲线、历史曲线、按钮控制等功能，模拟实现三容水箱液位控制。在此训练过程中，课程组教师可安排学生进度远程监督、实验困难远程解决的随堂常规云答疑，也可以安排不定时的课后灵活云答疑，全程把控学生的训练进度和阶段性成果。

(四)成果汇报云翻转

为了让学生更好地理解医用口罩自动化生产过程，熟练地掌握组态软件的使用，本课程引入“翻转课堂”教学，由企业根据生产实际提出医用口罩智能制造升级中的关键技术攻关课题，课程组教师通过“翻转课堂”教学形式，学生分组选择课题并设计解决方案，通过线上教学平台展示自己的解决方案和虚拟仿真实验结果，提升教学交互水平。具体的云翻转教学过程设计如下。

1.方案设计

本次课程设计主要考查学生对口罩面体熔喷布进料滚筒速度的数字PID控制器的理解等云讲授的理论知识的掌握程度，以及自动化关键技术研究的创新能力。在方案设计阶段，学生需设定车间背景、配置自动化生产参数、布局各可视化模块。更重要的是，学生需能够根据期望的口罩产量，设置熔喷布和无纺布进料滚筒的速度PID控制，并与废料收集滚筒的速度相匹配。以上设置需结合各变量定义，通过数字PID控制算法实现。

2.软件实现

学生利用组态软件搭建工厂场景和各类生产设备模块图。在此基础上，将各变量与模块形状和执行动作关联，嵌入数字PID控制算法及其他逻辑判断、物理定律等支持算法，实现用户需求的功能指标和性能指标。在此期间，课程组教师安排分组云答疑，与企业工程师一同为学生介绍口罩生产中的背景知识及算法实现上的重点和难点。

3.答辩展示

学生利用线上教学平台，分组展示课程设计成果。要求每组派一名代表通过PPT汇报课程设计整体思路和设计过程，另派一名代表进行软件演示。演示过后需要接受课程组教师、企业工程师和其他组学生的质询。

4.考核评分

本环节最终成绩由授课教师评分、企业工程师评分和学生互评进行综合评定，具体的评分细则如表1所示。

表1 成果汇报云翻转评分细则

对于排名前三的优秀方案，组成学生和企业工程师的测试小组，通过工程师的现场云测试，对方案进行进一步论证和原型系统验证。另外，对于表现优秀的学生，企业将特别为他们开辟入职该企业北京研发中心的就业绿色通道，实现自动化专业本科毕业生从学习到就业的一体化解决方案。

四、讨论与建议

在疫情防控背景下，通过“医用口罩生产线”一体化云教学案例的实施，本课程的线上教学质量取得了较大突破，也是本课程为满足专业工程教育认证需要进行教学改革探索的一次尝试。同时，充分挖掘疫情防控期间的思政元素和德育资源，将其融入课程教学，取得了良好的教学效果。随着5G时代的到来，教育技术必将“倒逼”教学改革。在新冠疫情逼迫本课程进行全面线上教学的机遇下，课程组将以此次“应急教学”为起点，全面吸收好的做法和经验，依托“北京高校青年教师创新教研工作室”，进一步深化本课程的教学改革。随着课程组教师和学生逐步适应新型的教学模式，课程组将借助互联网的巨大便利和海量资源构建满足现代工业发展需要的课程体系，更新课程教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，充分发挥现代“互联网+教育”线上线下混合式教学的优势，为培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质自动化人才作出贡献。