面向物联网专业的计算机控制技术课程教学方法探索

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　　摘要：计算机控制技术涉及理论、方法和工具非常广泛，如何在有限学时内帮助学生掌握其基本知识并熟练运用到相关专业领域尤为重要。因此，结合物联网工程专业特点，在专业整体课程体系下，提出“以线为主，点面结合”的计算机控制技术课程教学内容、方法和实践。在计算机控制系统理论基础，传感器、执行器、控制器、人机交互软硬件等基本知识点上，以各类物联网接口为主要线索，通过课程实践引导掌握多样规模和类型的计算机控制系统构建方案。教学实践表明，学生动手多、兴趣大，在计算机控制技术相关的课程设计、毕业设计、各类国家级省级学科竞赛中取得了较好的成绩。
　　关键词：计算机控制;物联网工程;接口;教学方法
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　文章编号：1009- 3044（2019）34-0136-03
　　1 概述
　　通常意义上，计算机控制技术是指以计算机为控制核心的控制系统所涉及的众多软硬件技术统称，主要涉及输入输出接口与过程通道技术、控制网络与数据通信技术、数字控制器设计与实现技术、人机交互技术、可靠性与抗干扰技术、计算机控制系统设计技术等[1]。要想构建良好的计算机控制系统，甚至对被控对象的特性、环境影响、系统安装布置都需要深入的了解。计算机控制技术课程教学目的就是帮助学生整合所学单元知识点，系统解决计算机控制系统实际工程问题，将“知识珍珠”打造成“工程项链”。
　　物联网工程是近年来开设的新兴工科专业，是适应新时代社会需求的产物。通常物联网专业属于计算机大类招生，涉及通信工程、电子信息工程、计算机科学与技术等主干学科，包括程序设计类，电路电子技术类，通信原理与信号处理类，单片机与嵌入式系统类，传感、射频技术与无线通信类，RFID与传感网络类等主干课程[2]。计算机控制技术作为物联网工程专业的专业选修课，目的是为了帮助学生整合传感、计算、控制和通信软硬件知识，掌握各类计算机控制系统的构建，提供物联网系统自动化与智能化水平。
　　综上所述，计算机控制技术涉及范围广，理论、方法、工具和技术众多，在有限的学时内教好、学好存在一定的挑战。相关高等院校也从各自专业特点、院校学生特点等角度，开展针对性的教学活动。一般来说，首先在整个物联网工程专业课程体系上进行整合优化，合理分配学时，为学生构造良好的知识体系，打好专业通识基础[3，4]。其次针对各自专业特点，如自动化、电气工程、机械工程等，开展有特色的计算机控制技术教学活动，包括创新实践、项目驱动、校企合作等方式[5-8]。物联网工程专业的各科课程教学探索也被积极开展，如通信原理课优化课时、改革教学方式[9]，传感器技术课引入移动网络资源建设、“以学为主，教学相长”措施[10，11]，操作系统课增加嵌入式系统、增强实践能力等内容改革[12]，其中涉及计算机控制技术课程教学方法的探索较少。總的来说，多以增加实践动手、优化学时结构、改进教学环节等方式为主。
　　物联网工程专业的计算机控制技术课程教学除应吸收上述良好的教学改革措施外，还应该结合专业自身的培养目标、院校特点进行深入研究。为此，针对计算机控制技术和物联网工程专业培养目标、课程体系特点，本文提出“以线为主、点面结合”的计算机控制技术教学方案。具体地说，就是以物联网各类接口为主线，将物联网专业学生所学的各类传感、计算和通信单元知识点，在行业应用领域的具体自动化智能化建设需求面上，有机地整合，引导学生构建各类符合需求的计算机控制系统。
　　本文后续的章节安排如下：第二节介绍计算机控制技术课程教学体系，包括教学内容、主要教学方法与手段、评价机制，第三节介绍目前取得的主要教学效果，第四节对全文进行总结。
　　2 教学过程体系
　　2.1 教学内容设计思路
　　教学内容的安排以计算机控制系统理论基础为先行，重点介绍数字PID控制器等各类算法设计与实现。其次遵循“以线为主、点面结合”原则，对计算机控制系统的各类接口通道技术、传感技术与执行机构、人机交互技术、典型计算机控制系统等全面介绍。再次考虑两条措施，一是“软硬兼施”，即在介绍计算机控制系统硬件技术组成基础上，还充分介绍各类嵌入式与组态软件技术。另一个是“强弱并举”，即在介绍计算机控制系统的电路电子模块技术基础上，针对现场涉及的必要的电气工程知识，如供配电、设备和人生安全、抗干扰与接地措施等做必要的介绍。强弱并举措施的意义在于扩大弱电类专业学生的在电气工程领域的知识面，让他们在实际工作中更有竞争力和优势。
　　最后，为了解决自动控制实验室条件限制问题，积极引入各类控制仿真软件、接口通信工具、开源组态软件和虚拟机平台，帮助学生在缺少硬件资源的情况下也能顺利搭建计算机控制系统进行仿真调试，培养动手能力。这些工具包括Matlab等控制仿真工具箱、Modbus等现场通信软件、SCADA开源组态软件、VirtuaIBox等虚拟机软件工具等。
　　课程内容安排特点如图1所示。
　　2.2 教学方法与手段特点
　　在教学方法上主要遵循的还是理论与实践相结合，并引导学生主动创新，自主协作设计一定复杂程度的计算机控制系统。具体来说包括以下几个方面：
　　（1）理论作业与课程设计相结合
　　针对安排的主要教学内容，以课后作业和单元课程设计的方式加深学生对知识的理解。针对计算机控系统基础理论等内容以课后作业的形式帮助学生巩固，打好理论基础。其他内容以单元课程设计或者大作业的形式让学生独立完成，包括数字化校正设计、PID控制及参数调试、SCADA系统应用设计等内容。
　　（2）因材施教与创新实践
　　针对学有余力的学生，鼓励他们组成2-3人的技术团队，分工协作完成一定规模与难度的计算机控制系统的设计与实现，并以创新实践项目驱动方式，进行计算机控制工程项目全生命周期管理。包括系统需求、设计、编码、组装调试等过程，撰写各阶段设计和测试文档，并公开接受评价。 　　（3）现代化教学工具
　　充分利用多媒体等教学工具、仿真软件环境，向学生演示控制系统建设工具的使用过程。例如在PLC知识部分，结合西门子等厂家的公开视频和软件演示工具，帮助学生建立直观映像，加快学习速度。
　　（4）行业背景与实操演练
　　大部分学生还没有深入工业现场，除对消费类电子产品较为熟悉外，对各类行业领域的计算机控制系统的应用场景没有直观感受。为了提高教学效果，结合授课教师的行业实践经验，充分利用相关资源，整理了各类计算机控制软硬件现场环境、工艺过程照片，结合典型计算机控制系统案例的讲解向学生展示。例如物联网智能硬件、智能家居控制系统、污水处理自动化控制系统、高功率电源控制系统等。
　　2.3 评价机制
　　采用平时作业、期末考试和创新实践相结合的方式进行课程考核。这里重点介绍创新实践项目考核方式。
　　如前所述，创新实践项目是为了鼓励引导学有余力的学生协作设计实现完整的计算机控制系统。创新实践项目的小组成员可以选择项目评分作为期末课程成绩，如果对成绩不满意还可以参加期末考试，但一旦参加期末考试就必须以期末考试成绩作为课程成绩。
　　创新实践项目的评分由评委会完成。以授课教师、学生代表为成员组成评委会，创新实践项目成员进行答辩，评委会给出综合评分，公示无异议通过。例如，表l设计了小组评分细则（参考）。
　　3 教学效果
　　在计算机控制技术的教学过程中，大多数同学通过课程设计等任务掌握了计算机控制系统的建设基本工具、技术和方法，一些感兴趣的同学通过创新实践项目，在大学生创新实践、国家级省级学科竞赛、专利知识产权申报等方面都取得了不错的成绩。这里列举几例介绍。
　　（1）基于通用物联网网关设计的分布式测控系统
　　该小组同学的创新实践项目设计一种可以自由组网分布式测控系统的物联网网关。并获得了省级大学生创新实践项目支持，获得了国家级学科竞赛二等奖一项。
　　（2）面向环境监测的主动避障移动小车
　　该小组同学的创新实践项目通过无线通信控制，引导智能小车主动避障、执行相应的环境监测任务。同时也获得了大学生创新实践项目支持，并进行了相关专利申报。
　　（3）其他各领域的监控系统
　　另外在计算机控制技术课程教学过程中，部分同学完成了一些不错的计算机控制系统设计，例如面向农情监测的大数据平台、污水处理自动控制系统、智能家居监控系统等。
　　通过这些实践项目的锻炼和展示，一定程度上提高了技术交流沟通能力、分析和解决问题的能力，增强了专业自信心，為他们在今后面试、就业等方面打好了基础，积累了优势。
　　4 结论
　　物联网工程专业的计算机控制技术课程教学采用了“以线为主、点面结合、软硬兼施、强弱并举”的教学内容安排，创新项目驱动等教学方法和手段，多样化评价等考核机制，提高了学习效率，同时兼顾了因材施教，帮助学生较好地掌握计算机控技术的基本知识，并在实践中取得了一定的教学效果。今后在计算机控制技术的教学内容的深度和广度上还需进一步拓展，为物联网工程专业的培养目标提供更良好的服务。
　　参考文献：
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　　[12]何轶，龙陈锋，物联网专业《操作系统》课程教学改革探索[J].现代计算机：专业版，2018（35）：71-4.
　　【通联编辑：王力】
　　收稿日期：2019-08-26
　　作者简介：沈春山（1980-），男，安徽人，高级工程师，博士，主要研究方向为计算机控制系统、嵌入式与软件工程;王永梅（1974-），女，安徽人，副教授，硕士，主要研究方向为计算机软件理论;焦俊（1964-），男，江苏人，教授，博士，主要研究方向物联网、机器人和智能控制。
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