新工科背景下“计算机控制技术”实验课程创新研究

［摘 要］ “计算机控制技术”课程的学习，旨在让学生掌握工业控制计算机系统分析方法、软硬件的设计、工程实现技术，但实际工业生产现场对于在校大学生来说是非常陌生的。传统教学方法通过课堂理论讲解和实验室相结合，虽然能够加强学生对理论部分的理解，但很难达到与实际生产应用相结合，学生不能真正达到从事计算机控制系统设计研究、安装调试的基本工作。针对以上问题，提出实验内容和实验实施的改革研究。近几年的教学结果表明，此方法能够有效提高学生的工程实践能力。

［关键词］ 新工科；工程实践；实验教学；创新研究

［基金项目］ 2021年度宝鸡文理学院第十六批校级教学改革研究项目“新工科背景下计算机控制技术课程实践教学创新研究”（21JGYB47）

［作者简介］ 孙晓娟（1979—），女，陕西澄城人，工学硕士，宝鸡文理学院电子电气工程学院讲师，主要从事电气自动化研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）09-0087-04 ［收稿日期］ 2023-10-23

引言

“计算机控制技术”课程是电气工程及其自动化专业的专业课程，也是电子信息、机电一体化等专业的选修课，在与电类相关专业人才培养方面具有非常重要的地位。

王超等［1］在分析“计算机控制技术”课程定位时提道：“课程教学效果的优劣对学生综合应用能力、解决实际问题能力会产生直接影响。”课程的主要内容包括工业控制计算机系统的分析方法、软硬件系统设计及工程实现技术［2］。在新工科背景下，学习本课程之后，学生应该具有工业控制计算机系统的理论分析和设计能力、实际工程项目的开发和研究能力。

实验教学是“计算机控制技术”课程的重要组成部分，传统上以理论教学为主，实验教学主要是验证性实验和演示性实验［3］。为了适应新工科背景要求，应当坚持实践与理论并重，采用先进的实验教学理念、科学的教学体系和教学方法，才能培养学生建立工程观和系统观，激发学生的创新精神和创新意识，提高学生的实践能力和综合设计技能。实验内容应该精简理论性过强、实践性过低的内容，增加综合设计性实验，加强创新研究性实验，这样才能满足新工科人才培养的要求。

一、课程实验教学内容

（一）传统实验教学内容

近年来，大部分实验教学环节是按照以下三个方面培养学生的实践能力：一是基础验证性实验，二是综合设计性实验，三是创新研究性实验［4］。验证性实验是对课程理论知识的理解验证，此类实验对应的课程目标是学生能够验证所学的理论知识，掌握信号的采集、测量和分析方法，对实验数据的处理方法，掌握输入输出接口与过程通道的软硬件测试方法，如A/D和D/A转换实验。综合设计性实验要求学生综合应用所学的相关知识，依托实验台独立设计用于计算机控制系统的控制算法和参数，并独立完成实验，如数字PID算法仿真实验。创新研究性实验鼓励学生依托实验平台自行开发部分实验，自行设计实验内容。

传统的三类实验均依托实验室实验平台进行，学生能够与理论紧密结合，实验能够加强理论知识的学习，但达不到新工科背景下实践与理论并重的目标，也无法真正培养出适应工程实践的应用型人才，因此应该对传统的实验教学进行改革，提出新的实验教学方法。

（二）创新实验教学内容

创新实验教学在传统的实验教学基础上，更加注重认知训练、基础训练和创新训练。认知是对整个知识体系的认识，不再把实验看作碎片的知识点。基础训练是把基础的理论知识融入项目过程，以体现基础知识在项目中的重要性和关键作用，创新训练注重创新能力的培养，使学生能够从项目的学习、分析、设计过程中提出自己的思路和方法，结合当前实际应用情况，提出创新设计思路和解决方案。本课程实验课在人才培养方案中的要求如表1所示。

创新实验教学更加注重项目引领，实验内容以实际工程项目为引领，由校企合作导师提出实验题目，学生通过理论课学习，设计方案，在实验室设计算法程序以及仿真运行，最后到校企合作企业进行实物的试运行，让实验成为简单工业化实习。创新实验教学可以引入各类竞赛项目，如电子设计大赛、机器人创意设计大赛、大学生创新创业项目。这样可以激发学生的学习兴趣及科研热情。

二、课程实验教学改革

（一）仿真实验与工业化实践相结合

1.优化实验题目。实验题目减少理论性过强、实践性过低的题目［4］。比如在传统实验教学中，设置数字PID调节器的仿真实验，此实验旨在让学生掌握数字PID调节器的工作原理，针对给定的理想模型进行仿真测试，观察PID调节效果。这样的实验完全可以在理论课中进行，由于学生已经有了“自动控制原理”课程的学习基础，对P、I、D参数对系统的影响有了深刻的理解和认识，因此在本课程中，要尽量避免重复讲解，取消本实验内容。

增加与PID相关的实际应用实验，如PID温度控制系统设计，传统实验方法是利用实验台上温度控制系统实现单闭环温度控制，学生可以通过实验掌握温度PID控制参数的配置和单闭环控制的基本原理，了解温度传感器的使用方法。温度的采集模块、控制模块都已经在实验台上集成好，而且实验室温度环境相对稳定，这样的设计仍然无法让学生沉浸式感受工业控制过程，因此，在本课程中应注重与工业实际联系紧密的应用型实验内容。

在本实验开始之前，组织学生到我校合作企业参观实习，了解企业生产现场，了解控制对象、控制方法与生产流程。有了这样的实习经历，应用型实验不再由教师给出题目，而是由合作企业的企业导师结合我校情况，给出实验题目、实验要求等。数字PID控制实验由原来的两个实验改为一个综合性实验：加热炉恒温温度控制系统设计与实现。控制器可以设计为数字PID控制算法、最少拍控制、大林算法等。这些内容都与本课程的重点、难点相契合［5］。

（二）校企联合完成实验内容

针对加热炉温度控制系统的设计，由合作企业导师给出实验要求，控制器、传感器、执行机构等都是实际企业所采用的产品。学生从设计方案开始，按照企业工艺流程进行，系统以PLC为温度控制系统的核心，以工控机作为上位机，以温度传感器采集温度信号。其中，上位机人机界面完全按照企业实际情况进行设计，PLC及扩展模块也与企业匹配，根据实际企业温度指标进行设计。在实验室完成代码的编写和程序调试，以及整个仿真过程，然后到企业现场调试运行。在此过程中，学生亲身直观感受工业生产过程，设备运行、参数采集都是实际的生产过程，理论学习与实际完全结合。上述设计过程如图1所示。

在实际生产现场的调试过程中，学生会发现，实验室调试好的程序在企业现场并不能达到温度恒定的结果，经过学生的现场分析和企业导师的讲解，学生会发现在生产现场有很多不可控的干扰因素。因此，在设计的过程中，必须考虑到干扰等影响，设计过程中加入软硬件抗干扰措施，才可以达到更好的控制效果。另外，有学生发现即使按照企业导师的指导加入抗干扰等措施，仍然无法达到一些指标的精度要求，这又是为什么呢？由此，激发学生再学习、再研究的兴趣。其中，一组学生提出了最少拍算法、大林算法；一组学生通过查阅资料，了解了智能控制的算法、模糊PID、神经网络PID等新的控制方法，为后续“智能控制”课程的学习打下了基础。

（三）以大赛内容引领实验教学

在实验课程教学中，可以参考中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生电子设计竞赛、中国人工智能大赛、中国机器人大赛等项目，选取大赛项目为目标设计实验［6］。由学生分组确定项目立项方向、研究内容和创新点等，实验的实施不再固定在专门的实验室，可以在学校创新创业中心和其他相关实验室进行，把传统的固定实验时间、实验地点灵活化，把设计成果按照一定比例计入总评成绩，学生可自主全程参与分析设计及实现。笔者以2020年中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛为目标，组织学生以大赛题目进行实验，完成整个设计过程、实物制作、调试等，并撰写设计报告。在此过程中，学生积极参与并完成设计。学生对整个控制系统有了更加全面的了解，把各门功课、各个章节碎片化的知识有效结合，有了系统的认识，其中，一组学生的作品获“互联网+”大赛西北赛区三等奖，极大增强了学生的自信心。

（四）实验教学改革效果评价

从笔者所带的2017级自动化班学生的情况来看，实验教学创新改革后，课程各个指标点的达成度取得了较为满意的效果。取消了以往纯理论验证性实验，让各个相关课程之间不出现知识点的重复；将传统依托实验平台的综合设计性实验改为与企业结合进行设计，让学生从理论到实践，再到实际的企业现场，对整个控制过程有了直观的了解和认识，并且本班有一名学生直接入职校企合作企业；加入创新项目内容，通过以大赛题目进行实验，激发学生兴趣，鼓励学生创新，获得了良好的学习效果。

结语

本文针对新工科背景下“计算机控制技术”课程实验教学存在的问题进行分析，提出了从实验题目的选取到实验具体的实施方案设计，取消纯理论验证性实验、综合设计性实验，采用校企联合的方法，让学生了解实际控制对象与控制过程。增加创新性实验，让学生在赛中学、学中赛，激发学生的创新意识和学习主动性。近两届毕业生调查结果显示，从事与计算机控制技术相关工作的毕业生获得了用人单位的广泛好评。采用这样的实验方法有利于学生快速适应未来的工作，为社会提供有用的应用型人才，课程教学改革效果较好。

参考文献

［1］王超，孙宏军，丁红兵.“计算机控制技术”课程定位与知识梳理［J］.电气电子教学学报，2021，43（6）：22-26.

［2］于海生.微型计算机控制技术［M］.北京：清华大学出版社，2017：13-74.

［3］董德智，吴圆圆，周松林，等.“新工科”背景下虚实结合的计算机控制实验教学方法［J］.实验技术与管理，2021，38（6）：175-180+184.

［4］张婧，盖文东，高宏岩，等.“计算机控制技术”课程教改研究与实践［J］.电气电子教学学报，2017，39（3）：91-94.

［5］李敏艳，张继勇，杨鹏.工程教育专业认证背景下的计算机控制技术实践教学［J］.中国现代教育装备，2019（7）：82-83+86.

［6］初红霞，王希凤，谢忠玉，等.工程教育专业认证背景下计算机控制技术课程教学改革研究［J］.中国现代教育装备，2021（5）：76-78.

Research on the Innovation of Computer Control Technology Experimental Course under the Background of Emerging Engineering Education

SUN Xiao-juan

（Department of Electronic and Electrical Engineering， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji， Shaanxi 721016， China）

Abstract： The study of “ Computer Control Technology “ course aims to enable students to master the analysis method of industrial control computer system， the design of software and hardware， and the engineering implementation technology. However， the actual industrial production site is very unfamiliar to college students. The traditional teaching method can strengthen students ‘ understanding of the theoretical part through the combination of classroom theoretical explanation and laboratory. It is difficult to achieve the combination with the actual production application. Students can not really achieve the basic skills of computer control system design and research， installation and debugging. In view of the above problems， this paper puts forward the reform of experimental content and experimental implementation. The teaching results in recent years show that this method can effectively improve students’ engineering practice ability.

Key words： emerging engineering education; engineering practice; experimental teaching; innovative research