工業控制器實驗教學改革與實踐

肖 茜，王成棟

（電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731）

工業控制器實驗教學改革與實踐

肖 茜，王成棟

（電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731）

實驗教學是工業控制器原理及應用技術課程教學的重要環節。該文分析了工業控制器傳統實驗教學的不足之處，并從優化課程結構、充實實驗內容、完善考核形式等方面出發，給出了提高實驗教學效果的有效改革措施；建立了包含基礎型、提高型、綜合應用型實驗的分階段、多層次的實驗教學體系。實踐證明，新的實驗教學體系能進一步激發學生學習的主動性和創造性，有效提高學生方案設計、解決問題和探索創新的能力。

工業控制器；實驗教學；教學改革；實踐

工業控制器原理及應用設計課程主要以8位的MCS-51單片機為基礎，介紹工業用微型控制器的結構、組成、工作原理、計算機的總線結構、存儲器及接口的擴展與編址原理、常用外圍芯片的連接、指令系統等，同時簡要介紹DSP、ARM和PLC等工業控制器的工作原理及相關應用。工業控制器是開設有機電控制類、自動化類等相關專業的工科院校很重視的學科基礎課程，該課程是對學生應用工業控制器技術的綜合性訓練，為學生掌握微控制器的工作原理、應用微控制器完成工業上的一些測試、控制任務奠定必要基礎。作為該課程教學工作的重要環節之一，實驗教學對教學效果和質量有較大的影響。

在翻轉課堂和MOOC環境下，開放式實驗教學已經成為改革趨勢。文獻［1］建立了一個虛擬可視化微控制器仿真實驗系統，通過該系統學生可遠程在線學習微控制器編程，并有可視化仿真硬件界面實時觀察到運行結果。用該系統教學時，每3小時的課堂教學要求學生有至少10小時的課前學習。虛擬實驗教學系統能夠隨時隨地共享資源，使學生更加方便地利用實驗資源。

目前，針對微控制器的實驗教學，部分國內外教師提倡采用軟件仿真和硬件操作2種實驗方式，并選擇貼近生活的實驗題目以激發學生的主動性。結合兩種實驗的優點，不僅能使學生掌握課程的基本理論和技術，并能最大限度激發學生的主動性、鍛煉實踐操作技能、培養科學的創新思維［2］。

1 傳統實驗教學中存在的問題

工業控制器原理及應用技術的實驗課程依托理論課程開設，一般有8個學時，占總學時的1/6，但這門課程具有很強的實踐應用性，8學時的實驗課不足以讓學生掌握相關應用技術［3］。為節約課堂時間，教師在指導書中寫清實驗操作步驟，保證學生能夠完成實驗。課前預習學生做的也不夠到位，為了有滿意的實驗結果，只能依照實驗步驟完成實驗，得出高度理想化的實驗結果。因此實驗過程只是機械性的重復實驗步驟和簡單的儀器操作。

由于受實驗設備的限制，工業控制器原理及應用設計的課程實驗以熟悉51單片機仿真器的編程環境以及用匯編指令完成基本外設的編程等驗證型實驗為主，實驗內容單一。由于實驗教學課時少，學生沒有足夠的思考時間和嘗試空間；以實驗數據和結果為導向的評分標準，又導致學生不重視實驗過程，不主動預估實驗進展和分析實驗數據，實驗后也不會進行總結和內容拓展。這樣使得實驗教學環節效果差、質量低，最終自主設計和完成的課程設計實現的功能也比較簡單。通過該課程學生能夠理解工業控制器的原理和概念，但大部分學生沒有切實掌握工業控制器應用系統設計和調試等相關技術，對工業控制器的相關技術缺乏整體的掌握，與社會需求還有較大的差距［4］。

2 工業控制器實驗教學的改革

2.1 調整實驗內容

本著培養學生方案設計、動手操作、獨立解決問題及分析實驗數據等方面的綜合能力的實驗教學目的，建立了包含基礎型、提高型、綜合應用型實驗的分階段、多層次的實驗教學體系。

基礎型實驗為軟硬件基本原理實驗，主要目的是熟悉編程環境和匯編指令，實驗內容為排序實驗和控制流水燈實驗；提高型實驗為基本接口實驗，主要內容包含8255輸入輸出控制，中斷系統實驗，A/D或D/A轉換實驗等；綜合應用型實驗為自主完成的課程設計，要求學生利用實驗室現有的或自主研制的單片機、DSP、ARM或PLC設備完成一個控制系統，例如:語音芯片控制、電壓頻率轉換器設計、電機控制等實驗。

2.2 合理安排實驗課程結構

提高型和綜合應用型實驗的難度較大，要求學生掌握一定的基礎知識、熟悉編程環境和設備操作方法，是對學生進行復合式綜合訓練的一種實驗［5］。安排實驗內容時應從簡單易上手的基礎型實驗開始，逐漸深入到復雜的綜合型實驗，使復雜的概念和操作過程更易掌握［6］。首先應進行基礎型實驗，讓學生了解編程環境和設備操作方法。

為了加強實驗課和理論課的聯系，對實驗內容和上課時間做了新安排。第一次實驗安排在期中考試后，為基礎型實驗，其中一個實驗為期中考試題中的編程題調試，另一個實驗為工業控制器I/O口控制實驗。引入期中考試編程題調試實驗，可以加深學生的印象，使學生更加扎實地掌握實驗內容。提高型實驗安排在理論課結束后，實驗內容難度有所提高，為了激發學生的自主性，安排了三組實驗，三組實驗內容都用到A/D或D/A轉換及8255芯片，難易程度相近，學生任選一組實驗完成。

基礎型和提高型實驗使用的硬件平臺為DICE-589KIII單片機微機多合一實驗系統，該實驗平臺的硬件設備是固定的，學生只用進行少量的接線后，用Keil或韋福軟件編程并調試，用仿真器完成實驗即可。在編程軟件的基礎上，還需引入Multisim、Proteus等仿真軟件。一方面，不僅程序的編寫、編譯等軟件方面的操作可以直接借助計算機完成，通過仿真軟件可以避免選取元器件以及設計、焊接和調試電路等硬件方面的操作過程，并可直接觀察到電路的工作過程和程序的運行結果，使得教學內容更加貼近工程應用［7］；另一方面，可以鼓勵學生使用仿真軟件來輔助完成課后作業，通過實驗掌握并鞏固理論知識，讓學生進一步掌握仿真軟件的使用方法，通過仿真實驗又使學生掌握了所學知識，同時有利于學生學習其他種類的控制器。

基礎型和提高型實驗沒有涉及硬件選型及電路設計、焊接和調試，因此教學環節中增加了課程設計，即綜合應用型實驗。課程設計的目的在于鍛煉學生方案設計、探索創新、獨立解決問題和項目管理等方面的能力；學生需要獨立思考，根據相關的設計要求，查閱資料，自主設計實施方案，設想實驗結果形式，搭建實驗設備，實現實驗過程［8］。

課程設計由學生設定實驗內容，由教師控制選題的難易程度；除單片機以外，實驗室也提供其他種類微控制器的實驗設備，如 ARM和PLC等，并鼓勵學生使用DSP、ARM和PLC的實驗設備及自主開發的實驗板作課程設計的硬件部分。這樣做即可鍛煉學生運用工業控制器進行系統設計能力，也豐富了實驗的教學內容。

課程設計由學生利用課余時間獨立完成，以此進一步鍛煉學生的自主學習能力和創造力。課程設計要求學生用工業控制器設計一個有一定難度的控制系統，并通過硬件電路實現預期的功能。對于自制實驗設備的學生，可預先通過仿真實驗檢驗方案的可行性，然后再設計硬件電路，并完成焊接、調試等工作；通過仿真實驗可以節約時間，提高效率，同時也為學生自學和創新打下一定的基礎。在完成課程設計的過程中，學生要自主分析和解決出現的問題，通過這一過程學生能進一步掌握工業控制器軟硬件設計所涉及的知識［9］。為了更全面的考察課程設計的完成質量，學生不僅要交實驗報告，還要以pPT形式進行答辯。

設計性實驗項目功能實現的難度有所提升，但題目范圍廣，又可以自主選題和確定方案，極大地提高了學生的參與積極性和主動性，鍛煉了學生的自學能力和創新能力；其中一些完成項目實現的功能強大并具有一定的開發價值。

2.3 利用網絡資源，充實實驗內容

為迎合MOOC環境下開放式實驗教學的趨勢，將實驗內容、相關資料和硬件平臺使用視頻放于網絡學堂；通過網絡學堂學生進行課前預習，根據實驗內容編寫程序，熟悉實驗箱的硬件電路，完成仿真調試。通過網絡學堂，學生還能與老師實時交流，使學習過程不再限制于8學時的實驗課，這樣不僅能培養學生的自主學習能力，也能節約課堂時間。

現今信息技術發達，網上的工業控制器論壇和教學網站上有很多經典例程和視頻以及軟硬件相關的技術文章，并能與相關領域的同仁及前輩交流，同時新的產品和權威的信息也會在網上發布［10］。網絡上豐富的資料，不僅是學生學習理論知識的輔助材料，實驗過程中遇到的問題也可通過網絡資源解決，同時能夠使教學內容跟上本學科和社會發展的需求，使學生的能力和經驗獲得大幅度提高。

2.4 增強師生交流，注重學生個體化發展

線上教育資源越來越豐富，線下教學就更加關注師生間的溝通交流和學生的個體化發展。實驗中鼓勵學生相互協作探討，多和老師交流，表達個人心得體會。完成實驗后，應引導學生進行反思與總結，并按要求填寫實驗數據分析和心得體會［11］。通過實驗教師對各組學生工業控制器應用技術的掌握情況已有所了解，對基礎較好且有興趣的學生，可以適當提高課程設計的難度，對基礎薄弱的學生可適當降低課程設計難度，這有利于學生的個體化發展。

2.5 完善實驗考核方式，培養學生的綜合素質

只有采用科學合理的考核方式才能在激發學生學習興趣的同時，對學生學習效果進行更公正評價，因此在工業控制器實驗教學環節的考核方式上也進行了一些改革。傳統的評分標準只包括實驗報告成績和平時成績兩部分，使得實驗報告成為主要的考核依據。為了使學生重視實驗過程，改革后的評分標準包括了4個部分:課程設計成績占考核的50（其中選題與方案設計占20，答辯過程占15，設計報告占15）、實驗操作成績（20）、實驗報告成績（15）和平時成績（15）。新的考核方式不僅能考查學生撰寫報告的能力，同時考察了方案設計、解決實際問題和程序調試等方面的綜合能力。采用新的考核方式后，學生學習的積極性和創造性都有明顯提高。

2.6 以學促賽，以賽促學

自該實驗教學體系使用以來學生學習工業控制器的興趣提高了，學生的學習由被動變成了主動學習，課程設計的難度及完成質量都有很大的提高。大部分學生除了完成正常課堂項目任務外，還積極參與到課外創新實踐項目，如創新創業項目、大學生創客工作室和創新俱樂部等，提高了學生工業控制器應用能力和學科綜合素養，有利于學生參加競賽和就業。采用新教學體系后越來越多的學生報名參加省級及國家級電子設計競賽以及“西門子杯”工業自動化挑戰賽，獲獎層次和數量都有所提高。

3 結束語

實驗教學在工業控制器原理與應用課程的教學中占有重要地位，本文以激發學生的學習積極性和創造性、提高學生的實踐能力和創新能力為根本出發點，綜合了多種實驗教學形式的優點，建立了包含基礎型、提高型、綜合應用型實驗的分階段、多層次的實驗教學體系。實踐證明，使用新的教學體系后，一定程度上促進了理論教學，有效提高了學生運用工業控制器進行軟硬件設計的綜合能力及創新能力。

［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］李潔，李衛兵，杜玉杰.《單片機原理及應用》實驗教學改革與實踐［J］.實驗科學與技術，2012，10（4）: 92-94.

［4］蔣存波，陳小琴，金紅.提高單片機教學效果的實驗教學方法探討［J］.電氣電工教學學報，2006，28（3）: 108-110.

［5］張業民，李光提，黃在范.提高學生綜合、設計性實驗能力的探索［J］.實驗科學與技術，2010，8（2）: 97-163.

［6］辛光紅.單片機實驗教學研究［J］.實驗科學與技術，2011，9（6）:72-73.

［7］王海燕，楊艷華.Proteus和Keil軟件在單片機實驗教學中的應用［J］.實驗室研究與探索，2012，31（5）:88-91.

［8］田運生，劉維華，王景春.綜合性設計性實驗項目建設的探索與實踐［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）: 126-129.

［9］張霓.關于“單片機原理及應用”課程教學改革的幾點思考［J］.電氣電子教學學報，2004，26（5）:21-23.

［10］陳玉霞，林峰，陳文，等.激發學生主體性，提高實驗教學質量［J］.實驗技術與管理，2011，28（7）: 147-150.

［11］陳亮.單片機課程的教學改革［J］.實驗室研究與探索，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

電子科技大學教學改革研究項目（2015XJYZC027）。

肖 茜（1988-），女，碩士，助理工程師，主要從事電控制與自動化、機電一體化技術等方面的研究。