“现场总线技术及应用”课程教学改革初探

赵岚

摘 要：针对“现场总线技术及应用”课程的特点及教学要求，结合应用型本科院校的培养目标和学生学习特点，从教学内容、教学形式等方面探讨了该课程的理论与实践教学的改革方法。初步探索和教学实践证明该方法能激发学生的学习兴趣，加强学生的实践能力，从而提高本课程的教学质量。

关键词：现场总线 教学改革 实践

中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0119-02

“现场总线技术及应用”是为自动化及相关专业学生开设的专业选修课。这门课程的设置顺应了自动化领域技术发展的需求，反应了工业自动化领域的发展趋势和技术热点。课程目的是使学生掌握工业通信的基本原理和基础知识，了解当前业界自动化技术的发展动态和最新技术，通过学习几种应用广泛的总线系统的协议规范和开发知识，初步掌握分布式控制系统的设计方法，为今后工作和成为适应社会发展的应用型人才奠定必要的工程技术基础。

该文根据目前“现场总线技术及应用”课程的教学现状和面临的问题，提出了一些具体的教学改革措施，并在实际课程教学中加以实施，初步取得了良好的效果。

1 课程特点和教学现状

1.1 课程特点

首先是知识覆盖面广。现场总线是连接智能现场设备与控制系统的全数字、串行、多点通信系统，是一门集控制、通信、网络、计算机控制及智能仪表于一体的综合性技术，具有知识覆盖面广，实践应用性强的特点。“现场总线技术及应用”这门课程是学生在掌握了基础的控制理论之后开设的专业选修课，属于自动控制的前沿课程。其课程定位对学生的综合知识和能力提出了比较高的要求。先导课程包括控制理论和过程自动化，学生需通过进一步学习计算机网络和通信相关理论和知识，并在掌握特定的现场总线技术规范后，结合微处理器知识才能真正构建实施一个基于现场总线的控制网络。其次是技术更新快。现场总线技术的发展日新月异，目前世界上存在着大约四十余种现场总线，每种现场总线都具有自己的技术特性和占有各自的市场空间。在有限的学时数里，选择哪几种现场总线系统作为教学内容，以及每一种总线的学时数安排，教学内容的侧重点都是教学实践中要思考的重要问题。

1.2 教学现状

“现场总线技术及应用”是近几年才开设的专业课程，加上该课程的知识点比较分散不成系统的特点，没有太多的教学资源和教学经验可以借鉴。目前教学实践中的问题主要有以下方面。

（1）教学内容多，学时数少。现场总线技术知识点多，主要针对的学生多是自动化相关专业背景的，不具备相关的通信和计算机网络知识，因此对通信基础知识的补充是必不可少的。加上目前市场上主流的总线标准不统一，技术各具特色，应用领域各不相同，学生在32个学时内并不能完全掌握每一种总线类型。因此，必须有目的性地选择某一到两种总线规范作为重点，其余几种总线标准作为知识的扩充，使学生既熟练掌握某一两种总线类型的开发设计方法，又熟悉目前市面上流行的诸多总线的特性和应用。因此在选择总线类型和技术特性作为教学内容时，既要考虑总线的应用普及程度，也要考虑学生的实践难易程度。因此，在课时数有限的情况下，如何选取合适的教学内容，既能让学生掌握必要的理论知识，又能使学生积累一定的工程实践知识，是值得思考和探索的首要问题。

（2）教材涵盖面有限。目前，国内高校使用的主流教材仍是以阳宪惠编著的《现场总线技术及应用》[1]为代表，有别于介绍单一总线类型的，或侧重现场总线应用与开发的，该教材主要内容分为两部分：首先介绍了数据通信和控制网络的基本知识，然后重点介绍了一些具有代表性的现场总线。虽然该教材的涵盖面相对较广，但仍然存在一些不足。例如，对通信基础知识的阐述不够系统全面，对现场总线的分析和应用实例也较少，对现场总线的最新技术成果的体现也比较欠缺。这些不足，一方面不利于学生对系统知识的整体把握；另一方面不利于学生对现场总线技术的深入理解和实际应用，和对当前的总线技术趋势和前沿知识的了解。

（3）授课形式单一。课程授课仍以教师主体为中心，学生被动接受为主要授课模式。由于理论知识点多而分散，各种总线规范又各不相同，过多理论和细则方面的介绍容易使教和学的过程变得枯燥无趣。学生往往停留在对基本概念的识记，而缺乏一定的工程理解和认识。因此，如何设计合理的授课和互动模式，增加学生的参与度，让他们对课程产生兴趣，并且学以致用，把枯燥的理论知识运用到工程实践中，掌握基本的工业通信系统的开发方法，反过来，通过工程实践，进一步提升学生对理论知识的理解，提高分析和解决实际问题的能力，都是亟需改进的重要问题。

2 课程教学改革探索

针对目前的教学现状，结合该课程课时短而知识点覆盖面广、技术更新快的特点，我们做了如下尝试。

2.1 教学内容与时俱进

理论内容的编排主要包括以下部分。

（1）现场总线概述和工业网络相关知识。这一部分主要介绍现场总线的概念、发展历程、基本特点及工业网络体系结构。通过工业现场应用实例包括系统如何组建、布线，控制系统的功能块和组态让学生对现场总线的功能和系统结构有初步认识。

（2）计算机网络和通信基础知识。这部分内容主要包括通信系统基本组成，网络体系结构OSI参考模型，和模型各层相关技术及主要功能，例如数据编码技术，介质访问技术、差错控制技术等。自动化相关专业的学生并不具备基本的通信理论知识，而现场总线作为工业自动化中的通信技术和具体应用，因此这部分内容的补充是必不可少的。

（3）几种应用广泛的主流现场总线技术。工业应用广泛且学生较易掌握的总线标准如CAN、Profibus总线作为重点，总线技术的发展趋势和最新成果如CANopen[2]、Powerlink、etherCAT[3]等总线标准作为补充拓展。这部分代表现场总线技术发展方向的新兴标准在工业界已得到广泛应用，但在现有教材中并未涉及，因此这部分内容以多媒体PPT讲稿提供给学生打印，作为他们学习资料的重要来源。除此以外，鼓励学生查阅相关文献，了解相关总线技术国内外的研究和发展现状。在总线类型的学习过程中，授课内容和顺序还必须注意与通信基础理论衔接对应，如每种总线按OSI模型的层次依次介绍各层功能和特性，这样能使教学内容结构明了，条理清楚，学生对概念的掌握也会更牢固。

2.2 教学形式不拘一格

为了活跃课堂气氛，激发学生学习兴趣，不仅需要在教学内容上进行改革，还需要在授课形式的多样化上积极探索。

（1）充分利用多媒体进行启发式教学。对于理论性较强或较抽象的概念，通过视频，动画分解的方式描述复杂过程，让学生对此产生比较直观深刻的印象。如讲解计算机网络的体系结构中层次关系时，可以将数据从一台主机传输到另一台主机的过程，每经过一层时数据发生的变化情况，通过动画的方式描述。这样学生能对一个抽象概念产生深刻而清晰的印象，从而很好地理解为什么通信网络需要进行层次的划分，以及实体、服务、协议的概念和关系。同时通过提问和讨论的方式，启发学生思考问题，让学生充分参与课堂互动。并结合自己的课题，将总线相关的科研成果展示给学生。

除此以外，在Powerlink和etherCAT总线介绍的过程中，首次进行了双语教学的尝试。学科前沿课程是进行双语教学的良好平台，一方面学科前沿的最新成果通常是以英文形式呈现的；另一方面学生通过双语的方式学习专业课程，既提高了专业英语的阅读理解能力，也能更准确地把握对专业名词和知识要点的理解。通过作者一学期的教学尝试，发现学生对适当英文术语的补充接受度高，对英文形式的技术热点的学习兴趣浓厚。

（2）创新实践型教学。实践性强是本课程的另一特点，因此实践原则需贯穿教学过程的始终。实践性强的课时部分，如总线标准的理论和设计可以在实验室进行。授课内容可以结合实验项目进行调整，让学生可以边学理论边实践。通过完成一个具体的设计任务，让学生理解有关芯片功能，和基于该芯片的设计方法，实现一个小型的通信系统设计。这种方式，既能激发学生的学习兴趣，也让他们通过充分的实践获得一定的设计开发能力，从而较好地实现课程的教学目标。

如在学习CAN[4]总线一章的时候，通过应用实例介绍以CAN总线为纽带集成的车身控制和底盘控制系统，使学生对CAN总线的功能和整体构架有初步认识。接着，对应OSI模型的层次结构依次介绍CAN总线的各层功能，使学生对通信系统的层次概念更加清晰。在学习CAN控制器和接收器芯片时，学生结合微机原理和单片机知识，设计出CAN的节点电路，并对CAN控制器的初始化、发送和接收功能模块进行编程。

（3）安排见习实习机会。多数高校都在一些企业建立了长期合作关系，可以利用2个课时安排学生到企业见习，或在理论课程结束后到企业实习。通过向企业员工学习和听取专题报告，了解现场总线系统在工厂车间中的实际应用情况，还可以适当参与工业生产解决方案的设计开发工作，进一步认识现场总线系统的应用场合，通信原理和方法，掌握现场总线的理论和应用知识。

（4）考核方式多样化。现场总线技术及应用作为一门考查课程，考核办法和形式应该多样化，以体现学生的对所学知识的掌握程度和综合运用能力。总评成绩包含平时成绩、实验成绩和课程设计成绩。平时成绩根据出勤、作业、课堂提问、学习主动性等方面进行评价，课程设计则根据总体方案、硬件原理、软件框图等设计过程以及设计报告的质量来评价。这样的综合考查方式能充分调动学生的学习主动性，培养他们发现问题、解决问题的研究能力。

3 结语

教学改革的实施和教学目标的实现，除了教师自身专业素质的不断提高加强，还要积极思考教学改革创新的途径，改变教学理念，改革教学思路。该文根据现场总线技术及应用的课程特点和教学现状，从教学内容、教学形式上提出了一系列的实践和探索思路，初步取得了一些积极的成效。希望通过积极努力的探索，能进一步深化该课程的教学改革，从而能提高教学质量，培养出具有创新能力、独立思考能力、团队合作精神的高技术应用型人才。

参考文献

[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2] 蔡豪格.现场总线CANopen设计与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3] 郇极.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] 周立功.iCAN现场总线原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.