基于新工科教育背景下的計算機語言課程教學(xué)改革探討*

姚汝賢，陳中顯

（黃淮學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 駐馬店463000）

一、引言

2017年2月18日，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，明確提出我國高等學(xué)校要加快發(fā)展一批新興工科專業(yè)，并推動現(xiàn)有工科專業(yè)的改革創(chuàng)新。計算機語言課程是新興工科專業(yè)和現(xiàn)有工科專業(yè)必不可缺的基礎(chǔ)專業(yè)課程，在新工科教育的發(fā)展過程中起到基石作用。計算機語言課程不僅是軟件工程、計算機科學(xué)與技術(shù)、信息管理與信息系統(tǒng)等專業(yè)的專業(yè)核心課程，也是機械類、電氣類、通信類等專業(yè)的主干課程，更是機器人、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興專業(yè)的必修課程。

計算機語言是人類與被控系統(tǒng)之間的橋梁，如何靈活、快速、精確地完成對被控對象的操控，取決于人類對計算機語言掌握的熟練度和實踐能力。

在當(dāng)今以市場為導(dǎo)向的應(yīng)用型技術(shù)人才教育背景下，只有重構(gòu)計算機語言教學(xué)的綜合體系，才能培養(yǎng)出適應(yīng)新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟發(fā)展的卓越計算機語言應(yīng)用人才，進而從計算機語言教學(xué)的角度，推動我國新工科教育的快速健康發(fā)展。

二、課程教學(xué)的體系建設(shè)

隨著近年來的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，傳統(tǒng)的計算機語言課程教學(xué)模式已無法滿足培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才的需求。因此，亟待進行計算機語言課程教學(xué)的改革和實踐。

圖1 計算機語言課程教學(xué)體系建設(shè)的整體框架

作為計算機語言課程教學(xué)改革和實踐的首要步驟，體系建設(shè)是進行理論教學(xué)、實踐方法和教學(xué)質(zhì)量評價的綱領(lǐng)。計算機語言課程教學(xué)體系建設(shè)的整體框架如圖1所示。

（1）需要制定完善的教學(xué)管理制度，包含教師和學(xué)生的管理、教學(xué)計劃、質(zhì)量管理、教學(xué)工具和資料的管理等。

（2）結(jié)合當(dāng)今重大市場產(chǎn)品的功能和特性，把計算機語言教學(xué)目標(biāo)融匯到實踐過程之中，從而明確培養(yǎng)工程科技人才的教學(xué)目標(biāo)。

（3）制定結(jié)構(gòu)合理、由易到難、循序漸進的教學(xué)內(nèi)容，并通過切合學(xué)生自身實際的教學(xué)方式，逐步培養(yǎng)學(xué)生對于計算機語言課程學(xué)習(xí)的興趣。通過參與工程項目的實踐活動，與社會力量和用人單位溝通交流，實現(xiàn)計算機語言技能與商業(yè)化、規(guī)模化的產(chǎn)品接軌，是整個教學(xué)活動的最終目的。因此，所有的計算機語言課程教學(xué)管理、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式，都是圍繞實踐活動制定的。充分地把計算機語言教學(xué)和實際工程應(yīng)用相結(jié)合，是培養(yǎng)卓越工程科技人才和踐行應(yīng)用型技術(shù)人才體系建設(shè)的關(guān)鍵。

（4）進行計算機語言課程教學(xué)的綜合評價。根據(jù)新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的需求以及區(qū)域經(jīng)濟的新特點，通過周期性地評價和對比取長補短，進一步修正和完善計算機語言教學(xué)體系建設(shè)。

三、理論教學(xué)

理論教學(xué)應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程科技類人才的自身特性，以學(xué)生志趣和理念為中心，引入與理論知識密切相關(guān)的產(chǎn)品案例，廣泛搭建以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為背景的理論教學(xué)平臺，使教師和學(xué)生都能充分認識到理論知識的重要性，并在對產(chǎn)品特性的認識過程中，掌握理論知識的重點和難點，從而達到理論教學(xué)的目的——把理論知識貫穿到“創(chuàng)意-創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)”的教育體系之中。

圖2 基于計算機語言課程的電機控制理論教學(xué)步驟

圖2是基于計算機語言課程的電機控制理論教學(xué)步驟。在項目驅(qū)動的情況下，使課堂理論教學(xué)由易到難、循序漸進地進行，最終能夠與市場產(chǎn)品達到融會貫通。具體步驟如下：

1.產(chǎn)品特性描述

電機控制理論，是一門非常不易掌握的電工類課程，基于計算機語言的電機控制理論，進一步增添了課程的抽象性和難度。因此，把與電機相關(guān)的創(chuàng)意產(chǎn)品（殘疾人電動車、老年人電動車等）納入到該課程理論教學(xué)的第一步，使師生們能夠直觀地認識電機運行的原理。電動車是人們?nèi)粘３鲂衅毡槭褂玫慕煌üぞ?，通過對電動車行駛過程中的速度和加速度操控，引出電動車的動力來源——電機，進而引出電機運行速度和加速度的大小，是建立在電流基礎(chǔ)上的（創(chuàng)新）。

2.基礎(chǔ)任務(wù)引導(dǎo)

大多數(shù)的時候，電動車在行駛過程中是非勻速的，并且在某些情況下需要瞬時加速度。因此，本步驟提出的項目驅(qū)動是：如何采用有效的方法，調(diào)整電動車在變速情況下的正常運行。鑒于此，引出電機速度和加速度的PI控制方法，在熟悉PI控制方法的理論公式推導(dǎo)基礎(chǔ)上，編寫計算機語言程序，驗證PI控制方法在電機運行速度控制過程中的可行性。

3.案例教學(xué)

為了更加直觀地理解PI控制方法和基于此編寫的計算機語言程序，把計算機語言程序下載到控制器之中，接通電源，通過改變參數(shù)P和I，觀察和測量電機運行速度和加速度數(shù)據(jù)，并與步驟2的仿真數(shù)據(jù)相比較，驗證PI控制方法在電機運行控制中的可行性。

4.任務(wù)難度升級

經(jīng)過步驟3的實測數(shù)據(jù)和步驟2的仿真數(shù)據(jù)比較，可以得出PI控制方法在電機運行速度和加速度的精準(zhǔn)控制方面，還有一定的缺點。在此基礎(chǔ)上，引出電機的內(nèi)模PID（比例-積分-微分）控制方法，該方法作為一種較為新興的電機控制方法，可以應(yīng)用到兩輪電動車、三輪電動車和四輪電動車之中，并保障電動車在行駛過程中所需的速度和加速度參數(shù)要求。在師生們掌握PI控制方法的基礎(chǔ)上，能夠很容易地掌握內(nèi)模PID控制方法，這充分體現(xiàn)了計算機語言課程教學(xué)循序漸進的特點。

5.理論教學(xué)總結(jié)

通過步驟4和3的比較和分析，可以得出內(nèi)模PID控制方法可以精準(zhǔn)地控制電機的運行速度和加速度，具有良好的目標(biāo)跟蹤特性、干擾抑制性和魯棒性。鑒于此，可以得出內(nèi)模PID控制方法在電動車行業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景和商業(yè)價值（創(chuàng)業(yè)）。

四、實踐方法

教學(xué)實踐是理論教學(xué)的延伸，只有通過實踐才可以對理論學(xué)習(xí)內(nèi)容進行修正、拓展和創(chuàng)新，從而為理論知識應(yīng)用于市場產(chǎn)品，構(gòu)建基于產(chǎn)業(yè)需求的新工科專業(yè)，奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。實踐方法是否緊貼市場產(chǎn)品的特性，是否能夠成功地搭建理論知識與市場產(chǎn)品之間的橋梁，將會成為決定實踐效果是否良好的關(guān)鍵。圖3所示，是分別基于計算機語言程序的PI控制方法、PID控制方法和內(nèi)模PID控制方法，進行電機運行速度的調(diào)節(jié)，使電動車從啟動到穩(wěn)定速度的過程曲線。

分析圖3的“速度-時間”曲線，得到在上述三種控制方法的情況下電動車從啟動到穩(wěn)定運行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)比較，如表1所示。

圖3 電動車啟動到穩(wěn)定速度的過程

依據(jù)電動車在道路上行駛的速度安全性進行分析可知：①速度的穩(wěn)定時間t3越小越好，因為時間t3越長，越不利于電動車的安全行駛；②電動車的行駛過程中，不允許出現(xiàn)峰值時間t2，因為電動車的瞬間速度大于司機的操控速度，將會給電動車和司乘人員帶來極大的安全隱患；③雖然PI控制方法的上升時間t1較小，但其峰值時間t2和穩(wěn)定時間t3占絕對劣勢。因此，綜合分析可知內(nèi)模PID控制方法更適合應(yīng)用到電動車市場之中。

綜上所述，把計算機語言程序應(yīng)用到電動車的安全行駛過程中，通過分析電動車的運行速度，得出內(nèi)模PID控制方法更加適合應(yīng)用到電動車產(chǎn)品之中。這種理論與市場產(chǎn)品相結(jié)合的實踐教學(xué)方法，跨越了實驗室的特定環(huán)境，直接提高了師生對于計算機語言課程的認識度和掌握度，非常適合培養(yǎng)卓越的工程科技人才，并踐行了新工科教育教學(xué)方式建設(shè)和應(yīng)用型技術(shù)人才培養(yǎng)的宗旨。

表1 三種控制方法的比較

五、教學(xué)質(zhì)量評價

計算機語言課程的教學(xué)質(zhì)量評價，是促進課程改革、提升相關(guān)行業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和工程思維的有利方式。教學(xué)質(zhì)量評價主要是針對教學(xué)管理、理論教學(xué)和實踐教學(xué)的評價，如圖4所示。其中，教學(xué)管理的評價由教師和學(xué)生完成。通過對教學(xué)過程中的各種規(guī)章制度、設(shè)備設(shè)施儀器、檔案資料以及教學(xué)獎勵措施進行評價和建議，完善教學(xué)管理措施，使之能夠切實在教學(xué)改革過程中發(fā)揮管理和服務(wù)的雙重功能。理論教學(xué)的評價，是檢驗執(zhí)教教師業(yè)務(wù)水平的關(guān)鍵因素之一。

通過對執(zhí)教教師的課堂教學(xué)活動、教案、教學(xué)進度計劃表以及課下作業(yè)等進行檢查和指導(dǎo)，可以提高執(zhí)教教師的業(yè)務(wù)水平；通過學(xué)生評課，可以完善執(zhí)教教師在課堂教學(xué)中的不足之處，也有利于執(zhí)教教師掌握課堂學(xué)情，達到因材施教的效果。

實踐教學(xué)評價這一環(huán)節(jié)，是檢驗理論教學(xué)知識是否緊跟市場重大產(chǎn)品的唯一標(biāo)準(zhǔn)，是培養(yǎng)應(yīng)用型工程科技人才的關(guān)鍵。因此，通過三次的實踐教學(xué)評價（其中的二次評價和三次評價由從事本專業(yè)工作的學(xué)生完成），以及企業(yè)用人單位的評價，可以及時發(fā)現(xiàn)市場重大產(chǎn)品與專業(yè)理論知識的銜接度，并促進實踐教學(xué)的改進和完善。

圖4 教學(xué)質(zhì)量評價

六、結(jié)束語

計算機語言課程是軟件類、計算機類相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程之一，也是電氣類、機械類等一批傳統(tǒng)工科專業(yè)建立新的專業(yè)結(jié)構(gòu)、教學(xué)模式、人才培養(yǎng)體系過程中必不可少的一門課程，其應(yīng)用較為廣泛，并具有很強的實踐性，對相關(guān)專業(yè)學(xué)生的工程技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)起著非常重要的作用。

本文從體系建設(shè)、理論教學(xué)、實踐方法和教學(xué)質(zhì)量評價等方面，提出了與當(dāng)今重大市場產(chǎn)品有機結(jié)合起來的計算機語言課程教學(xué)改革模式。此教學(xué)改革模式增強了學(xué)生把理論知識應(yīng)用于實踐的能力，開拓了理論課程的視野，為實現(xiàn)新工科背景下對于卓越工程科技人才的培養(yǎng)，以及踐行應(yīng)用型技術(shù)大學(xué)的教育方法，奠定了良好的基礎(chǔ)。