基于自動化應(yīng)用型實踐課程群的教學(xué)改革研究

金凌晨 顧新艷 謝鵬飛 張燕

摘要：隨著中國制造的提出以及社會發(fā)展的需求，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)顯得尤為重要。為了提高學(xué)生的實踐動手技能，自動化專業(yè)的實踐課程設(shè)計就顯得尤為重要。文章主要闡述了在教授自動化實踐課程的基礎(chǔ)上形成了課程群的教學(xué)方式，通過課程群的耦合性以及課程間的融合提高了學(xué)生的動手能力。

關(guān)鍵詞：課程群;項目式驅(qū)動;案例式教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;綜合性實驗

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）13-0152-02

隨著中國制造的提出以及社會發(fā)展的需求，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)顯得尤為重要[1-2]。為了提高學(xué)生的實踐動手技能，自動化專業(yè)的實踐課程設(shè)計就顯得尤為重要。文章主要闡述了筆者在通過項目式驅(qū)動、案例式教學(xué)以及翻轉(zhuǎn)課堂等方法系統(tǒng)教授學(xué)生自動化實踐課程的基礎(chǔ)上，形成了相關(guān)實踐課程的課程群，通過課程群的耦合性以及課程間的融合提高了學(xué)生的動手能力以及社會競爭力。此外通過實踐教學(xué)、校內(nèi)實訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽為核心，以校內(nèi)實訓(xùn)基地為支撐實現(xiàn)了“三位一體”的實踐教學(xué)模式[3-4]。

1 實踐課程群的設(shè)計

一個典型的開環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，一般通過傳感器獲取環(huán)境的信息，通過控制器進行處理，最后驅(qū)動伺服機構(gòu)運動，處理的數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示有時候需要上位機軟件實現(xiàn)。在整個系統(tǒng)設(shè)計中離不開數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等，而軟件是實現(xiàn)控制的主要方法。筆者所在的自動化專業(yè)中主要教授C程序設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)、虛擬儀器以及機器人創(chuàng)新設(shè)計。這幾門課程均由理論和實踐兩部分構(gòu)成。

為了使得學(xué)生更好地掌握系統(tǒng)知識，對系列實踐課程進行了改革。形成了實踐課程群更好地促進學(xué)生對于知識的掌握和運用。如圖2所示。在實際課程教授中不局限于實踐課程群的課程，會綜合運用自動化其他課程的知識和技術(shù)，譬如超聲測距系統(tǒng)、紅外避障系統(tǒng)則會運用到相關(guān)傳感器技術(shù)。機器人設(shè)計則會應(yīng)用到硬件設(shè)計、自動控制等多門課程知識。下面對于課程群內(nèi)實踐課程分別進行介紹。

（1） C程序設(shè)計

自動化專業(yè)C程序設(shè)計是后續(xù)課程如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)等的基礎(chǔ)，也是學(xué)生接觸的第一門編程類課程。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及督促學(xué)生學(xué)習(xí)，采取翻轉(zhuǎn)課堂以及項目驅(qū)動式教學(xué)相結(jié)合。錄制了課程相關(guān)的知識點視頻，學(xué)生課外可以根據(jù)自己對知識的掌握有選擇地學(xué)習(xí)相關(guān)視頻來鞏固知識點;通過設(shè)計一系列實際應(yīng)用和課程相結(jié)合的實驗提高學(xué)生的興趣，部分設(shè)計實驗如表1所示;通過舉辦院系C程序設(shè)計大賽提高學(xué)生的積極性和主動性。此外為了和后續(xù)課程融合，在課程中對于相關(guān)知識點著重講解，比如函數(shù)指針在后續(xù)嵌入式課程會經(jīng)常使用鉤子函數(shù)，會有偏重地講解，讓學(xué)生練習(xí)。

（2） 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是自動化系統(tǒng)控制的核心，有各種控制器，比如ARM、FPGA、DSP等，課程選用了CORTEX-M3的控制板，實驗室配備了LPC1768以及STM32F407兩款CPU，相比較A系列面向高端應(yīng)用以及R系列的面向?qū)崟r應(yīng)用，M系列面向的是各種嵌入式應(yīng)用且價格也比較適合學(xué)生使用。實踐教學(xué)采取循序漸進式教學(xué)，讓學(xué)生從設(shè)計流水燈開始，按鍵實現(xiàn)各種花式流水燈控制，串口控制臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)終端顯示以及LCD屏幕的顯示等實驗內(nèi)容讓學(xué)生掌握輸入輸出顯示通信等模塊，然后采用項目驅(qū)動式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂式方法，讓學(xué)生去完成一個項目作為大作業(yè)，每一位同學(xué)最后以教師的身份向所有同學(xué)講解自己的工作，完成優(yōu)秀的學(xué)生可以免試。通過此種方法，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性非常好，并且會主動請教老師遇到的問題。近年來學(xué)生完成過超聲測距系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、基于CORTEX-M3的自動購物車、貪吃蛇、俄羅斯方塊等多種小項目，還有學(xué)生在完成項目的基礎(chǔ)上在期刊上發(fā)表了論文。

（3） 機器人創(chuàng)新設(shè)計

2025制造發(fā)展就把機器人技術(shù)列為十大技術(shù)之一[5]。在機器人創(chuàng)新課程上融合了設(shè)計機器人需要用到的軟硬件知識，傳感器知識以及控制器、驅(qū)動機構(gòu)、通信技術(shù)相關(guān)知識，指導(dǎo)學(xué)生搭建不同的機器人平臺，通過多傳感器控制機器人運行，為實現(xiàn)機器人的搭建，構(gòu)造了對應(yīng)的實驗體系，學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成了一系列機器人的搭建，如圖3所示。并且多次參加了全國機器人比賽，獲得特等獎一次，一等獎八次的成績。

（4） 虛擬儀器

虛擬儀器是NI公司開發(fā)的用于數(shù)據(jù)采集處理等工作的軟件，課程中主要介紹了LabVIEW以及l(fā)abwindows/CVI兩部分內(nèi)容，前者是圖形化設(shè)計語言，后者為基于C的交互式開發(fā)平臺。通過大量的案例給學(xué)生講解虛擬儀器的使用，然后對應(yīng)案例設(shè)計了基礎(chǔ)實驗讓學(xué)生自己練習(xí)。同樣，讓學(xué)生以項目的形式完成一個指定項目或者教師認可難度的項目。為了實現(xiàn)實踐課程的連貫性以及讓學(xué)生綜合使用各門課知識，設(shè)計了系列相同項目以及綜合性項目，比如在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)的自動購物車、俄羅斯方塊等項目，在虛擬儀器中同樣設(shè)計了自動購物車以及俄羅斯方塊、黑白棋等游戲。這樣，學(xué)生可以對比兩者之間的區(qū)別，在對比設(shè)計中更好地掌握課程內(nèi)容。還設(shè)計了一些綜合性課題，比如超聲測距系統(tǒng)，在嵌入式中實現(xiàn)了顯示屏顯示實時距離，在虛擬儀器課程中通過無線模塊采集超聲數(shù)據(jù)，設(shè)計串口接收數(shù)據(jù)模塊接收數(shù)據(jù)，設(shè)計圖形界面顯示數(shù)據(jù)。比如視覺圖像處理系統(tǒng)，利用NI的視覺處理提供的軟件，通過USB采集數(shù)據(jù)，然后通過視覺軟件分析處理。

（5） 小結(jié)

通過這一系列的課程融合，前導(dǎo)課程有偏重地講解后續(xù)課程的知識點，后續(xù)課程可以鞏固前面課程的內(nèi)容，達到培養(yǎng)自動化學(xué)生的系統(tǒng)知識。

2 校內(nèi)實習(xí)實訓(xùn)和校外企業(yè)合作

每學(xué)期暑假開設(shè)機器人暑期校內(nèi)實訓(xùn)班進行機器人相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，在校內(nèi)一些基礎(chǔ)課程實訓(xùn)的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生走出去，邀請中興、華為等公司給學(xué)生做專業(yè)講座，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生參加產(chǎn)學(xué)研合作的項目，如參加了研發(fā)公司工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項目，目前正在有序設(shè)計中。

通過多種實踐方式讓學(xué)生了解社會需求，提升學(xué)生的應(yīng)用能力。

3 實踐課程與學(xué)科競賽相融合

積極鼓勵學(xué)生參加相應(yīng)學(xué)科競賽，實現(xiàn)“以賽促學(xué)”的目的，目前學(xué)生參加藍橋杯、機器人設(shè)計大賽、電子設(shè)計大賽等多個國內(nèi)比賽項目，獲得一些成績。如通過C程序的教學(xué)，學(xué)生有獲得“藍橋杯”一等獎。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)學(xué)生發(fā)表論文兩篇，參加機器人比賽獲得特等獎一次，一等獎八次，二三等獎若干，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文7篇。參加2017江蘇省電子設(shè)計大賽獲得二等獎三項。學(xué)生設(shè)計了用于自動控制相關(guān)實驗求解的自動控制系統(tǒng)虛擬儀器實驗平臺，可以求解根軌跡、穩(wěn)定性等自動控制系統(tǒng)的內(nèi)容，如圖4所示。

4 小結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計中改變了之前學(xué)生學(xué)習(xí)各門實踐課程的孤立性，通過自動化專業(yè)的實踐課程群設(shè)計以及一些項目，使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識融合成一個體系。相比較傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中完成一些知識點的實驗，本設(shè)計中項目式驅(qū)動和案例式教學(xué)能夠提高學(xué)生的主觀能動性。通過相同項目用不同的課程完成，加深了學(xué)生對于課程的認識。通過多門課程的結(jié)合完成的項目提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，也為學(xué)生在未來的工作或研究提供了一定的基礎(chǔ)。實踐成果表明了基于綜合課程群實踐課程的改革有一定的成效。

參考文獻：

[1] 尹元元，柳思維.適應(yīng)供應(yīng)側(cè)改革市場營銷專業(yè)人才培養(yǎng)創(chuàng)新思考[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（26）：5-7.

[2] 邵春燕，趙洪兵，黃秀娟，等.“工匠精神”視域下的應(yīng)用型人才培育研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（7）：142-143.

[3]梁華勇，陳燕芬.應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)“4+6”模式多元化的探討[J].科技創(chuàng)業(yè).2015.8（20）：72-73.

[4] 葉安勝，周曉清，鄢濤，等.基于課程群的C語言綜合改革實踐與探索[J].計算機教育，2015（24）：107-111.

[5] 聶學(xué)俊.數(shù)控技術(shù)課程改革與實踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2019（7）：34-36.

【通聯(lián)編輯：王力】