自動化專業程序設計類課程創新型教學模式探索

周凱波,　鄒育桃,　何頂新,　周純杰,　彭　剛

(華中科技大學 自動化學院, 武漢 430074)

0　引　言

為實現我國從制造大國向制造強國的轉變，2015年5月，國務院印發“中國制造2025”。其主線是信息化與工業化的深度融合，互聯網與傳統工業的融合，這是我國新一輪制造發展的制高點，將會驅動我國制造向智造加速轉變。無論是“工業4.0”還是“中國制造2025”，其本質都是要實現“互聯網+制造業”的智能生產，形成開放的全球化的工業網絡[1-3]。

“中國制造2025”對自動化專業人才在創新引領和主動作為等方面提出新的要求。在當今自動化設備硬件系統平臺日趨成熟的情況下，軟件當自不讓的成為“工業4.0”標準下自動化設備的靈魂。為匹配“中國制造2025”對自動化類專業相關靈魂工程師的人才需求，本文結合自動化專業的特點，研究并實踐了一種培養自動化專業“程序設計”創新型人才教學模式，力圖在提高程序設計課程教學質量的前提下，努力培養具備計算思維及自主編程能力、具備獨立分析與解決問題能力的自動化專業高素質創新型與研究型人才[4-6]。

1　自動化專業程序設計類課程教學現狀分析

在國外許多國家都很重視實踐教學對學生能力與素質的培養。他們的程序設計類課程教學就非常注重學生創新實踐能力的培養。創新能力主要體現在學生自主解決問題的方法和算法上，實踐體現在學生解決實際問題的能力上[7-11]。程序設計與訓練更強調過程、強調實踐能力，給人一種簡單、樸實、清晰的感覺。國內傳統的教育模式導致了我國的教育理念、內容與方法在培養學生的創新學習與實踐能力嚴重不足[12-16]。筆者從近10年實際授課情況來看教學中存在的問題主要有：① 目前授課的教學模式是以教師為中心的注入式模式，教學方法主要采用講授法和提問法，學生處于被動學習狀態，參與度低，學習興趣不高；② 現有課程建設、課程設計建設、學生參加二課活動以及學生參加競賽基本上獨立進行，少有將四項活動綜合到一起的建設模式；③ 目前自動化類學生教學培養模式不能很好地與社會實際需求相匹配，教學內容與培養方式不能與時俱進。

2　程序設計類課程教學改革

2.1　目的與思路

我們進行程序設計類教學改革的目的主要體現在：① 使學生既能學習規范、系統的程序設計基礎知識，又使學習具有趣味、刺激和競爭，鍛煉學生的知識綜合運用能力、面向實際應用的動手實踐能力、自主設計研究創新能力和團結協作社會交往能力；② 充分調動學生學習積極性，實現學生的自主學習；③ 激發學生的學習熱情和主觀能動性，使學生在興趣得到滿足的同時，達到知識掌握、能力提升和思維擴展的目的。

我院程序設計課程組成員在認真研究自動化類程序設計課程教育特點的基礎上，確立“加強基礎理論教學，突出實踐教學，注重培養學生實踐能力、創新能力和科研能力”的教學理念，提出按照“基于基礎—應用—磨煉—創新的學習和教學”這樣一個逐級遞進、金字塔式的學生學習和教師教學的教學模式展開程序設計語言的教學思路。教學模式從傳授知識轉為培養能力，考核更側重對實際能力的測試；這樣既打好學生基礎，又通過大量的應用實踐和復雜工程實踐來磨煉學生，注重學生思維方式和設計方法的培養和引導，進而提高學生的創新能力。在整個教學過程中(課堂教學、課程實驗、課程設計、設計大賽、基地二課科研等)，構建以應用為特征、以創新為核心的自動化專業程序設計類課程創新型的教學模式，如圖1所示。

圖1面向自動化專業的程序設計類課程創新型教學模式框架

2.2　程序設計類課程教學模式

2.2.1建立面向實際應用的層次化實踐教學

鑒于程序設計類課程實踐性強的特點，提出“課程實驗+課程設計+設計大賽+二課科研”層次化實踐模式，這種模式既能滿足各層次學生要求，又能選拔優秀人才。實踐教學更是立足于實際應用，課程設計實踐教學環節的所有課題，都來源于實際，例如公司員工信息管理系統、物流倉儲中心管理系統等。在二課科研實踐環節中，安排學生利用C語言從事智能小車控制系統開發、液位控制系統開發，都是具體的實際應用。

鑒于信息技術的高速發展，教材建設普遍落后于信息技術的現狀，在加強教材建設和課件更新同時，一方面，將老師的最新科研成果應用于實踐教學，構建多種綜合實驗與創新平臺：C語言課程設計平臺、嵌入式系統設計平臺、計算機網絡與工業控制網絡平臺等，每一個子平臺下面根據具體應用的要求又設計了若干個實驗小平臺；另一方面，加強與國際一流的自動化以及相關企業聯系，爭取國際優勢資源，聯合建立教學實驗室。由于國際大公司所提供的實驗設備大都是面向市場的最新信息技術產品，讓學生在學習期間就能直接接觸最先進的信息技術裝置與器件，跟蹤國外最新技術。在共建實驗室同時，根據課程體系，積極開展實驗教學改革，開發新的實驗和課程設計，直接為培養創新人才服務。先后與美國ROCKWELL、美國TI、日本RENESAS、德國Siemens等國際一流公司合作建立了5個聯合實驗室，和國內一家軟件企業建立聯合實驗室，新開設了嵌入式系統設計實驗和DSP原理及應用實驗，開設了高級軟件工程以及物流系統技術兩個大型課程設計，并面向自動化學院開設基于PLC的智能交通大型實驗，對提高學生的實驗動手能力起到了很好效果。

2.2.2“賽課結合”的研究型創新人才培養方案及實踐

為了使學生既能學習規范、系統的基礎知識，又使學習具有趣味、刺激和競爭，鍛煉學生的知識綜合運用能力、面向實際應用的動手實踐能力、自主設計研究創新能力和團結協作社會交往能力，從2005年開始，在C語言程序設計、C語言課程設計的基礎上，舉行C語言程序設計大賽，將課程學習與競賽相結合，取得了較好的學習效果，現已成為學校每年科技節的重要活動項目之一，吸引了各院系眾多學生參與，極大地提高了學生的程序設計興趣。在此基礎上，進一步將計算機網絡、電子線路設計及嵌入式系統等多門信息類課程與超級MCU模型車設計大賽、“飛思卡爾”杯智能汽車大賽及“思遠+1”杯全國機器人足球比賽相結合，全方位鍛煉學生的實踐能力。以“挑戰杯”、全國電子線路大賽和全國數學建模、全國機器人足球大賽、全國智能汽車比賽及各種國際著名公司組織的創新大賽等科技創新活動為平臺，讓部分特別優秀的學生走上國際或國內一流的競爭舞臺。

3　教學模式在程序設計類課程中的實踐

經過教學改革和多年來的教學實踐，自動化專業程序設計類課程及大學生創新基地建設取得了顯著的成效，不僅提高了控制學科在國內同行的知名度，而且在人才培養體系上擁有一系列的成果。

3.1　控制學科信息類核心課程建設成果喜人

積極進行教材建設，目前，已出版教材4本，《標準C語言程序設計及應用》獲2007年校優秀教材二等獎，《計算機網絡》入選“十一五”規劃教材，4人次申請到湖北省及校部教學研究項目，“C語言程序設計”2009年被評為校級精品課程，2010年被評為省級精品課程，在國內有一定的影響。

3.2　面向應用的多層次實踐教學模式惠及面廣

采用“課程基礎實驗+課程設計+設計大賽+學生二課科研”的培養模式，切實提高了各層次大學生的程序設計水平和實踐能力，C語言課程設計在校內有較好的口碑和評價，已被推薦至我校電工電子基地的精英班開設。C語言程序設計大賽已成為我校每年一度的科技節的重頭戲，吸引了全校學生的廣泛參與。自主開發的基于PLC的智能交通大型實驗裝置，面向全校開放，至今已連續8年，對提高學生的實驗動手能力起到了很好效果。與國際大公司成立5個聯合實驗室，開設課程設計，均已開設3年以上，惠及全校數以千計的學生。

3.3　賽課結合創新人才培養收獲頗豐

C語言程序設計大賽從2005年開始，連續舉辦7屆，現已吸引包括我校計算機學院、電信系、電力系等眾多院系的優秀學生參加，在校內外產生了較好的影響；從2007年開始，結合與國外聯合共建的實驗室，組織學生參加全國性的競技大賽，參賽人數從最初的幾組到現在的幾十組，學生覆蓋了學校的電類主要院系，最近連續2年包攬“瑞薩杯”超級MCU模型車設計大賽全國冠亞軍，多次在“飛思卡爾”杯智能汽車大賽及“思遠+1”杯全國機器人足球比賽中獲得一等獎，僅2010年全年基地50多人次獲得全國或賽區特等獎、一等獎等獎勵。

4　結　語

本文以提高教學質量和適應新時期創新人才培養目標所構建的“基礎-應用-磨煉-創新”4層遞進的人才培養模式，是符合教育規律的，可以在其他高校以及其他學科推廣應用；本文提出的自動化創新人才培養課程體系、教學內容與方法、實踐性教學環節以及創新實踐的較為完整的改革思路和做法，其實際效果證明對自動化專業及其他相關專業的創新教育有較好的推廣價值；本文所提到的研究過程中所產生的一批物化成果，如教材、課程設計的案例、教學方法等均可推廣應用于國內自動化專業教學。

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