應用型自動化專業計算機課程體系建設與實踐

李 輝

（天津職業技術師范大學 自動化與電氣工程學院，天津 300222）

隨著計算機科學技術的飛速發展，智能化、網絡化、信息化控制系統正成為企業在激烈的市場競爭中走向成功的新型生產模式，以計算機為核心的智能儀器儀表及裝備已經占據了工業現場、進入人們的生活。顯然，擺在高等教育自動化專業面前的緊迫任務就是要適應這一新形勢，建設和更新計算機應用系列課程體系和內容，改進教學模式和方法，培養更多的符合社會需求的高級工程技術人才。筆者結合天津職業技術師范大學自動化專業的實際，按工程技術應用特點統籌規劃專業計算機應用系列課程的建設方案，提出教學體系改革的總體構思，其核心是提高對計算機應用系統的開發能力和解決實際工程問題的職場能力。

1 自動化專業計算機應用課程的主要特點

如今，應用型本科自動化專業人才的顯著特征是以能力為本位，主要面向生產型行業和先進制造企業的技術型崗位，應掌握與計算機應用密不可分的現代工業電氣自動化控制技術。面對人才市場的需求，使得本科自動化專業的計算機課程教學體系和內容具有與其他非計算機專業不同的特點［1］。

1.1 計算機技術滲透到專業課程中

應用型本科自動化專業從專業基礎課開始，各門課程就使用計算機應用軟件，先進的教學手段使學生不斷地接觸計算機技術在專業課程中應用方面的知識。例如，可以使用Multisim交互式地搭建各類電路原理圖并對電子電路進行仿真；使用集數值計算、數據分析、圖形圖像處理、信號檢測、建模編程等多種功能于一體的高性能軟件Matlab，可以進行科學研究和控制系統設計；使用Protel軟件制板，可以深入理解計算機接口技術及快速實現印制電路板的元件布局和走線設計。這充分顯示出應用軟件已融入各門專業課程中［2－3］。

1.2 軟硬件技術緊密結合

對于自動化專業來講，硬件是軟件的基礎。要構建一個完整的工業控制系統，離不開控制器、執行機構及其他被控對象，只偏向軟件設計、完全脫離硬件，就很難編寫出符合實際的計算機控制技術的工程應用程序。因此，自動化專業的學生除了具有計算機程序設計能力之外，還需要在計算機硬件方面有相當扎實的功底，即必須掌握好軟件與硬件兩方面的知識，加強兩者的融合，才能真正使軟硬件開發能力成為今后工程設計的堅實基礎。

1.3 網絡化控制系統發展迅速

網絡化控制系統是綜合自動化技術發展的必然趨勢，是控制技術、計算機技術和通信技術相結合的產物，是生產過程和控制系統規模擴大化、復雜化的需求。例如現場總線技術在各領域的普遍應用，企業對熟悉現場總線技術的人才需求也在不斷增加。為了培養熟悉現場總線技術并能熟練使用該技術的高技能應用型人才，滿足企業對生產現場自動控制的需求，自動化專業必須開設強調實際應用的現場總線控制技術課程，選取合適的教學內容和采用恰當的教學方法，以適應現代工業網絡化控制的強大優勢，提升可持續發展能力。

1.4 突出工程應用實踐

在自動化專業人才培養的過程中，實踐是提高大學生職業能力和創新能力的重要手段，培養學生計算機應用能力的教學是整個專業教學過程中的關鍵環節。學生在高年級更要處理好計算機技術中“理論”與“應用”的關系，特別是通過接觸工程應用領域的課題、項目、案例，進一步掌握計算機的基本原理和控制技術，結合研究和開發新的計算機控制系統，培養解決實際工程問題和承接工程項目的初步能力。

2 創建計算機應用系列課程教學體系

計算機系列課程是自動化專業的重要專業基礎課和專業課，學業中許多專業課都需要有堅實的計算機原理及應用基礎知識。因此，我校自動化專業調整了計算機系列課程，確定了由計算機文化及程序設計基礎、計算機組成原理及接口技術、PLC及嵌入式技術應用、計算機控制系統綜合提高、計算機技術工程設計實踐以及專業課涉及的自修應用軟件等構成的課程體系結構（圖1所示）。本體系結構是在保證大學階段計算機課程不斷線和保持應用性及先進性的同時，堅持將計算機技術應用教學和相關課外科技實踐活動貫穿于專業素質培養的全過程［4］。

圖1 計算機系列課程體系結構

2.1 計算機文化和程序設計基礎

目前，在我國中學教育階段已經普及計算機教育，大學一年級學生已具備了一定的計算機操作能力。因此，在諸如“認識計算機”、“Windows操作系統”、“使用互聯網”、“文字處理”、“電子表格應用”、“演示文稿制作”等內容上應該簡化課堂講授式教學，讓學生以任務驅動分模塊完成并掌握各個知識點。也可適當采用課外學習的方式，提高計算機操作水平［5］。

C語言是目前最流行、使用最廣泛的高級程序設計語言。對于自動化專業，C＋＋在實際應用中用到得很多，其面向對象的程序設計語言的課程教學，目的是讓學生掌握計算機語言和程序設計方法，具有從匯編語言到各種高級語言的適應能力。C＋＋具有編碼效率高、速度快、可操作硬件的特點，特別適用于自動化專業所需的實時操作及對硬件系統控制方面的運用。學生可結合一些數據結構的理論，進一步掌握典型應用的編程技巧［6］。

2.2 計算機硬件組成原理及接口技術

計算機硬件組成基本原理是自動化專業學生必須掌握的基礎知識。它主要描述計算機的體系結構、硬件電路的基本功能和特征、各功能部件（如寄存器、譯碼器、鎖存器等）的控制以及控制信號的邏輯關系、各可編程芯片的邏輯構成和信息傳輸關系、硬件電路的組成和擴展、電路設計方法。結合軟件編程，讓學生基本掌握微型計算機的工作原理和體系結構，為進一步深入學習和研究計算機的硬件電路打下良好的基礎。

接口技術對學生的硬件基礎要求較高，學生應該完全理解計算機的基本工作原理以及計算機各部件的基本結構和聯系［7］。為方便學生快速了解和掌握計算機硬件的本原，以51或AVR系列單片機為背景，將接口技術和計算機小系統制板結合起來。學生通過使用自己制作的單片機最小系統開發板，能對計算機控制系統結構有透徹的理解。

教學的過程是循序漸進的過程，采用“邊學邊做、邊做邊用、邊用邊學”的教學方法，達到知識融會貫通的學習效果。

2.3 PLC及嵌入式技術應用

PLC在工業控制領域保持著不可動搖的主流地位，它以特有的梯形圖程序指令替代以往字符代碼的編程形式，特別是功能指令和專用指令的應用，以及高可靠性、易于開發、擴展性好、通信簡單的優點，促使更多的自動化設備生產廠家在設計生產自動加工設備時首選PLC作為主控制器。正由于PLC具有方便、快速、直接實現工程現場控制的強大功能，它已成為自動化專業學生必修的應用型特色課程［8］。PLC課程教學采用原理、指令和實驗相融通的一體化教學模式，加大功能指令以及擴展模塊在典型生產設備中的綜合運用，讓學生在“真實的情境”中不斷增長知能。

嵌入式的教學是以ARM處理器為藍本，介紹嵌入式系統的硬件和操作系統原理，實時操作系統平臺采用linux、μC/OS－Ⅱ甚至 Android、iOS等［9］。教學中通過分析系統原理級用戶接口，將操作系統理論與實際應用密切結合，切實提高學生的計算機應用水平。配合安排大型綜合實驗，使學生掌握編制開發工程應用軟件的基本功，極大地提升學生的產品研發能力，拓展電子系統綜合設計的競爭力。如今，基于智能手機的控制裝置設計也引入到嵌入式實踐教學中。

2.4 計算機控制系統綜合提高

計算機控制系統是指計算機參與控制的閉環控制系統，其主要特點是理論難度較大、應用性很強。所以，教學中應從工程技術角度出發，突出基本理論、基本概念和基本方法，在掌握基本智能控制算法和典型系統解決方案的基礎上充入可視化組態技術，讓學生在實踐中學會使用組態軟件，能夠利用可視化軟件編寫組態程序，初步掌握組態界面設計技術，并進一步培養設計大型綜合智能信息及控制系統的能力［10］。

在計算機控制系統中，工業控制網絡技術的優勢越來越突出。對于分布式控制系統而言，通信網絡技術自然是工業控制局域網的關鍵之一。它以傳遞生產過程參數、狀態和協調生產信息為主，具有適應較惡劣的工業環境、高可靠性、強實時響應等能力［11］。該課程要通過工程實例講解應用軟件開發的分析、設計、編程調試和運行過程，例如結合生產流程和自動控制的典型案例，以及當今流行的物聯網實例。在網絡技術應用中，學生至少要全面掌握一種工業網絡通信協議。

2.5 計算機技術工程設計實踐

計算機技術工程設計實踐課程在職業技能訓練和專業綜合設計教學環節實施。職業技能訓練是集中7個教學周、在接近真實的工作情境下完成；專業綜合設計是在3周時間內學生們按下達任務自主完成，主要為學業的畢業設計打下實做基礎和為將來的就業崗位積累實踐經驗。

職業技能訓練是實現生產某種產品或裝配、檢修、調驗某種設備的實踐教學，是將學到的技術理論、實驗方法和設計經驗進行綜合實際應用的過程。自動化專業的學生就是要通過中級、高級甚至技師的職業資格技能培訓，在涉及單片機、PLC、直交流調速以及綜合控制系統的生產線安裝、調試、應用方面得到強化訓練，而這些都離不開計算機控制技術。

工業企業的自動化程度主要依賴于計算機控制的程度和儀器儀表的智能化程度。專業綜合設計就是把專業知識與計算機技術深度融合，將C語言、單片機、PLC、計算機控制及相關專業課程緊密結合的綜合應用，開展以學生自主式的小型測控系統或智能儀器儀表的設計、開發、檢測、調試。可編程控制器、工業控制網絡控制系統的運行、維護等計算機控制技術實踐教學，主要涉及計算機控制產品的生產、裝配、測試、銷售；計算機控制系統的軟硬件實現、現場安裝、調試和維護；計算機控制系統的管理、運行等［12］。經過計算機技術的實踐，學生在計算機語言、硬件電路、計算機仿真、界面設計以及通信、算法等技術方面，以及在典型計算機控制器及系統的工程應用方面，形成比較完整的知識結構和專業技能。

3 計算機技術應用及教學實踐的效果

“應用”是貫穿于計算機系列課程教學的重要指導思想，是課程建設和改革的關鍵因素。課程好比化學的基本元素，課程建設和改革始終離不開“應用”這個催化劑。“應用”不但使課程元素自身發生反應，而且交錯穿插于元素之間，使課程元素發生反應，該反應過程不僅改變了以單一的知識傳授為主的傳統教學模式，更重要的是創建了面向職場的基礎理論、綜合實驗、技能訓練、設計研發、創新活動為一體的任務驅動式課程體系，從而適應產業結構升級和新興產業涌現對新技術、新工藝、新方法的需求，提升了應用型人才的培養質量。

學校、教師和學生通過正確地使用“應用”，收到了顯著的教學效果：

（1）大力開展“實做”型綜合設計實踐，學生普遍感到學以致用，受益匪淺；

（2）全面開放計算機技術綜合實驗室，給學生提供了充分自主學習的空間；

（3）成立各類計算機技術應用興趣小組，大批學生踴躍參加每年的各類設計競賽，設計出了構思巧妙、新穎、實用的智能化小型電子產品，有許多專利申請已獲授權；

（4）在開發創新潛力的過程中，一批優秀人才脫穎而出，例如本專業大學生代表中國在世界技能機器人組的大賽中取得突出成績；

（5）在全國大學生電子設計競賽中多次獲獎，已有多支參賽隊獲全國一等獎和全國二等獎，在2013年“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品大賽中獲天津市特等獎和一等獎；

（6）2014年，本專業就業率達98%以上，其中多名科研能力強的畢業生自己創辦了科技型企業，運用平時跟教師一起搞科研時學到的技戰術本領承攬工程項目或開發產品。

4 結束語

自動化專業的計算機系列課程教學應跟蹤計算機技術的發展，及時了解計算機技術的發展趨勢和行業的發展動態，要密切注視當前及未來人才市場的社會就業需求，科學、靈活地調整、優化教學資源，明確本專業領域內計算機應用的主攻方向，突出“應用型”定位。同時，應進一步充實和更新教學內容和教學方法，強調學生的多方面的個性發展，多留給學生思維和創新的空間，讓學生們自覺地深入到實驗室和科技創新活動的實踐中去，從而實現一個知識層次逐漸遞進、內容銜接緊湊、學做用交叉的自動化專業計算機應用能力培養的課程體系。

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