基于自動化應用型實踐課程群的教學改革研究

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展的需求，應用型人才的培養顯得尤為重要。為了提高學生的實踐動手技能，自動化專業的實踐課程設計就顯得尤為重要。文章主要闡述了在教授自動化實踐課程的基礎上形成了課程群的教學方式，通過課程群的耦合性以及課程間的融合提高了學生的動手能力。

關鍵詞：課程群;項目式驅動;案例式教學;翻轉課堂;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展的需求，應用型人才的培養顯得尤為重要[1-2]。為了提高學生的實踐動手技能，自動化專業的實踐課程設計就顯得尤為重要。文章主要闡述了筆者在通過項目式驅動、案例式教學以及翻轉課堂等方法系統教授學生自動化實踐課程的基礎上，形成了相關實踐課程的課程群，通過課程群的耦合性以及課程間的融合提高了學生的動手能力以及社會競爭力。此外通過實踐教學、校內實訓、創新創業競賽為核心，以校內實訓基地為支撐實現了“三位一體”的實踐教學模式[3-4]。

1 實踐課程群的設計

一個典型的開環控制系統如圖1所示，一般通過傳感器獲取環境的信息，通過控制器進行處理，最后驅動伺服機構運動，處理的數據采集、處理以及顯示有時候需要上位機軟件實現。在整個系統設計中離不開數據采集、系統控制等，而軟件是實現控制的主要方法。筆者所在的自動化專業中主要教授C程序設計、嵌入式系統、虛擬儀器以及機器人創新設計。這幾門課程均由理論和實踐兩部分構成。

為了使得學生更好地掌握系統知識，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，譬如超聲測距系統、紅外避障系統則會運用到相關傳感器技術。機器人設計則會應用到硬件設計、自動控制等多門課程知識。下面對于課程群內實踐課程分別進行介紹。

（1） C程序設計

自動化專業C程序設計是后續課程如數據結構，嵌入式系統等的基礎，也是學生接觸的第一門編程類課程。為了提高學生學習的積極性以及督促學生學習，采取翻轉課堂以及項目驅動式教學相結合。錄制了課程相關的知識點視頻，學生課外可以根據自己對知識的掌握有選擇地學習相關視頻來鞏固知識點;通過設計一系列實際應用和課程相結合的實驗提高學生的興趣，部分設計實驗如表1所示;通過舉辦院系C程序設計大賽提高學生的積極性和主動性。此外為了和后續課程融合，在課程中對于相關知識點著重講解，比如函數指針在后續嵌入式課程會經常使用鉤子函數，會有偏重地講解，讓學生練習。

（2） 嵌入式系統

嵌入式系統是自動化系統控制的核心，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系列面向高端應用以及R系列的面向實時應用，M系列面向的是各種嵌入式應用且價格也比較適合學生使用。實踐教學采取循序漸進式教學，讓學生從設計流水燈開始，按鍵實現各種花式流水燈控制，串口控制臺實現數據終端顯示以及LCD屏幕的顯示等實驗內容讓學生掌握輸入輸出顯示通信等模塊，然后采用項目驅動式教學和翻轉課堂式方法，讓學生去完成一個項目作為大作業，每一位同學最后以教師的身份向所有同學講解自己的工作，完成優秀的學生可以免試。通過此種方法，學生學習的積極性非常好，并且會主動請教老師遇到的問題。近年來學生完成過超聲測距系統、溫控系統、基于CORTEX-M3的自動購物車、貪吃蛇、俄羅斯方塊等多種小項目，還有學生在完成項目的基礎上在期刊上發表了論文。

（3） 機器人創新設計

2025制造發展就把機器人技術列為十大技術之一[5]。在機器人創新課程上融合了設計機器人需要用到的軟硬件知識，傳感器知識以及控制器、驅動機構、通信技術相關知識，指導學生搭建不同的機器人平臺，通過多傳感器控制機器人運行，為實現機器人的搭建，構造了對應的實驗體系，學生在此基礎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公司開發的用于數據采集處理等工作的軟件，課程中主要介紹了LabVIEW以及labwindows/CVI兩部分內容，前者是圖形化設計語言，后者為基于C的交互式開發平臺。通過大量的案例給學生講解虛擬儀器的使用，然后對應案例設計了基礎實驗讓學生自己練習。同樣，讓學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。為了實現實踐課程的連貫性以及讓學生綜合使用各門課知識，設計了系列相同項目以及綜合性項目，比如在嵌入式系統中實現的自動購物車、俄羅斯方塊等項目，在虛擬儀器中同樣設計了自動購物車以及俄羅斯方塊、黑白棋等游戲。這樣，學生可以對比兩者之間的區別，在對比設計中更好地掌握課程內容。還設計了一些綜合性課題，比如超聲測距系統，在嵌入式中實現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據，設計串口接收數據模塊接收數據，設計圖形界面顯示數據。比如視覺圖像處理系統，利用NI的視覺處理提供的軟件，通過USB采集數據，然后通過視覺軟件分析處理。

（5） 小結

通過這一系列的課程融合，前導課程有偏重地講解后續課程的知識點，后續課程可以鞏固前面課程的內容，達到培養自動化學生的系統知識。

2 校內實習實訓和校外企業合作

每學期暑假開設機器人暑期校內實訓班進行機器人相關技術培訓，在校內一些基礎課程實訓的基礎上，鼓勵學生走出去，邀請中興、華為等公司給學生做專業講座，讓部分學有余力的學生參加產學研合作的項目，如參加了研發公司工業物聯網項目，目前正在有序設計中。

通過多種實踐方式讓學生了解社會需求，提升學生的應用能力。

3 實踐課程與學科競賽相融合

積極鼓勵學生參加相應學科競賽，實現“以賽促學”的目的，目前學生參加藍橋杯、機器人設計大賽、電子設計大賽等多個國內比賽項目，獲得一些成績。如通過C程序的教學，學生有獲得“藍橋杯”一等獎。嵌入式系統教學學生發表論文兩篇，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，發表相關學術論文7篇。參加2017江蘇省電子設計大賽獲得二等獎三項。學生設計了用于自動控制相關實驗求解的自動控制系統虛擬儀器實驗平臺，可以求解根軌跡、穩定性等自動控制系統的內容，如圖4所示。

4 小結

系統設計中改變了之前學生學習各門實踐課程的孤立性，通過自動化專業的實踐課程群設計以及一些項目，使得學生能夠將所學知識融合成一個體系。相比較傳統的實驗教學中完成一些知識點的實驗，本設計中項目式驅動和案例式教學能夠提高學生的主觀能動性。通過相同項目用不同的課程完成，加深了學生對于課程的認識。通過多門課程的結合完成的項目提高了學生的綜合素質，也為學生在未來的工作或研究提供了一定的基礎。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.適應供應側改革市場營銷專業人才培養創新思考[J].教育現代化，2017，4（26）：5-7.

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

[3]梁華勇，陳燕芬.應用型本科人才培養“4+6”模式多元化的探討[J].科技創業.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] 聶學俊.數控技術課程改革與實踐[J].中國現代教育裝備，2019（7）：34-36.

【通聯編輯：王力】