自动化专业程序设计类课程创新型教学模式探索

周凯波,　邹育桃,　何顶新,　周纯杰,　彭　刚

(华中科技大学 自动化学院, 武汉 430074)

0　引　言

为实现我国从制造大国向制造强国的转变，2015年5月，国务院印发“中国制造2025”。其主线是信息化与工业化的深度融合，互联网与传统工业的融合，这是我国新一轮制造发展的制高点，将会驱动我国制造向智造加速转变。无论是“工业4.0”还是“中国制造2025”，其本质都是要实现“互联网+制造业”的智能生产，形成开放的全球化的工业网络[1-3]。

“中国制造2025”对自动化专业人才在创新引领和主动作为等方面提出新的要求。在当今自动化设备硬件系统平台日趋成熟的情况下，软件当自不让的成为“工业4.0”标准下自动化设备的灵魂。为匹配“中国制造2025”对自动化类专业相关灵魂工程师的人才需求，本文结合自动化专业的特点，研究并实践了一种培养自动化专业“程序设计”创新型人才教学模式，力图在提高程序设计课程教学质量的前提下，努力培养具备计算思维及自主编程能力、具备独立分析与解决问题能力的自动化专业高素质创新型与研究型人才[4-6]。

1　自动化专业程序设计类课程教学现状分析

在国外许多国家都很重视实践教学对学生能力与素质的培养。他们的程序设计类课程教学就非常注重学生创新实践能力的培养。创新能力主要体现在学生自主解决问题的方法和算法上，实践体现在学生解决实际问题的能力上[7-11]。程序设计与训练更强调过程、强调实践能力，给人一种简单、朴实、清晰的感觉。国内传统的教育模式导致了我国的教育理念、内容与方法在培养学生的创新学习与实践能力严重不足[12-16]。笔者从近10年实际授课情况来看教学中存在的问题主要有：① 目前授课的教学模式是以教师为中心的注入式模式，教学方法主要采用讲授法和提问法，学生处于被动学习状态，参与度低，学习兴趣不高；② 现有课程建设、课程设计建设、学生参加二课活动以及学生参加竞赛基本上独立进行，少有将四项活动综合到一起的建设模式；③ 目前自动化类学生教学培养模式不能很好地与社会实际需求相匹配，教学内容与培养方式不能与时俱进。

2　程序设计类课程教学改革

2.1　目的与思路

我们进行程序设计类教学改革的目的主要体现在：① 使学生既能学习规范、系统的程序设计基础知识，又使学习具有趣味、刺激和竞争，锻炼学生的知识综合运用能力、面向实际应用的动手实践能力、自主设计研究创新能力和团结协作社会交往能力；② 充分调动学生学习积极性，实现学生的自主学习；③ 激发学生的学习热情和主观能动性，使学生在兴趣得到满足的同时，达到知识掌握、能力提升和思维扩展的目的。

我院程序设计课程组成员在认真研究自动化类程序设计课程教育特点的基础上，确立“加强基础理论教学，突出实践教学，注重培养学生实践能力、创新能力和科研能力”的教学理念，提出按照“基于基础—应用—磨炼—创新的学习和教学”这样一个逐级递进、金字塔式的学生学习和教师教学的教学模式展开程序设计语言的教学思路。教学模式从传授知识转为培养能力，考核更侧重对实际能力的测试；这样既打好学生基础，又通过大量的应用实践和复杂工程实践来磨炼学生，注重学生思维方式和设计方法的培养和引导，进而提高学生的创新能力。在整个教学过程中(课堂教学、课程实验、课程设计、设计大赛、基地二课科研等)，构建以应用为特征、以创新为核心的自动化专业程序设计类课程创新型的教学模式，如图1所示。

图1面向自动化专业的程序设计类课程创新型教学模式框架

2.2　程序设计类课程教学模式

2.2.1建立面向实际应用的层次化实践教学

鉴于程序设计类课程实践性强的特点，提出“课程实验+课程设计+设计大赛+二课科研”层次化实践模式，这种模式既能满足各层次学生要求，又能选拔优秀人才。实践教学更是立足于实际应用，课程设计实践教学环节的所有课题，都来源于实际，例如公司员工信息管理系统、物流仓储中心管理系统等。在二课科研实践环节中，安排学生利用C语言从事智能小车控制系统开发、液位控制系统开发，都是具体的实际应用。

鉴于信息技术的高速发展，教材建设普遍落后于信息技术的现状，在加强教材建设和课件更新同时，一方面，将老师的最新科研成果应用于实践教学，构建多种综合实验与创新平台：C语言课程设计平台、嵌入式系统设计平台、计算机网络与工业控制网络平台等，每一个子平台下面根据具体应用的要求又设计了若干个实验小平台；另一方面，加强与国际一流的自动化以及相关企业联系，争取国际优势资源，联合建立教学实验室。由于国际大公司所提供的实验设备大都是面向市场的最新信息技术产品，让学生在学习期间就能直接接触最先进的信息技术装置与器件，跟踪国外最新技术。在共建实验室同时，根据课程体系，积极开展实验教学改革，开发新的实验和课程设计，直接为培养创新人才服务。先后与美国ROCKWELL、美国TI、日本RENESAS、德国Siemens等国际一流公司合作建立了5个联合实验室，和国内一家软件企业建立联合实验室，新开设了嵌入式系统设计实验和DSP原理及应用实验，开设了高级软件工程以及物流系统技术两个大型课程设计，并面向自动化学院开设基于PLC的智能交通大型实验，对提高学生的实验动手能力起到了很好效果。

2.2.2“赛课结合”的研究型创新人才培养方案及实践

为了使学生既能学习规范、系统的基础知识，又使学习具有趣味、刺激和竞争，锻炼学生的知识综合运用能力、面向实际应用的动手实践能力、自主设计研究创新能力和团结协作社会交往能力，从2005年开始，在C语言程序设计、C语言课程设计的基础上，举行C语言程序设计大赛，将课程学习与竞赛相结合，取得了较好的学习效果，现已成为学校每年科技节的重要活动项目之一，吸引了各院系众多学生参与，极大地提高了学生的程序设计兴趣。在此基础上，进一步将计算机网络、电子线路设计及嵌入式系统等多门信息类课程与超级MCU模型车设计大赛、“飞思卡尔”杯智能汽车大赛及“思远+1”杯全国机器人足球比赛相结合，全方位锻炼学生的实践能力。以“挑战杯”、全国电子线路大赛和全国数学建模、全国机器人足球大赛、全国智能汽车比赛及各种国际著名公司组织的创新大赛等科技创新活动为平台，让部分特别优秀的学生走上国际或国内一流的竞争舞台。

3　教学模式在程序设计类课程中的实践

经过教学改革和多年来的教学实践，自动化专业程序设计类课程及大学生创新基地建设取得了显著的成效，不仅提高了控制学科在国内同行的知名度，而且在人才培养体系上拥有一系列的成果。

3.1　控制学科信息类核心课程建设成果喜人

积极进行教材建设，目前，已出版教材4本，《标准C语言程序设计及应用》获2007年校优秀教材二等奖，《计算机网络》入选“十一五”规划教材，4人次申请到湖北省及校部教学研究项目，“C语言程序设计”2009年被评为校级精品课程，2010年被评为省级精品课程，在国内有一定的影响。

3.2　面向应用的多层次实践教学模式惠及面广

采用“课程基础实验+课程设计+设计大赛+学生二课科研”的培养模式，切实提高了各层次大学生的程序设计水平和实践能力，C语言课程设计在校内有较好的口碑和评价，已被推荐至我校电工电子基地的精英班开设。C语言程序设计大赛已成为我校每年一度的科技节的重头戏，吸引了全校学生的广泛参与。自主开发的基于PLC的智能交通大型实验装置，面向全校开放，至今已连续8年，对提高学生的实验动手能力起到了很好效果。与国际大公司成立5个联合实验室，开设课程设计，均已开设3年以上，惠及全校数以千计的学生。

3.3　赛课结合创新人才培养收获颇丰

C语言程序设计大赛从2005年开始，连续举办7届，现已吸引包括我校计算机学院、电信系、电力系等众多院系的优秀学生参加，在校内外产生了较好的影响；从2007年开始，结合与国外联合共建的实验室，组织学生参加全国性的竞技大赛，参赛人数从最初的几组到现在的几十组，学生覆盖了学校的电类主要院系，最近连续2年包揽“瑞萨杯”超级MCU模型车设计大赛全国冠亚军，多次在“飞思卡尔”杯智能汽车大赛及“思远+1”杯全国机器人足球比赛中获得一等奖，仅2010年全年基地50多人次获得全国或赛区特等奖、一等奖等奖励。

4　结　语

本文以提高教学质量和适应新时期创新人才培养目标所构建的“基础-应用-磨炼-创新”4层递进的人才培养模式，是符合教育规律的，可以在其他高校以及其他学科推广应用；本文提出的自动化创新人才培养课程体系、教学内容与方法、实践性教学环节以及创新实践的较为完整的改革思路和做法，其实际效果证明对自动化专业及其他相关专业的创新教育有较好的推广价值；本文所提到的研究过程中所产生的一批物化成果，如教材、课程设计的案例、教学方法等均可推广应用于国内自动化专业教学。

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