基于自动化应用型实践课程群的教学改革研究

金凌晨 顾新艳 谢鹏飞 张燕

摘要：随着中国制造的提出以及社会发展的需求，应用型人才的培养显得尤为重要。为了提高学生的实践动手技能，自动化专业的实践课程设计就显得尤为重要。文章主要阐述了在教授自动化实践课程的基础上形成了课程群的教学方式，通过课程群的耦合性以及课程间的融合提高了学生的动手能力。

关键词：课程群;项目式驱动;案例式教学;翻转课堂;综合性实验

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）13-0152-02

随着中国制造的提出以及社会发展的需求，应用型人才的培养显得尤为重要[1-2]。为了提高学生的实践动手技能，自动化专业的实践课程设计就显得尤为重要。文章主要阐述了笔者在通过项目式驱动、案例式教学以及翻转课堂等方法系统教授学生自动化实践课程的基础上，形成了相关实践课程的课程群，通过课程群的耦合性以及课程间的融合提高了学生的动手能力以及社会竞争力。此外通过实践教学、校内实训、创新创业竞赛为核心，以校内实训基地为支撑实现了“三位一体”的实践教学模式[3-4]。

1 实践课程群的设计

一个典型的开环控制系统如图1所示，一般通过传感器获取环境的信息，通过控制器进行处理，最后驱动伺服机构运动，处理的数据采集、处理以及显示有时候需要上位机软件实现。在整个系统设计中离不开数据采集、系统控制等，而软件是实现控制的主要方法。笔者所在的自动化专业中主要教授C程序设计、嵌入式系统、虚拟仪器以及机器人创新设计。这几门课程均由理论和实践两部分构成。

为了使得学生更好地掌握系统知识，对系列实践课程进行了改革。形成了实践课程群更好地促进学生对于知识的掌握和运用。如图2所示。在实际课程教授中不局限于实践课程群的课程，会综合运用自动化其他课程的知识和技术，譬如超声测距系统、红外避障系统则会运用到相关传感器技术。机器人设计则会应用到硬件设计、自动控制等多门课程知识。下面对于课程群内实践课程分别进行介绍。

（1） C程序设计

自动化专业C程序设计是后续课程如数据结构，嵌入式系统等的基础，也是学生接触的第一门编程类课程。为了提高学生学习的积极性以及督促学生学习，采取翻转课堂以及项目驱动式教学相结合。录制了课程相关的知识点视频，学生课外可以根据自己对知识的掌握有选择地学习相关视频来巩固知识点;通过设计一系列实际应用和课程相结合的实验提高学生的兴趣，部分设计实验如表1所示;通过举办院系C程序设计大赛提高学生的积极性和主动性。此外为了和后续课程融合，在课程中对于相关知识点着重讲解，比如函数指针在后续嵌入式课程会经常使用钩子函数，会有偏重地讲解，让学生练习。

（2） 嵌入式系统

嵌入式系统是自动化系统控制的核心，有各种控制器，比如ARM、FPGA、DSP等，课程选用了CORTEX-M3的控制板，实验室配备了LPC1768以及STM32F407两款CPU，相比较A系列面向高端应用以及R系列的面向实时应用，M系列面向的是各种嵌入式应用且价格也比较适合学生使用。实践教学采取循序渐进式教学，让学生从设计流水灯开始，按键实现各种花式流水灯控制，串口控制台实现数据终端显示以及LCD屏幕的显示等实验内容让学生掌握输入输出显示通信等模块，然后采用项目驱动式教学和翻转课堂式方法，让学生去完成一个项目作为大作业，每一位同学最后以教师的身份向所有同学讲解自己的工作，完成优秀的学生可以免试。通过此种方法，学生学习的积极性非常好，并且会主动请教老师遇到的问题。近年来学生完成过超声测距系统、温控系统、基于CORTEX-M3的自动购物车、贪吃蛇、俄罗斯方块等多种小项目，还有学生在完成项目的基础上在期刊上发表了论文。

（3） 机器人创新设计

2025制造发展就把机器人技术列为十大技术之一[5]。在机器人创新课程上融合了设计机器人需要用到的软硬件知识，传感器知识以及控制器、驱动机构、通信技术相关知识，指导学生搭建不同的机器人平台，通过多传感器控制机器人运行，为实现机器人的搭建，构造了对应的实验体系，学生在此基础上完成了一系列机器人的搭建，如图3所示。并且多次参加了全国机器人比赛，获得特等奖一次，一等奖八次的成绩。

（4） 虚拟仪器

虚拟仪器是NI公司开发的用于数据采集处理等工作的软件，课程中主要介绍了LabVIEW以及labwindows/CVI两部分内容，前者是图形化设计语言，后者为基于C的交互式开发平台。通过大量的案例给学生讲解虚拟仪器的使用，然后对应案例设计了基础实验让学生自己练习。同样，让学生以项目的形式完成一个指定项目或者教师认可难度的项目。为了实现实践课程的连贯性以及让学生综合使用各门课知识，设计了系列相同项目以及综合性项目，比如在嵌入式系统中实现的自动购物车、俄罗斯方块等项目，在虚拟仪器中同样设计了自动购物车以及俄罗斯方块、黑白棋等游戏。这样，学生可以对比两者之间的区别，在对比设计中更好地掌握课程内容。还设计了一些综合性课题，比如超声测距系统，在嵌入式中实现了显示屏显示实时距离，在虚拟仪器课程中通过无线模块采集超声数据，设计串口接收数据模块接收数据，设计图形界面显示数据。比如视觉图像处理系统，利用NI的视觉处理提供的软件，通过USB采集数据，然后通过视觉软件分析处理。

（5） 小结

通过这一系列的课程融合，前导课程有偏重地讲解后续课程的知识点，后续课程可以巩固前面课程的内容，达到培养自动化学生的系统知识。

2 校内实习实训和校外企业合作

每学期暑假开设机器人暑期校内实训班进行机器人相关技术培训，在校内一些基础课程实训的基础上，鼓励学生走出去，邀请中兴、华为等公司给学生做专业讲座，让部分学有余力的学生参加产学研合作的项目，如参加了研发公司工业物联网项目，目前正在有序设计中。

通过多种实践方式让学生了解社会需求，提升学生的应用能力。

3 实践课程与学科竞赛相融合

积极鼓励学生参加相应学科竞赛，实现“以赛促学”的目的，目前学生参加蓝桥杯、机器人设计大赛、电子设计大赛等多个国内比赛项目，获得一些成绩。如通过C程序的教学，学生有获得“蓝桥杯”一等奖。嵌入式系统教学学生发表论文两篇，参加机器人比赛获得特等奖一次，一等奖八次，二三等奖若干，发表相关学术论文7篇。参加2017江苏省电子设计大赛获得二等奖三項。学生设计了用于自动控制相关实验求解的自动控制系统虚拟仪器实验平台，可以求解根轨迹、稳定性等自动控制系统的内容，如图4所示。

4 小结

系统设计中改变了之前学生学习各门实践课程的孤立性，通过自动化专业的实践课程群设计以及一些项目，使得学生能够将所学知识融合成一个体系。相比较传统的实验教学中完成一些知识点的实验，本设计中项目式驱动和案例式教学能够提高学生的主观能动性。通过相同项目用不同的课程完成，加深了学生对于课程的认识。通过多门课程的结合完成的项目提高了学生的综合素质，也为学生在未来的工作或研究提供了一定的基础。实践成果表明了基于综合课程群实践课程的改革有一定的成效。

参考文献：

[1] 尹元元，柳思维.适应供应侧改革市场营销专业人才培养创新思考[J].教育现代化，2017，4（26）：5-7.

[2] 邵春燕，赵洪兵，黄秀娟，等.“工匠精神”视域下的应用型人才培育研究[J].产业与科技论坛，2019，18（7）：142-143.

[3]梁华勇，陈燕芬.应用型本科人才培养“4+6”模式多元化的探讨[J].科技创业.2015.8（20）：72-73.

[4] 叶安胜，周晓清，鄢涛，等.基于课程群的C语言综合改革实践与探索[J].计算机教育，2015（24）：107-111.

[5] 聂学俊.数控技术课程改革与实践[J].中国现代教育装备，2019（7）：34-36.

【通联编辑：王力】