金凌晨 顧新艷 謝鵬飛 張燕

摘要：隨著中國(guó)制造的提出以及社會(huì)發(fā)展的需求，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)顯得尤為重要。為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手技能，自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐課程設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。文章主要闡述了在教授自動(dòng)化實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上形成了課程群的教學(xué)方式，通過課程群的耦合性以及課程間的融合提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：課程群;項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng);案例式教學(xué);翻轉(zhuǎn)課堂;綜合性實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）13-0152-02

隨著中國(guó)制造的提出以及社會(huì)發(fā)展的需求，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)顯得尤為重要[1-2]。為了提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手技能，自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐課程設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。文章主要闡述了筆者在通過項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)、案例式教學(xué)以及翻轉(zhuǎn)課堂等方法系統(tǒng)教授學(xué)生自動(dòng)化實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上，形成了相關(guān)實(shí)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(xué)生的動(dòng)手能力以及社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力。此外通過實(shí)踐教學(xué)、校內(nèi)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽為核心，以校內(nèi)實(shí)訓(xùn)基地為支撐實(shí)現(xiàn)了“三位一體”的實(shí)踐教學(xué)模式[3-4]。

1 實(shí)踐課程群的設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的開環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，一般通過傳感器獲取環(huán)境的信息，通過控制器進(jìn)行處理，最后驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，處理的數(shù)據(jù)采集、處理以及顯示有時(shí)候需要上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中離不開數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制等，而軟件是實(shí)現(xiàn)控制的主要方法。筆者所在的自動(dòng)化專業(yè)中主要教授C程序設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、虛擬儀器以及機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)。這幾門課程均由理論和實(shí)踐兩部分構(gòu)成。

為了使得學(xué)生更好地掌握系統(tǒng)知識(shí)，對(duì)系列實(shí)踐課程進(jìn)行了改革。形成了實(shí)踐課程群更好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)于知識(shí)的掌握和運(yùn)用。如圖2所示。在實(shí)際課程教授中不局限于實(shí)踐課程群的課程，會(huì)綜合運(yùn)用自動(dòng)化其他課程的知識(shí)和技術(shù)，譬如超聲測(cè)距系統(tǒng)、紅外避障系統(tǒng)則會(huì)運(yùn)用到相關(guān)傳感器技術(shù)。機(jī)器人設(shè)計(jì)則會(huì)應(yīng)用到硬件設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制等多門課程知識(shí)。下面對(duì)于課程群內(nèi)實(shí)踐課程分別進(jìn)行介紹。

（1） C程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)化專業(yè)C程序設(shè)計(jì)是后續(xù)課程如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，嵌入式系統(tǒng)等的基礎(chǔ)，也是學(xué)生接觸的第一門編程類課程。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性以及督促學(xué)生學(xué)習(xí)，采取翻轉(zhuǎn)課堂以及項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)相結(jié)合。錄制了課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)視頻，學(xué)生課外可以根據(jù)自己對(duì)知識(shí)的掌握有選擇地學(xué)習(xí)相關(guān)視頻來鞏固知識(shí)點(diǎn);通過設(shè)計(jì)一系列實(shí)際應(yīng)用和課程相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的興趣，部分設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表1所示;通過舉辦院系C程序設(shè)計(jì)大賽提高學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。此外為了和后續(xù)課程融合，在課程中對(duì)于相關(guān)知識(shí)點(diǎn)著重講解，比如函數(shù)指針在后續(xù)嵌入式課程會(huì)經(jīng)常使用鉤子函數(shù)，會(huì)有偏重地講解，讓學(xué)生練習(xí)。

（2） 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)室配備了LPC1768以及STM32F407兩款CPU，相比較A系列面向高端應(yīng)用以及R系列的面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用，M系列面向的是各種嵌入式應(yīng)用且價(jià)格也比較適合學(xué)生使用。實(shí)踐教學(xué)采取循序漸進(jìn)式教學(xué)，讓學(xué)生從設(shè)計(jì)流水燈開始，按鍵實(shí)現(xiàn)各種花式流水燈控制，串口控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端顯示以及LCD屏幕的顯示等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容讓學(xué)生掌握輸入輸出顯示通信等模塊，然后采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂式方法，讓學(xué)生去完成一個(gè)項(xiàng)目作為大作業(yè)，每一位同學(xué)最后以教師的身份向所有同學(xué)講解自己的工作，完成優(yōu)秀的學(xué)生可以免試。通過此種方法，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性非常好，并且會(huì)主動(dòng)請(qǐng)教老師遇到的問題。近年來學(xué)生完成過超聲測(cè)距系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、基于CORTEX-M3的自動(dòng)購(gòu)物車、貪吃蛇、俄羅斯方塊等多種小項(xiàng)目，還有學(xué)生在完成項(xiàng)目的基礎(chǔ)上在期刊上發(fā)表了論文。

（3） 機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2025制造發(fā)展就把機(jī)器人技術(shù)列為十大技術(shù)之一[5]。在機(jī)器人創(chuàng)新課程上融合了設(shè)計(jì)機(jī)器人需要用到的軟硬件知識(shí)，傳感器知識(shí)以及控制器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、通信技術(shù)相關(guān)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生搭建不同的機(jī)器人平臺(tái)，通過多傳感器控制機(jī)器人運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的搭建，構(gòu)造了對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系，學(xué)生在此基礎(chǔ)上完成了一系列機(jī)器人的搭建，如圖3所示。并且多次參加了全國(guó)機(jī)器人比賽，獲得特等獎(jiǎng)一次，一等獎(jiǎng)八次的成績(jī)。

（4） 虛擬儀器

虛擬儀器是NI公司開發(fā)的用于數(shù)據(jù)采集處理等工作的軟件，課程中主要介紹了LabVIEW以及l(fā)abwindows/CVI兩部分內(nèi)容，前者是圖形化設(shè)計(jì)語言，后者為基于C的交互式開發(fā)平臺(tái)。通過大量的案例給學(xué)生講解虛擬儀器的使用，然后對(duì)應(yīng)案例設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生自己練習(xí)。同樣，讓學(xué)生以項(xiàng)目的形式完成一個(gè)指定項(xiàng)目或者教師認(rèn)可難度的項(xiàng)目。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)踐課程的連貫性以及讓學(xué)生綜合使用各門課知識(shí)，設(shè)計(jì)了系列相同項(xiàng)目以及綜合性項(xiàng)目，比如在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)購(gòu)物車、俄羅斯方塊等項(xiàng)目，在虛擬儀器中同樣設(shè)計(jì)了自動(dòng)購(gòu)物車以及俄羅斯方塊、黑白棋等游戲。這樣，學(xué)生可以對(duì)比兩者之間的區(qū)別，在對(duì)比設(shè)計(jì)中更好地掌握課程內(nèi)容。還設(shè)計(jì)了一些綜合性課題，比如超聲測(cè)距系統(tǒng)，在嵌入式中實(shí)現(xiàn)了顯示屏顯示實(shí)時(shí)距離，在虛擬儀器課程中通過無線模塊采集超聲數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)串口接收數(shù)據(jù)模塊接收數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)圖形界面顯示數(shù)據(jù)。比如視覺圖像處理系統(tǒng)，利用NI的視覺處理提供的軟件，通過USB采集數(shù)據(jù)，然后通過視覺軟件分析處理。

（5） 小結(jié)

通過這一系列的課程融合，前導(dǎo)課程有偏重地講解后續(xù)課程的知識(shí)點(diǎn)，后續(xù)課程可以鞏固前面課程的內(nèi)容，達(dá)到培養(yǎng)自動(dòng)化學(xué)生的系統(tǒng)知識(shí)。

2 校內(nèi)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)和校外企業(yè)合作

每學(xué)期暑假開設(shè)機(jī)器人暑期校內(nèi)實(shí)訓(xùn)班進(jìn)行機(jī)器人相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，在校內(nèi)一些基礎(chǔ)課程實(shí)訓(xùn)的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生走出去，邀請(qǐng)中興、華為等公司給學(xué)生做專業(yè)講座，讓部分學(xué)有余力的學(xué)生參加產(chǎn)學(xué)研合作的項(xiàng)目，如參加了研發(fā)公司工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，目前正在有序設(shè)計(jì)中。

通過多種實(shí)踐方式讓學(xué)生了解社會(huì)需求，提升學(xué)生的應(yīng)用能力。

3 實(shí)踐課程與學(xué)科競(jìng)賽相融合

積極鼓勵(lì)學(xué)生參加相應(yīng)學(xué)科競(jìng)賽，實(shí)現(xiàn)“以賽促學(xué)”的目的，目前學(xué)生參加藍(lán)橋杯、機(jī)器人設(shè)計(jì)大賽、電子設(shè)計(jì)大賽等多個(gè)國(guó)內(nèi)比賽項(xiàng)目，獲得一些成績(jī)。如通過C程序的教學(xué)，學(xué)生有獲得“藍(lán)橋杯”一等獎(jiǎng)。嵌入式系統(tǒng)教學(xué)學(xué)生發(fā)表論文兩篇，參加機(jī)器人比賽獲得特等獎(jiǎng)一次，一等獎(jiǎng)八次，二三等獎(jiǎng)若干，發(fā)表相關(guān)學(xué)術(shù)論文7篇。參加2017江蘇省電子設(shè)計(jì)大賽獲得二等獎(jiǎng)三項(xiàng)。學(xué)生設(shè)計(jì)了用于自動(dòng)控制相關(guān)實(shí)驗(yàn)求解的自動(dòng)控制系統(tǒng)虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以求解根軌跡、穩(wěn)定性等自動(dòng)控制系統(tǒng)的內(nèi)容，如圖4所示。

4 小結(jié)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中改變了之前學(xué)生學(xué)習(xí)各門實(shí)踐課程的孤立性，通過自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)踐課程群設(shè)計(jì)以及一些項(xiàng)目，使得學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)融合成一個(gè)體系。相比較傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中完成一些知識(shí)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)中項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)和案例式教學(xué)能夠提高學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過相同項(xiàng)目用不同的課程完成，加深了學(xué)生對(duì)于課程的認(rèn)識(shí)。通過多門課程的結(jié)合完成的項(xiàng)目提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，也為學(xué)生在未來的工作或研究提供了一定的基礎(chǔ)。實(shí)踐成果表明了基于綜合課程群實(shí)踐課程的改革有一定的成效。

參考文獻(xiàn)：

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