应用型自动化专业计算机课程体系建设与实践

2015-05-03李辉

实验技术与管理 2015年11期

李辉

（天津职业技术师范大学自动化与电气工程学院，天津 300222）

随着计算机科学技术的飞速发展，智能化、网络化、信息化控制系统正成为企业在激烈的市场竞争中走向成功的新型生产模式，以计算机为核心的智能仪器仪表及装备已经占据了工业现场、进入人们的生活。显然，摆在高等教育自动化专业面前的紧迫任务就是要适应这一新形势，建设和更新计算机应用系列课程体系和内容，改进教学模式和方法，培养更多的符合社会需求的高级工程技术人才。笔者结合天津职业技术师范大学自动化专业的实际，按工程技术应用特点统筹规划专业计算机应用系列课程的建设方案，提出教学体系改革的总体构思，其核心是提高对计算机应用系统的开发能力和解决实际工程问题的职场能力。

1 自动化专业计算机应用课程的主要特点

如今，应用型本科自动化专业人才的显著特征是以能力为本位，主要面向生产型行业和先进制造企业的技术型岗位，应掌握与计算机应用密不可分的现代工业电气自动化控制技术。面对人才市场的需求，使得本科自动化专业的计算机课程教学体系和内容具有与其他非计算机专业不同的特点［1］。

1.1 计算机技术渗透到专业课程中

应用型本科自动化专业从专业基础课开始，各门课程就使用计算机应用软件，先进的教学手段使学生不断地接触计算机技术在专业课程中应用方面的知识。例如，可以使用Multisim交互式地搭建各类电路原理图并对电子电路进行仿真；使用集数值计算、数据分析、图形图像处理、信号检测、建模编程等多种功能于一体的高性能软件Matlab，可以进行科学研究和控制系统设计；使用Protel软件制板，可以深入理解计算机接口技术及快速实现印制电路板的元件布局和走线设计。这充分显示出应用软件已融入各门专业课程中［2－3］。

1.2 软硬件技术紧密结合

对于自动化专业来讲，硬件是软件的基础。要构建一个完整的工业控制系统，离不开控制器、执行机构及其他被控对象，只偏向软件设计、完全脱离硬件，就很难编写出符合实际的计算机控制技术的工程应用程序。因此，自动化专业的学生除了具有计算机程序设计能力之外，还需要在计算机硬件方面有相当扎实的功底，即必须掌握好软件与硬件两方面的知识，加强两者的融合，才能真正使软硬件开发能力成为今后工程设计的坚实基础。

1.3 网络化控制系统发展迅速

网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物，是生产过程和控制系统规模扩大化、复杂化的需求。例如现场总线技术在各领域的普遍应用，企业对熟悉现场总线技术的人才需求也在不断增加。为了培养熟悉现场总线技术并能熟练使用该技术的高技能应用型人才，满足企业对生产现场自动控制的需求，自动化专业必须开设强调实际应用的现场总线控制技术课程，选取合适的教学内容和采用恰当的教学方法，以适应现代工业网络化控制的强大优势，提升可持续发展能力。

1.4 突出工程应用实践

在自动化专业人才培养的过程中，实践是提高大学生职业能力和创新能力的重要手段，培养学生计算机应用能力的教学是整个专业教学过程中的关键环节。学生在高年级更要处理好计算机技术中“理论”与“应用”的关系，特别是通过接触工程应用领域的课题、项目、案例，进一步掌握计算机的基本原理和控制技术，结合研究和开发新的计算机控制系统，培养解决实际工程问题和承接工程项目的初步能力。

2 创建计算机应用系列课程教学体系

计算机系列课程是自动化专业的重要专业基础课和专业课，学业中许多专业课都需要有坚实的计算机原理及应用基础知识。因此，我校自动化专业调整了计算机系列课程，确定了由计算机文化及程序设计基础、计算机组成原理及接口技术、PLC及嵌入式技术应用、计算机控制系统综合提高、计算机技术工程设计实践以及专业课涉及的自修应用软件等构成的课程体系结构（图1所示）。本体系结构是在保证大学阶段计算机课程不断线和保持应用性及先进性的同时，坚持将计算机技术应用教学和相关课外科技实践活动贯穿于专业素质培养的全过程［4］。

图1 计算机系列课程体系结构

2.1 计算机文化和程序设计基础

目前，在我国中学教育阶段已经普及计算机教育，大学一年级学生已具备了一定的计算机操作能力。因此，在诸如“认识计算机”、“Windows操作系统”、“使用互联网”、“文字处理”、“电子表格应用”、“演示文稿制作”等内容上应该简化课堂讲授式教学，让学生以任务驱动分模块完成并掌握各个知识点。也可适当采用课外学习的方式，提高计算机操作水平［5］。

C语言是目前最流行、使用最广泛的高级程序设计语言。对于自动化专业，C＋＋在实际应用中用到得很多，其面向对象的程序设计语言的课程教学，目的是让学生掌握计算机语言和程序设计方法，具有从汇编语言到各种高级语言的适应能力。C＋＋具有编码效率高、速度快、可操作硬件的特点，特别适用于自动化专业所需的实时操作及对硬件系统控制方面的运用。学生可结合一些数据结构的理论，进一步掌握典型应用的编程技巧［6］。

2.2 计算机硬件组成原理及接口技术

计算机硬件组成基本原理是自动化专业学生必须掌握的基础知识。它主要描述计算机的体系结构、硬件电路的基本功能和特征、各功能部件（如寄存器、译码器、锁存器等）的控制以及控制信号的逻辑关系、各可编程芯片的逻辑构成和信息传输关系、硬件电路的组成和扩展、电路设计方法。结合软件编程，让学生基本掌握微型计算机的工作原理和体系结构，为进一步深入学习和研究计算机的硬件电路打下良好的基础。

接口技术对学生的硬件基础要求较高，学生应该完全理解计算机的基本工作原理以及计算机各部件的基本结构和联系［7］。为方便学生快速了解和掌握计算机硬件的本原，以51或AVR系列单片机为背景，将接口技术和计算机小系统制板结合起来。学生通过使用自己制作的单片机最小系统开发板，能对计算机控制系统结构有透彻的理解。

教学的过程是循序渐进的过程，采用“边学边做、边做边用、边用边学”的教学方法，达到知识融会贯通的学习效果。

2.3 PLC及嵌入式技术应用

PLC在工业控制领域保持着不可动摇的主流地位，它以特有的梯形图程序指令替代以往字符代码的编程形式，特别是功能指令和专用指令的应用，以及高可靠性、易于开发、扩展性好、通信简单的优点，促使更多的自动化设备生产厂家在设计生产自动加工设备时首选PLC作为主控制器。正由于PLC具有方便、快速、直接实现工程现场控制的强大功能，它已成为自动化专业学生必修的应用型特色课程［8］。PLC课程教学采用原理、指令和实验相融通的一体化教学模式，加大功能指令以及扩展模块在典型生产设备中的综合运用，让学生在“真实的情境”中不断增长知能。

嵌入式的教学是以ARM处理器为蓝本，介绍嵌入式系统的硬件和操作系统原理，实时操作系统平台采用linux、μC/OS－Ⅱ甚至 Android、iOS等［9］。教学中通过分析系统原理级用户接口，将操作系统理论与实际应用密切结合，切实提高学生的计算机应用水平。配合安排大型综合实验，使学生掌握编制开发工程应用软件的基本功，极大地提升学生的产品研发能力，拓展电子系统综合设计的竞争力。如今，基于智能手机的控制装置设计也引入到嵌入式实践教学中。

2.4 计算机控制系统综合提高

计算机控制系统是指计算机参与控制的闭环控制系统，其主要特点是理论难度较大、应用性很强。所以，教学中应从工程技术角度出发，突出基本理论、基本概念和基本方法，在掌握基本智能控制算法和典型系统解决方案的基础上充入可视化组态技术，让学生在实践中学会使用组态软件，能够利用可视化软件编写组态程序，初步掌握组态界面设计技术，并进一步培养设计大型综合智能信息及控制系统的能力［10］。

在计算机控制系统中，工业控制网络技术的优势越来越突出。对于分布式控制系统而言，通信网络技术自然是工业控制局域网的关键之一。它以传递生产过程参数、状态和协调生产信息为主，具有适应较恶劣的工业环境、高可靠性、强实时响应等能力［11］。该课程要通过工程实例讲解应用软件开发的分析、设计、编程调试和运行过程，例如结合生产流程和自动控制的典型案例，以及当今流行的物联网实例。在网络技术应用中，学生至少要全面掌握一种工业网络通信协议。

2.5 计算机技术工程设计实践

计算机技术工程设计实践课程在职业技能训练和专业综合设计教学环节实施。职业技能训练是集中7个教学周、在接近真实的工作情境下完成；专业综合设计是在3周时间内学生们按下达任务自主完成，主要为学业的毕业设计打下实做基础和为将来的就业岗位积累实践经验。

职业技能训练是实现生产某种产品或装配、检修、调验某种设备的实践教学，是将学到的技术理论、实验方法和设计经验进行综合实际应用的过程。自动化专业的学生就是要通过中级、高级甚至技师的职业资格技能培训，在涉及单片机、PLC、直交流调速以及综合控制系统的生产线安装、调试、应用方面得到强化训练，而这些都离不开计算机控制技术。

工业企业的自动化程度主要依赖于计算机控制的程度和仪器仪表的智能化程度。专业综合设计就是把专业知识与计算机技术深度融合，将C语言、单片机、PLC、计算机控制及相关专业课程紧密结合的综合应用，开展以学生自主式的小型测控系统或智能仪器仪表的设计、开发、检测、调试。可编程控制器、工业控制网络控制系统的运行、维护等计算机控制技术实践教学，主要涉及计算机控制产品的生产、装配、测试、销售；计算机控制系统的软硬件实现、现场安装、调试和维护；计算机控制系统的管理、运行等［12］。经过计算机技术的实践，学生在计算机语言、硬件电路、计算机仿真、界面设计以及通信、算法等技术方面，以及在典型计算机控制器及系统的工程应用方面，形成比较完整的知识结构和专业技能。

3 计算机技术应用及教学实践的效果

“应用”是贯穿于计算机系列课程教学的重要指导思想，是课程建设和改革的关键因素。课程好比化学的基本元素，课程建设和改革始终离不开“应用”这个催化剂。“应用”不但使课程元素自身发生反应，而且交错穿插于元素之间，使课程元素发生反应，该反应过程不仅改变了以单一的知识传授为主的传统教学模式，更重要的是创建了面向职场的基础理论、综合实验、技能训练、设计研发、创新活动为一体的任务驱动式课程体系，从而适应产业结构升级和新兴产业涌现对新技术、新工艺、新方法的需求，提升了应用型人才的培养质量。

学校、教师和学生通过正确地使用“应用”，收到了显著的教学效果：

（1）大力开展“实做”型综合设计实践，学生普遍感到学以致用，受益匪浅；

（2）全面开放计算机技术综合实验室，给学生提供了充分自主学习的空间；

（3）成立各类计算机技术应用兴趣小组，大批学生踊跃参加每年的各类设计竞赛，设计出了构思巧妙、新颖、实用的智能化小型电子产品，有许多专利申请已获授权；

（4）在开发创新潜力的过程中，一批优秀人才脱颖而出，例如本专业大学生代表中国在世界技能机器人组的大赛中取得突出成绩；

（5）在全国大学生电子设计竞赛中多次获奖，已有多支参赛队获全国一等奖和全国二等奖，在2013年“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品大赛中获天津市特等奖和一等奖；

（6）2014年，本专业就业率达98%以上，其中多名科研能力强的毕业生自己创办了科技型企业，运用平时跟教师一起搞科研时学到的技战术本领承揽工程项目或开发产品。

4 结束语

自动化专业的计算机系列课程教学应跟踪计算机技术的发展，及时了解计算机技术的发展趋势和行业的发展动态，要密切注视当前及未来人才市场的社会就业需求，科学、灵活地调整、优化教学资源，明确本专业领域内计算机应用的主攻方向，突出“应用型”定位。同时，应进一步充实和更新教学内容和教学方法，强调学生的多方面的个性发展，多留给学生思维和创新的空间，让学生们自觉地深入到实验室和科技创新活动的实践中去，从而实现一个知识层次逐渐递进、内容衔接紧凑、学做用交叉的自动化专业计算机应用能力培养的课程体系。

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［1］赵玲.土木专业大学生计算机应用能力研究［J］.高等建筑教育，2010，10（4）：108－110.

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［3］敖章洪.仿真技术在自动化专业中的应用与教学方式改革探讨［J］.实验技术与管理，2011，28（5）：83－85，89.

［4］施青松，陈文智.强化计算机课程贯通教学深入面向系统能力培养［J］.中国大学教学，2014（12）：61－65.

［5］骆绍烨，庄美连.项目驱动教学模式在计算机专业课程中的应用［J］.软件导刊，2014，13（11）：189－190.

［6］郑征，吴云洁.自动化专业“C语言程序设计”教学思考［J］.电气电子教学学报，2013，35（6）：15－17.

［7］毋琳，秦勉，吕超.计算机应用专业“接口技术”课程的教学改革探索［J］.计算机教育，2010（2）：28－30.

［8］袁琦，刘晓梅，易细龙.《PLC应用技术》课程教学改革的研究与实践［J］.教育教学论坛，2014（4）：122－124.

［9］施昕昕.应用型本科嵌入式系统课程教学探讨［J］.中国现代教育装备，2014（21）：79－81.

［10］李江全，龚立娇.自动化专业计算机控制技术课程教学模式探讨［J］.高等理科教育，2011（4）：123－125.