“监控系统程序设计”课程教学改革的探索

(北京林业大学工学院，北京 100083)

“监控系统程序设计”是北京林业大学工学院自动化专业的专业必修课程，共计48学时，另有24学时的课程实验，是学校工科自动化学科门类重要的基础编程课程，同时也是教育部工程教育专业认证培训环节中的一门重要课程。该课程以监控系统程序设计为纲，着重界面操作、演示与实验相结合，全面、系统地阐述有关Visual C++语言学习、上位机软件编写与外接硬件设备的连接等方面的基本知识，要求学生掌握串行通信接口编程、RJ-45接口及网络通信、界面设计、图形设计、Windows事务提醒程序、串口与网口的编程操作等知识。笔者针对近几年该课程教学存在的问题，对人机界面交互、改善美工画面、提高程序运行效率等方面进行了总结与探讨。

一、“监控系统程序设计”课程教学存在的问题

(一)课程的专业归属难以把握

“监控系统程序设计”课程教学内容具有学科的开放性、交叉性等特点，很难确认其专业归属。从监控系统的安装设计、运行目标上来说，应该归于物业管理专业；从设备接线安装、日常维护、检修来说，应该归于电气类专业；从系统的信息上传、网络维护来说，应该归于网络工程专业。甚至在部分高校，还出现几个专业同时开设该课程的现象。

(二)课程通用教材少

“监控系统程序设计”课程教学大纲要求学生通过该课程的学习，具有以下能力：熟悉工厂自动化设备监测系统的组成、功能、工作原理，以及设计选型的原则；掌握各类接口协议原理、参数及使用方法；掌握上位机程序编写、调试、测试和使用的方法；了解工厂环境监控系统的日常管理和维护制度。

由于现有监控系统程序设计的功能、硬件及接口的规范性、兼容性较差，并且具有行业特点，所以很难把握教材编写的统一方向。目前，在国内图书市场上，还没有统一的适用于所有行业的监控系统程序设计方面的教材，现有教材更偏向于行业特色，比如煤矿监测、安防监测、钢铁行业监测，等等。这些教材的内容也基本以所在行业的大型设备产品为监控主体，有针对性地进行教学展开，缺乏监控系统的设计选型、信息传输与处理、日常管理、维护制度等内容，而且这些书籍与“监控系统程序设计”课程教学大纲的要求不匹配，与北京林业大学自动化专业培养目标相差甚远。

(三)课堂教学内容抽象枯燥

“监控系统程序设计”课程理论教学与实验教学的界限不明显，现有实验完全辅助于理论教学，缺乏将理论知识应用于工程领域的延伸和内涵。另外，“监控系统程序设计”课程是编程类课程，课堂教学抽象、不生动形象、学生不易接受。Visual C++是一种有代表性的、较流行的可视化语言，被广泛应用于“监控系统程序设计”课程中。在该课程学习过程中教师要求学生掌握可视化面向对象编程的基本概念，熟悉Visual C++开发工具的基本使用方法，学会图形用户界面简单应用系统的开发技术。这些内容的课堂教学较为枯燥，需要在课堂和课堂外调动起学生学习的积极性。

(四)课程实验室建设滞后

“监控系统程序设计”课程实验室的建设刚刚起步，较突出的问题如下：实验室安全监控系统不具备代表性、传感器种类少、调试设备缺乏、网络系统未形成；仪器的布置、安装等工作不符合相关标准，仿真效果差；实训项目少，实验效果不理想；实验室工厂安全监控系统与教材内容不符；日常维护管理工作不到位，系统调试工作不正常、升级换代更新较慢。另外，在实验手段上，缺乏培养学生自主创新、提出问题、分析问题、解决科学问题的相关实验设计。

二、“监控系统程序设计”课程教学改革的探索

由于“监控系统程序设计”课程是在教育部工程教育认证培训背景下开设的一门新课程，因此根据以往相关类似课程的实践教学经验，笔者对该门课程的实验教学题目、内容、方法等进行了改革和探讨，旨在让学生更深入理解并提高实际动手能力，培养其创新能力与学科交叉能力。在“监控系统程序设计”理论课学习上，使自动化专业学生从课本知识的角度，掌握现行工业工厂中监控系统状态、大型车床监测、大型仪器控制面板的一般处理方法和科学原理，为学生今后在工业工厂、林业监测、安防监测等相关领域应用打下良好的基础[1]。在“监控系统程序设计”实验课上，以Visual C++为工具，利用“监控系统程序设计”课程在图形化界面、接口编程、协议过渡等方面的优势，设计符合自动化专业特色的若干个实验。因此，笔者认为“监控系统程序设计”课程教学改革可为林业自动化专业提供监控系统程序设计方面的人才，为学生提供切实可行的上机操作经验，从而推动Visual C++工具在工科类院校中的普及和应用[2-3]。

(一)教学内容实战化

根据“监控系统程序设计”课程的特点，笔者将课程内容分类整合为监控系统概述、编程语言基础、上机操作和实战项目开发等4部分内容。这4部分内容基本覆盖了计算机监控系统开发所需掌握的全部知识，这种由浅入深，由基础到实践，再上升到项目实战的内容调整，有助于学生快速掌握编程语言技术和教学内容。

第一部分，监控系统概述。在这部分，笔者讲述了监控系统程序设计的基础知识，并将真实案例搬入课堂，以林业生态信息监测案例作为引入点，从传感器、数据采集器、接口、通讯、协议、上位机等一整套监控系统的完整数据链路开始，进行案例教学，讲述实际工程中遇到的问题以及解决的办法。

第二部分，编程语言基础。由于自动化专业学生已经在 “监控系统程序设计”课程开设之前学过Visual C++，所以该课程对编程语言直接进行了实战化教学。在“监控系统程序设计”课程教学过程中，笔者让学生在实验课堂上运用Visual C++语言开发一套监控软件，将目标对象进行图像化界面显示。

第三部分，上机操作。在实验室，笔者向学生讲授串口通信与网络通信的基本协议、C++编程基础、软件界面编写、控件、接口协议、模/数、数/模转换等内容，并手把手教学生开发几个操作界面软件，实现点对点的串口通信，并绘制图形程序等。

第四部分，实战项目开发。在实战项目开发过程中，笔者向学生布置一个具体的项目案例，让学生从需求到交付整个项目周期分组独立完成，并交付项目源代码和相关支持文档。另外，考虑到一些计算机监控技术的新发展，又有很多新概念(智能家居、智能交通等)涌现出来，因此在该课程教学的过程中可以适当穿插介绍一些前沿技术、最新监控手段以及先进硬件设备等知识。

(二)改革教学方法

“监控系统程序设计”课程知识更新快、上机操作实践性强，教师在教学过程中需要转换学生逻辑思维方式[4]。因此，为保证教学质量，笔者对传统的教学方法进行了改革，引入了启发式教学和专题讨论教学法、项目式教学法，使学生能够迅速掌握监控系统程序软件编程的方法，提高了该课程课堂教学效率，培养了学生的创造力[5]，为自动化专业申请教育部工程教育认证奠定了良好的课程基础。

1.启发式教学和专题讨论教学法

启发式教学和专题讨论教学法是目前教学改革中普遍关注的方法。在“监控系统程序设计”课堂上，由指导教师将全班学生分成若干个小组，并对某个技术问题展开专题讨论。指导教师在抛砖引玉的同时，要注意所选论题是否合适，能否引起学生的注意和兴趣，这是启发式教学和专题讨论教学法的关键。另外，所选题目要源于教材，并且具有适当的难度，要引起学生的思考。因此，针对“监控系统程序设计”课程，笔者选择了以下几个专题进行讨论：①请举出你所知道的现有的监控系统案例以及所用到的最新技术；②对监控软件有什么认识，对现在工厂中的大型仪器设备、监控面板、控制方法、生产实际等方面的应用有什么了解，上位机软件都包含哪些功能以及这些功能该如何实现；③语言的串口通信控件有哪些重要参数和事件；④如何示范、演示接口协议、仪器仪表等编程操作。

2.项目式教学法

“监控系统程序设计”课程的教学更偏重于实际应用，因此笔者结合大学生创新大赛、物联网大赛等几个项目，让学生分组，以小组的方式参与到实际项目中去，并以实际项目的验收标准对学生进行项目验收，以此项目实战带动教学工作。这样不仅使教学和工厂生产、大学生创新项目等有机联系起来，而且也使学生从中获益，使学生的工程背景更加稳固、实践能力更强。另外，教师可根据学生的兴趣爱好，让学生做不同的项目，有系统类的、有数据库类的、有PLC控制类的，等等。同时，教师可根据学生各自的兴趣和项目需求对学生进行分组，学生以小组为单位参与项目的详细设计、软件开发、系统调式等各个教学环节。项目式教学法的实施步骤和方法如下：①让学生收集用户信息，整理需求，最终形成文档形式的说明材料；②形成概要设计内容，并对需求进行分析与理解，形成大概的技术组成框架图和程序流程；③在概要设计的基础上，对项目每一个分支进行细化、设计，并确定技术路线、组织架构、编码规范、测试用例等；④按照上述步骤实现项目目标，进行编码、调试以及后期安装；⑤对出现的问题进行测试，并派项目组成员进行维护；⑥总结经验，为下一个项目的开展做准备。

(三)改革课程考核方式，严把学习和思考“过程关”

作为工科自动化专业，学生动手操作和实战课程都是必不可少的内容，尤其是整个工业环境下的监控平台搭建，更是极为重要的一个工程环节。因此，“监控系统程序设计”课程更看重学生在实际操作过程中学习和思考的“过程”，只有进入学生思考的过程中，把每一个碰到的问题逐一解决，才能真正提高学生解决问题的水平，同时也对学生的逻辑思考能力是一种提升和锻炼。让学生充分自主地思考问题、延长和加大项目思考的“过程”、让学生一步一步自己独立编写源代码，是符合专业工程教育认证目标和方向的，这提高了学生的动手能力，开发了学生创新的潜质。因此，在考核方式上，笔者更重视对学生进行平时“过程”考核。比如，在每次的实验、项目实战中，都针对每组学生在实验、项目实战中的贡献程度打分，对于完成实验的核心学生以及在程序编写过程中思考代码、硬件电路搭建承担主要工作的学生给予较高的成绩。通过此方式，鼓励学生自行思考、独立创作、积极完成教师交待的工程项目。

三、“监控系统程序设计”课程教学改革的成效

“监控系统程序设计”课程通过上述一系列的改革，成效显著。①提高了自动化专业学生的动手能力。对具有Visual C++编程基础的自动化专业大三学生，最能增加专业知识能力的就是亲身体会编写上位机程序、工业监控程序等的实际操作过程。②培养了学生编程思考能力。程序编写需要缜密的思维逻辑，而该门课程涉及的实验、课程设计等环节都是具有针对性的算法程序，需要学生仔细思考、画流程图、编写代码等一步步去实现，这一过程既培养了学生独立思考的能力，又使学生适应了今后的技术工作。

通过学生的反馈来看，他们认为，改革后的“监控系统程序设计”课程课堂教学不枯燥，教师能用实际生产当中的案例进行讲解；实验环节题目很有针对性、内容充实；课程设计环节工作量合理，包括上位机、下位机，锻炼了学生编写程序、设计方案、系统调试等方面的能力。

资助项目：2017年北京林业大学教育教学改革研究项目——“监控系统程序设计”多元化教学研究与实践，项目编号BJFU2017JY028。

[1] 李金龙.关于“煤矿安全监控系统”课程的教学思考[J].山西煤炭，2008，28(6)：54-55.

[2] 张俊梅，郭文会，王东林，等.“微机原理及接口技术”实验教学改革与探索[J].中国林业教育，2009，27(增刊1)：73-75.

[3] 张俊梅，燕飞，王东林，等.自动化专业微机类课程的教学改革探索[J].中国现代教育装备，2011(23)：86-87.

[4] 阚江明，张超一，林剑辉，等.物联网专业“信号与系统”课程教学改革与探索[J].中国现代教育装备，2017(4)：25-27.

[5] 林剑辉.语音实例教学方法在“数字信号处理”课程教学中的运用[J].中国林业教育，2015，33(6)：52-55.