關(guān)于數(shù)控原理課程設(shè)計教學(xué)方法的研究①

孟書云+樊紅梅+高世平+李宏勝

摘 要：隨著理工科高校教學(xué)改革的深入開展，作為專業(yè)課實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一的課程設(shè)計教學(xué)，面臨著新的挑戰(zhàn)和進(jìn)一步改革細(xì)化。為了提升專業(yè)課課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量，解決現(xiàn)有教學(xué)過程中出現(xiàn)的學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識能力不足、考核方法粗放、課程設(shè)計學(xué)時較短等問題，探索合適的專業(yè)課課程設(shè)計教學(xué)中教與學(xué)的方法，著力提高學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，更好地適應(yīng)快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會。

關(guān)鍵詞：卓越工程師 ?課程設(shè)計 ?教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0113-02

數(shù)控原理課程設(shè)計是《數(shù)控原理與系統(tǒng)》課程后續(xù)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生運(yùn)用數(shù)控系統(tǒng)核心功能模塊基本原理以及高級編程語言、計算機(jī)圖形學(xué)等先修課程，使用開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件設(shè)計，完成運(yùn)動控制平臺二次開發(fā)。這是自動化（數(shù)控技術(shù)方向）專業(yè)學(xué)生全面深入理解數(shù)控系統(tǒng)工作原理的綜合訓(xùn)練，要求學(xué)生在有限的時間內(nèi)完成較大的工作量（包括將所選課題作為一個整體工程系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃、理解分析算法原理、設(shè)計流程圖、仿真界面設(shè)計、算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)、程序的調(diào)試與運(yùn)行、結(jié)果驗(yàn)證、軟件文檔的編制等），對學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作等諸多能力提出了挑戰(zhàn)。

1 課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀和存在問題

（1）課程設(shè)計的對象較為復(fù)雜與學(xué)時較短之間的矛盾。實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動化加工的數(shù)控系統(tǒng)是個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。如前所述，將系統(tǒng)的功能分解之后，選取其中任何一個功能模塊作為課程設(shè)計的題目，對于學(xué)生來講，仍是有一定難度且設(shè)計內(nèi)容繁雜的。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在剛剛弄懂系統(tǒng)工作原理和熟悉了開發(fā)環(huán)境時，已經(jīng)到了課程設(shè)計的結(jié)束時間了。在當(dāng)前高校工科專業(yè)新一輪教學(xué)改革的背景下，專業(yè)課課程的教學(xué)時數(shù)作了大幅壓縮，甚至在培養(yǎng)方案中取消了課程設(shè)計這一重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，背離了近年“高等工科教育要回歸工程實(shí)踐”的社會需求。

（2）相關(guān)課程設(shè)置銜接不緊密。作為基礎(chǔ)課的計算機(jī)類（如高級編程語言等）課程，教學(xué)計劃通常會安排在大學(xué)一年級開設(shè)。而專業(yè)課課程設(shè)計通常在第三甚至第四學(xué)年。教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，由于相關(guān)課程開設(shè)的間隔時間較長，處于課程設(shè)計階段的學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用這些基礎(chǔ)課程時，已經(jīng)倍感生疏。在學(xué)時壓縮的大背景下，這類基礎(chǔ)課多偏重基本語法的介紹，實(shí)際工程訓(xùn)練多處于簡單函數(shù)的設(shè)計這一級別，然而有關(guān)工程項(xiàng)目建立以及調(diào)試方面的訓(xùn)練極少。以上種種因素，使得相對較為簡單的設(shè)計題目，學(xué)生還是不能很好地將所學(xué)的數(shù)控系統(tǒng)基本原理運(yùn)用到實(shí)際工程項(xiàng)目的開發(fā)中。

（3）考核方法粗放，考核內(nèi)容不明確?，F(xiàn)有的考核方式較為粗放，考核內(nèi)容基本屬于定性的評價。前期數(shù)控原理課程設(shè)計從考勤、設(shè)計調(diào)試、結(jié)果驗(yàn)收、設(shè)計報告四個方面按不同權(quán)重給予考核。對于指導(dǎo)教師來講，可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)、從四個方面酌情評定等級。但對于學(xué)生來講，存在這樣的情況：即使東西沒有做出來，由于出勤率高、報告規(guī)范、認(rèn)真履行了程序調(diào)試等，也可以通過課程設(shè)計考核。不過，從培養(yǎng)學(xué)生真正具備開發(fā)實(shí)際工程項(xiàng)目的能力出發(fā)，這個教學(xué)目的卻并沒有達(dá)到。即學(xué)生經(jīng)過課程設(shè)計這個實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，還是無法獨(dú)立開發(fā)一個簡單的完整的工業(yè)系統(tǒng)。為此，需要針對每一個課程設(shè)計題目，給出針對學(xué)生的具體明確的考核內(nèi)容，避免考核內(nèi)容模糊化，從而保證學(xué)生真正參與實(shí)踐了工程項(xiàng)目的開發(fā)過程。

（4）學(xué)生自主學(xué)習(xí)意愿弱，理論基礎(chǔ)不扎實(shí)，受多種因素影響嚴(yán)重。學(xué)生對數(shù)控系統(tǒng)核心功能模塊的工作原理理解不夠透徹。教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，課程設(shè)計開始后的前一兩天，大部分學(xué)生在復(fù)習(xí)相關(guān)知識，嚴(yán)重影響了設(shè)計進(jìn)度。至于開發(fā)工具的使用，也是較為陌生。當(dāng)課程設(shè)計教學(xué)進(jìn)程安排在第四學(xué)年時，不免會受到“單位應(yīng)聘、考公務(wù)員、考研究生”等多重因素的干擾，一部分學(xué)生會無心在學(xué)業(yè)上，嚴(yán)重影響了課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)際教學(xué)效果。

2 提高數(shù)控原理課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量的方法

教學(xué)計劃要求數(shù)控原理課程設(shè)計在一周內(nèi)完成。在對課程設(shè)計題目具體實(shí)施之前，學(xué)生并沒有數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計和開發(fā)的體驗(yàn)。所以，如何使學(xué)生在這么短的時間內(nèi)能熟悉高級編程語言的語法，初步應(yīng)用軟件開發(fā)工具進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)中部分功能的設(shè)計與驗(yàn)證，對每一位指導(dǎo)教師而言都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

針對目前教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，以市場需求為導(dǎo)向，遵循“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”的教育理念，以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生獨(dú)立開發(fā)簡單的工業(yè)系統(tǒng)為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)過程的規(guī)范化指導(dǎo)和實(shí)踐，重視和加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)。課程設(shè)計教學(xué)方法的改革注重學(xué)生的個體差異，為學(xué)生獨(dú)立解決工程設(shè)計和問題分析創(chuàng)造條件，同時兼顧小組成員間合作共享精神的培養(yǎng)，為學(xué)生后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)順利開展、踏上工作崗位后能夠獨(dú)立開展工作奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)數(shù)控原理課程設(shè)計的特點(diǎn)，結(jié)合多名一線教師多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，嘗試著從以下幾個方面進(jìn)行教學(xué)改革。

2.1 課程設(shè)計任務(wù)和時間的合理安排

數(shù)控原理課程設(shè)計是基于項(xiàng)目導(dǎo)向式的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。課程設(shè)計的題目以工程項(xiàng)目的形式、按順序依次分到每個小組（每小組2～3人），小組之間的題目是完全不同的。要順利完成指定題目的課程設(shè)計任務(wù)，每個小組的兩名組員必須展開討論和分工協(xié)作。分組和任務(wù)安排可在理論課教學(xué)之前完成，促使學(xué)生帶著任務(wù)和目標(biāo)參與理論課教學(xué)活動。

課程設(shè)計指導(dǎo)書是學(xué)生參與實(shí)踐教學(xué)的第一資料，根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況通過多次增刪和補(bǔ)充完成。對設(shè)計過程中會涉及到的先修課程基礎(chǔ)知識、項(xiàng)目開發(fā)和調(diào)試所需的基本技能、規(guī)范和實(shí)例，通過精心選擇，編入課程設(shè)計指導(dǎo)書。除此之外，發(fā)布任務(wù)時，為每個組繪制出設(shè)計結(jié)果最終的藍(lán)圖，使學(xué)生知曉設(shè)計要求、內(nèi)容，有的放矢地研究系統(tǒng)的基本原理。由于指導(dǎo)書中內(nèi)容較有針對性，使指導(dǎo)教師從疲于應(yīng)付學(xué)生的基礎(chǔ)知識問題中解脫出來，學(xué)生也節(jié)約了有限的課程設(shè)計時間。

2.2 先修課程的進(jìn)度安排和內(nèi)容調(diào)整endprint

為了順利完成課程設(shè)計的任務(wù)，學(xué)生需要先修課程的支撐，尤其是關(guān)于高級語言集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)容介紹和工程項(xiàng)目調(diào)試運(yùn)行兩部分內(nèi)容，但是這些基礎(chǔ)知識在前期課程學(xué)習(xí)中介紹很少。在面向?qū)ο缶幊痰母呒壵Z言集成開發(fā)環(huán)境中，存在大量對學(xué)生來講較為陌生的概念，如：類、對象、多態(tài)、繼承、友元、私有函數(shù)和變量，用于進(jìn)行函數(shù)的聲明、定義、調(diào)用以及變量的聲明、賦值等。學(xué)生需熟悉集成開發(fā)環(huán)境，且能利用參考書籍熟悉工程界面設(shè)計中常用控件的使用。即如何設(shè)置控件屬性、觸發(fā)控件響應(yīng)，并建立簡單的工程項(xiàng)目、作項(xiàng)目測試。

從教學(xué)效果來看，集成開發(fā)環(huán)境下控件的簡單應(yīng)用可以被學(xué)生短期內(nèi)掌握，可是卻占用了一部分課程設(shè)計時間。為此，有必要在制訂培養(yǎng)計劃時，統(tǒng)籌考慮相關(guān)課程之間教學(xué)內(nèi)容的銜接，盡量縮短這些課程間的時間跨度。

2.3 指導(dǎo)教師分階段且因人而異地指導(dǎo)

為了設(shè)計任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)完成，指導(dǎo)教師將任務(wù)分解，采用分段教學(xué)法，因人而異、逐階段培養(yǎng)學(xué)生分析問題和獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)的能力。

第一階段教學(xué)，重點(diǎn)指出課程設(shè)計要用到的基本概念和操作方法。由于時間所限，新內(nèi)容在課堂上全部講授一遍不現(xiàn)實(shí)，須由學(xué)生課后主動自學(xué)。通過劃定參考資料和文獻(xiàn)的范圍，由小組成員自行查找書籍等相關(guān)資料，自學(xué)相關(guān)內(nèi)容。參考資料并不具體到某一本書或者某一篇文章，由學(xué)生自行查閱和篩選，還需要課后上機(jī)操作練習(xí)。從資料檢索情況來看，部分小組的成員在圖書館借閱的書籍，并不符合課程設(shè)計任務(wù)的需要。為此，指導(dǎo)教師必須即時發(fā)現(xiàn)和糾正，讓學(xué)生重新檢索和借閱。

第二階段以引導(dǎo)學(xué)生完成工程項(xiàng)目規(guī)劃和界面設(shè)計。在項(xiàng)目開發(fā)之初，知曉功能模塊工作原理之后，應(yīng)繪制流程圖。有了流程圖，再開始算法的具體編程實(shí)現(xiàn)。指導(dǎo)教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行規(guī)范化的項(xiàng)目開發(fā)，避免出現(xiàn)沒有流程圖就開始設(shè)計算法的現(xiàn)象。部分學(xué)生將教材中通用的流程圖用來開發(fā)，并不能滿足課題的開發(fā)要求。實(shí)際上，學(xué)生必須根據(jù)選定課題，給出具體的流程圖，厘清所有已知信息及、待求結(jié)果和圖形化顯示內(nèi)容，進(jìn)而對項(xiàng)目中變量進(jìn)行初始化，確定整個工程的輸入變量，中間變量和輸出值，再來完善工程項(xiàng)目的人機(jī)交互界面。教學(xué)中采用因人而異的方式，鼓勵學(xué)生某一方面突出的表現(xiàn)。例如界面的設(shè)計反映出學(xué)生設(shè)計水平間的差異性，對此饒有興趣且表現(xiàn)突出的學(xué)生可以因勢利導(dǎo)，采用加分等手段加以激勵。

最后一階段是算法的具體實(shí)現(xiàn)和代碼調(diào)試。教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，算法實(shí)現(xiàn)往往需要函數(shù)間互相調(diào)用以及不同類間變量值的傳遞，學(xué)生出現(xiàn)的問題很多。同時，每個小組進(jìn)度并不相同，遇到的有共性問題，也有個別問題。共性問題，指導(dǎo)教師在課堂上會統(tǒng)一講解。但有些同學(xué)因?yàn)闀簳r沒有遇到類似的問題，并不注意聽講，隨著項(xiàng)目往前推進(jìn)，又遇到同樣問題，只得求助教師。如此一來，為處于不同進(jìn)度的學(xué)生多次講解同一個問題，是不可避免的。另外，每個小組設(shè)計的思路和實(shí)現(xiàn)方法都不同，遇到的問題也千差萬別，需針對每組情況單獨(dú)輔導(dǎo)。可見課程設(shè)計要取得良好效果，需要教師付出極大的耐心和熱情。調(diào)試程序，成為困擾學(xué)生又一大難點(diǎn)。在新的開發(fā)平臺上，學(xué)生對調(diào)試一籌莫展。按照教學(xué)安排，數(shù)控原理課程設(shè)計之前，學(xué)生已完成了嵌入式微處理器程序設(shè)計、單片機(jī)程序設(shè)計、PLC程序設(shè)計、MATLAB程序設(shè)計等多門課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，這些都離不開程序調(diào)試。由此看出，學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移能力較弱，只能“教什么會什么”，無法做到觸類旁通。通過教會學(xué)生基本的調(diào)試方法，由學(xué)生根據(jù)設(shè)計思路，一步步找到問題所在。實(shí)際上，多數(shù)院校的課程設(shè)計教學(xué)由兩名教師（包括理論課教師和實(shí)驗(yàn)室教師）共同承擔(dān)，在“精英教育”轉(zhuǎn)換為“大眾化教育”的背景下，班級人數(shù)增多，能否及時解決學(xué)生在設(shè)計時出現(xiàn)的各種問題，避免挫傷學(xué)生探索問題的積極性，成為提高課程設(shè)計教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

2.4 考核內(nèi)容細(xì)化、設(shè)計目標(biāo)明確

從課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的目的來看，最終是要使學(xué)生熟練掌握有行業(yè)背景的簡單工程項(xiàng)目的獨(dú)立開發(fā)。盡管課程設(shè)計最終成績的評定，由出勤、報告、設(shè)計調(diào)試、結(jié)果驗(yàn)收四項(xiàng)組成，但后兩項(xiàng)理應(yīng)成為指導(dǎo)和考核的重點(diǎn)。為此，考核采取“設(shè)計過程考核”和“設(shè)計結(jié)果定量考核”相結(jié)合的方法進(jìn)行。

課程設(shè)計每日進(jìn)度提前發(fā)布給學(xué)生。針對每日進(jìn)度，對學(xué)生進(jìn)行嚴(yán)格考核，重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計過程中的難點(diǎn)，并給予及時指導(dǎo)，督促其有計劃地向前推進(jìn)。一旦學(xué)生能夠突破項(xiàng)目開發(fā)初期遭遇的“瓶頸”，后續(xù)環(huán)節(jié)的進(jìn)展，往往會積極主動地努力做到最好。同時，跟蹤各小組開發(fā)進(jìn)度，也避免了“少部分同學(xué)不獨(dú)立開發(fā)，而是把別人的東西直接拿來驗(yàn)收”的現(xiàn)象。

課程設(shè)計結(jié)束時，指導(dǎo)教師對項(xiàng)目運(yùn)行結(jié)果逐一進(jìn)行定量化考核，這個結(jié)果直接與課程設(shè)計的最終成績掛鉤。如：某一課題有四種子情況出現(xiàn)，四種情況結(jié)果都正確，就可以取得全部分值。明確每個項(xiàng)目運(yùn)行調(diào)試結(jié)果的分值，可以將學(xué)生關(guān)注的中心轉(zhuǎn)移到項(xiàng)目開發(fā)上來，鍛煉其綜合應(yīng)用開發(fā)的能力。

除了抓好現(xiàn)場教學(xué)，指導(dǎo)教師對課程設(shè)計結(jié)束之后的實(shí)踐總結(jié)作出規(guī)范化要求：要求學(xué)生將項(xiàng)目開發(fā)過程中每天遇到的問題和解決的辦法，作一記錄，整理在最終提交的報告中。

3 課程設(shè)計教學(xué)改革實(shí)踐

通過2009級和2010級283名同學(xué)參與課程設(shè)計教改，獲得了如下學(xué)情。

（1）大部分同學(xué)反映：通過此次課程設(shè)計，培養(yǎng)了自身查閱技術(shù)手冊和技術(shù)資料的能力，鍛煉了項(xiàng)目開發(fā)、程序設(shè)計及調(diào)試的能力，提升了編程技術(shù)文檔寫作的能力，建立了良好的思維方式，在小組分工合作中找到了團(tuán)結(jié)協(xié)作的樂趣，真正體驗(yàn)到了理論知識與實(shí)踐之間的天壤之別以及將理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的艱辛。

（2）為期僅一周的課程設(shè)計，95%的學(xué)生對待學(xué)習(xí)的態(tài)度發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變：從課設(shè)開始時的思想上不重視、主動積極性不夠，到課設(shè)結(jié)束時變得嚴(yán)肅認(rèn)真、一絲不茍，尤其是意識到自身“什么都不會、能力與水平很有限”、認(rèn)識到差距后，能夠主動投入學(xué)習(xí)中來。

（3）課程設(shè)計時間安排恰當(dāng)，能摒除多因素干擾。希望能有更嚴(yán)格的紀(jì)律和進(jìn)度考核，營造良好學(xué)習(xí)氛圍。多數(shù)同學(xué)反映課程設(shè)計的時間太短暫，需要學(xué)的新東西太多。

4 結(jié)語

為期一周的課程設(shè)計教學(xué)活動是理論走向?qū)嵺`的重要一環(huán)。教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)時安排、相關(guān)課程之間內(nèi)容的銜接、指導(dǎo)教師主導(dǎo)作用和學(xué)生主體意識之間的配合、課程考核等問題，分別提出了相應(yīng)的改進(jìn)辦法：針對開課學(xué)時和進(jìn)度，要在培養(yǎng)計劃頂層設(shè)計時全盤兼顧;不同院系開設(shè)的課程如若相關(guān)，就需要跨越院系障礙，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合和銜接;學(xué)生“愿意學(xué)習(xí)”的主觀意愿對教學(xué)效果影響很大，這樣一來指導(dǎo)教師要重點(diǎn)發(fā)揮“導(dǎo)”的作用，使學(xué)生“樂”學(xué)，能在學(xué)中獲得成就感，榮譽(yù)感;成績評定時，適當(dāng)降低考勤和報告占分比，加大設(shè)計調(diào)試和結(jié)果驗(yàn)收的比重，突出課程設(shè)計的主要目的，彰顯實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基本內(nèi)涵，更好地培養(yǎng)學(xué)生“理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐”的工程應(yīng)用能力。通過在教學(xué)實(shí)踐中實(shí)施這些，取得了一定的教學(xué)效果，這些方法對于后續(xù)的課程設(shè)計教學(xué)具有參考意義。

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