應(yīng)用型自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)課程體系建設(shè)與實(shí)踐

李 輝

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222）

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化控制系統(tǒng)正成為企業(yè)在激烈的市場競爭中走向成功的新型生產(chǎn)模式，以計(jì)算機(jī)為核心的智能儀器儀表及裝備已經(jīng)占據(jù)了工業(yè)現(xiàn)場、進(jìn)入人們的生活。顯然，擺在高等教育自動(dòng)化專業(yè)面前的緊迫任務(wù)就是要適應(yīng)這一新形勢，建設(shè)和更新計(jì)算機(jī)應(yīng)用系列課程體系和內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)模式和方法，培養(yǎng)更多的符合社會(huì)需求的高級(jí)工程技術(shù)人才。筆者結(jié)合天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)際，按工程技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)統(tǒng)籌規(guī)劃專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系列課程的建設(shè)方案，提出教學(xué)體系改革的總體構(gòu)思，其核心是提高對計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)能力和解決實(shí)際工程問題的職場能力。

1 自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程的主要特點(diǎn)

如今，應(yīng)用型本科自動(dòng)化專業(yè)人才的顯著特征是以能力為本位，主要面向生產(chǎn)型行業(yè)和先進(jìn)制造企業(yè)的技術(shù)型崗位，應(yīng)掌握與計(jì)算機(jī)應(yīng)用密不可分的現(xiàn)代工業(yè)電氣自動(dòng)化控制技術(shù)。面對人才市場的需求，使得本科自動(dòng)化專業(yè)的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)體系和內(nèi)容具有與其他非計(jì)算機(jī)專業(yè)不同的特點(diǎn)［1］。

1.1 計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透到專業(yè)課程中

應(yīng)用型本科自動(dòng)化專業(yè)從專業(yè)基礎(chǔ)課開始，各門課程就使用計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件，先進(jìn)的教學(xué)手段使學(xué)生不斷地接觸計(jì)算機(jī)技術(shù)在專業(yè)課程中應(yīng)用方面的知識(shí)。例如，可以使用Multisim交互式地搭建各類電路原理圖并對電子電路進(jìn)行仿真；使用集數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)分析、圖形圖像處理、信號(hào)檢測、建模編程等多種功能于一體的高性能軟件Matlab，可以進(jìn)行科學(xué)研究和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；使用Protel軟件制板，可以深入理解計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及快速實(shí)現(xiàn)印制電路板的元件布局和走線設(shè)計(jì)。這充分顯示出應(yīng)用軟件已融入各門專業(yè)課程中［2－3］。

1.2 軟硬件技術(shù)緊密結(jié)合

對于自動(dòng)化專業(yè)來講，硬件是軟件的基礎(chǔ)。要構(gòu)建一個(gè)完整的工業(yè)控制系統(tǒng)，離不開控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其他被控對象，只偏向軟件設(shè)計(jì)、完全脫離硬件，就很難編寫出符合實(shí)際的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的工程應(yīng)用程序。因此，自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生除了具有計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)能力之外，還需要在計(jì)算機(jī)硬件方面有相當(dāng)扎實(shí)的功底，即必須掌握好軟件與硬件兩方面的知識(shí)，加強(qiáng)兩者的融合，才能真正使軟硬件開發(fā)能力成為今后工程設(shè)計(jì)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)發(fā)展迅速

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是綜合自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是生產(chǎn)過程和控制系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大化、復(fù)雜化的需求。例如現(xiàn)場總線技術(shù)在各領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，企業(yè)對熟悉現(xiàn)場總線技術(shù)的人才需求也在不斷增加。為了培養(yǎng)熟悉現(xiàn)場總線技術(shù)并能熟練使用該技術(shù)的高技能應(yīng)用型人才，滿足企業(yè)對生產(chǎn)現(xiàn)場自動(dòng)控制的需求，自動(dòng)化專業(yè)必須開設(shè)強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場總線控制技術(shù)課程，選取合適的教學(xué)內(nèi)容和采用恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，以適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化控制的強(qiáng)大優(yōu)勢，提升可持續(xù)發(fā)展能力。

1.4 突出工程應(yīng)用實(shí)踐

在自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)的過程中，實(shí)踐是提高大學(xué)生職業(yè)能力和創(chuàng)新能力的重要手段，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力的教學(xué)是整個(gè)專業(yè)教學(xué)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。學(xué)生在高年級(jí)更要處理好計(jì)算機(jī)技術(shù)中“理論”與“應(yīng)用”的關(guān)系，特別是通過接觸工程應(yīng)用領(lǐng)域的課題、項(xiàng)目、案例，進(jìn)一步掌握計(jì)算機(jī)的基本原理和控制技術(shù)，結(jié)合研究和開發(fā)新的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題和承接工程項(xiàng)目的初步能力。

2 創(chuàng)建計(jì)算機(jī)應(yīng)用系列課程教學(xué)體系

計(jì)算機(jī)系列課程是自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，學(xué)業(yè)中許多專業(yè)課都需要有堅(jiān)實(shí)的計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)。因此，我校自動(dòng)化專業(yè)調(diào)整了計(jì)算機(jī)系列課程，確定了由計(jì)算機(jī)文化及程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)組成原理及接口技術(shù)、PLC及嵌入式技術(shù)應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐以及專業(yè)課涉及的自修應(yīng)用軟件等構(gòu)成的課程體系結(jié)構(gòu)（圖1所示）。本體系結(jié)構(gòu)是在保證大學(xué)階段計(jì)算機(jī)課程不斷線和保持應(yīng)用性及先進(jìn)性的同時(shí)，堅(jiān)持將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用教學(xué)和相關(guān)課外科技實(shí)踐活動(dòng)貫穿于專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的全過程［4］。

圖1 計(jì)算機(jī)系列課程體系結(jié)構(gòu)

2.1 計(jì)算機(jī)文化和程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

目前，在我國中學(xué)教育階段已經(jīng)普及計(jì)算機(jī)教育，大學(xué)一年級(jí)學(xué)生已具備了一定的計(jì)算機(jī)操作能力。因此，在諸如“認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)”、“Windows操作系統(tǒng)”、“使用互聯(lián)網(wǎng)”、“文字處理”、“電子表格應(yīng)用”、“演示文稿制作”等內(nèi)容上應(yīng)該簡化課堂講授式教學(xué)，讓學(xué)生以任務(wù)驅(qū)動(dòng)分模塊完成并掌握各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。也可適當(dāng)采用課外學(xué)習(xí)的方式，提高計(jì)算機(jī)操作水平［5］。

C語言是目前最流行、使用最廣泛的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言。對于自動(dòng)化專業(yè)，C＋＋在實(shí)際應(yīng)用中用到得很多，其面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言的課程教學(xué)，目的是讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)語言和程序設(shè)計(jì)方法，具有從匯編語言到各種高級(jí)語言的適應(yīng)能力。C＋＋具有編碼效率高、速度快、可操作硬件的特點(diǎn)，特別適用于自動(dòng)化專業(yè)所需的實(shí)時(shí)操作及對硬件系統(tǒng)控制方面的運(yùn)用。學(xué)生可結(jié)合一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理論，進(jìn)一步掌握典型應(yīng)用的編程技巧［6］。

2.2 計(jì)算機(jī)硬件組成原理及接口技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件組成基本原理是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)。它主要描述計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、硬件電路的基本功能和特征、各功能部件（如寄存器、譯碼器、鎖存器等）的控制以及控制信號(hào)的邏輯關(guān)系、各可編程芯片的邏輯構(gòu)成和信息傳輸關(guān)系、硬件電路的組成和擴(kuò)展、電路設(shè)計(jì)方法。結(jié)合軟件編程，讓學(xué)生基本掌握微型計(jì)算機(jī)的工作原理和體系結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和研究計(jì)算機(jī)的硬件電路打下良好的基礎(chǔ)。

接口技術(shù)對學(xué)生的硬件基礎(chǔ)要求較高，學(xué)生應(yīng)該完全理解計(jì)算機(jī)的基本工作原理以及計(jì)算機(jī)各部件的基本結(jié)構(gòu)和聯(lián)系［7］。為方便學(xué)生快速了解和掌握計(jì)算機(jī)硬件的本原，以51或AVR系列單片機(jī)為背景，將接口技術(shù)和計(jì)算機(jī)小系統(tǒng)制板結(jié)合起來。學(xué)生通過使用自己制作的單片機(jī)最小系統(tǒng)開發(fā)板，能對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有透徹的理解。

教學(xué)的過程是循序漸進(jìn)的過程，采用“邊學(xué)邊做、邊做邊用、邊用邊學(xué)”的教學(xué)方法，達(dá)到知識(shí)融會(huì)貫通的學(xué)習(xí)效果。

2.3 PLC及嵌入式技術(shù)應(yīng)用

PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域保持著不可動(dòng)搖的主流地位，它以特有的梯形圖程序指令替代以往字符代碼的編程形式，特別是功能指令和專用指令的應(yīng)用，以及高可靠性、易于開發(fā)、擴(kuò)展性好、通信簡單的優(yōu)點(diǎn)，促使更多的自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)生產(chǎn)自動(dòng)加工設(shè)備時(shí)首選PLC作為主控制器。正由于PLC具有方便、快速、直接實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場控制的強(qiáng)大功能，它已成為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生必修的應(yīng)用型特色課程［8］。PLC課程教學(xué)采用原理、指令和實(shí)驗(yàn)相融通的一體化教學(xué)模式，加大功能指令以及擴(kuò)展模塊在典型生產(chǎn)設(shè)備中的綜合運(yùn)用，讓學(xué)生在“真實(shí)的情境”中不斷增長知能。

嵌入式的教學(xué)是以ARM處理器為藍(lán)本，介紹嵌入式系統(tǒng)的硬件和操作系統(tǒng)原理，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)采用linux、μC/OS－Ⅱ甚至 Android、iOS等［9］。教學(xué)中通過分析系統(tǒng)原理級(jí)用戶接口，將操作系統(tǒng)理論與實(shí)際應(yīng)用密切結(jié)合，切實(shí)提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平。配合安排大型綜合實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握編制開發(fā)工程應(yīng)用軟件的基本功，極大地提升學(xué)生的產(chǎn)品研發(fā)能力，拓展電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的競爭力。如今，基于智能手機(jī)的控制裝置設(shè)計(jì)也引入到嵌入式實(shí)踐教學(xué)中。

2.4 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)綜合提高

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)參與控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是理論難度較大、應(yīng)用性很強(qiáng)。所以，教學(xué)中應(yīng)從工程技術(shù)角度出發(fā)，突出基本理論、基本概念和基本方法，在掌握基本智能控制算法和典型系統(tǒng)解決方案的基礎(chǔ)上充入可視化組態(tài)技術(shù)，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)會(huì)使用組態(tài)軟件，能夠利用可視化軟件編寫組態(tài)程序，初步掌握組態(tài)界面設(shè)計(jì)技術(shù)，并進(jìn)一步培養(yǎng)設(shè)計(jì)大型綜合智能信息及控制系統(tǒng)的能力［10］。

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢越來越突出。對于分布式控制系統(tǒng)而言，通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)自然是工業(yè)控制局域網(wǎng)的關(guān)鍵之一。它以傳遞生產(chǎn)過程參數(shù)、狀態(tài)和協(xié)調(diào)生產(chǎn)信息為主，具有適應(yīng)較惡劣的工業(yè)環(huán)境、高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)響應(yīng)等能力［11］。該課程要通過工程實(shí)例講解應(yīng)用軟件開發(fā)的分析、設(shè)計(jì)、編程調(diào)試和運(yùn)行過程，例如結(jié)合生產(chǎn)流程和自動(dòng)控制的典型案例，以及當(dāng)今流行的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)例。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用中，學(xué)生至少要全面掌握一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

2.5 計(jì)算機(jī)技術(shù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐

計(jì)算機(jī)技術(shù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐課程在職業(yè)技能訓(xùn)練和專業(yè)綜合設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)施。職業(yè)技能訓(xùn)練是集中7個(gè)教學(xué)周、在接近真實(shí)的工作情境下完成；專業(yè)綜合設(shè)計(jì)是在3周時(shí)間內(nèi)學(xué)生們按下達(dá)任務(wù)自主完成，主要為學(xué)業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下實(shí)做基礎(chǔ)和為將來的就業(yè)崗位積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

職業(yè)技能訓(xùn)練是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)某種產(chǎn)品或裝配、檢修、調(diào)驗(yàn)?zāi)撤N設(shè)備的實(shí)踐教學(xué)，是將學(xué)到的技術(shù)理論、實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合實(shí)際應(yīng)用的過程。自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生就是要通過中級(jí)、高級(jí)甚至技師的職業(yè)資格技能培訓(xùn)，在涉及單片機(jī)、PLC、直交流調(diào)速以及綜合控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線安裝、調(diào)試、應(yīng)用方面得到強(qiáng)化訓(xùn)練，而這些都離不開計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

工業(yè)企業(yè)的自動(dòng)化程度主要依賴于計(jì)算機(jī)控制的程度和儀器儀表的智能化程度。專業(yè)綜合設(shè)計(jì)就是把專業(yè)知識(shí)與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合，將C語言、單片機(jī)、PLC、計(jì)算機(jī)控制及相關(guān)專業(yè)課程緊密結(jié)合的綜合應(yīng)用，開展以學(xué)生自主式的小型測控系統(tǒng)或智能儀器儀表的設(shè)計(jì)、開發(fā)、檢測、調(diào)試。可編程控制器、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)等計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)踐教學(xué)，主要涉及計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)品的生產(chǎn)、裝配、測試、銷售；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)、現(xiàn)場安裝、調(diào)試和維護(hù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的管理、運(yùn)行等［12］。經(jīng)過計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)踐，學(xué)生在計(jì)算機(jī)語言、硬件電路、計(jì)算機(jī)仿真、界面設(shè)計(jì)以及通信、算法等技術(shù)方面，以及在典型計(jì)算機(jī)控制器及系統(tǒng)的工程應(yīng)用方面，形成比較完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)和專業(yè)技能。

3 計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用及教學(xué)實(shí)踐的效果

“應(yīng)用”是貫穿于計(jì)算機(jī)系列課程教學(xué)的重要指導(dǎo)思想，是課程建設(shè)和改革的關(guān)鍵因素。課程好比化學(xué)的基本元素，課程建設(shè)和改革始終離不開“應(yīng)用”這個(gè)催化劑。“應(yīng)用”不但使課程元素自身發(fā)生反應(yīng)，而且交錯(cuò)穿插于元素之間，使課程元素發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)過程不僅改變了以單一的知識(shí)傳授為主的傳統(tǒng)教學(xué)模式，更重要的是創(chuàng)建了面向職場的基礎(chǔ)理論、綜合實(shí)驗(yàn)、技能訓(xùn)練、設(shè)計(jì)研發(fā)、創(chuàng)新活動(dòng)為一體的任務(wù)驅(qū)動(dòng)式課程體系，從而適應(yīng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和新興產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)對新技術(shù)、新工藝、新方法的需求，提升了應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量。

學(xué)校、教師和學(xué)生通過正確地使用“應(yīng)用”，收到了顯著的教學(xué)效果：

（1）大力開展“實(shí)做”型綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐，學(xué)生普遍感到學(xué)以致用，受益匪淺；

（2）全面開放計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)室，給學(xué)生提供了充分自主學(xué)習(xí)的空間；

（3）成立各類計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用興趣小組，大批學(xué)生踴躍參加每年的各類設(shè)計(jì)競賽，設(shè)計(jì)出了構(gòu)思巧妙、新穎、實(shí)用的智能化小型電子產(chǎn)品，有許多專利申請已獲授權(quán)；

（4）在開發(fā)創(chuàng)新潛力的過程中，一批優(yōu)秀人才脫穎而出，例如本專業(yè)大學(xué)生代表中國在世界技能機(jī)器人組的大賽中取得突出成績；

（5）在全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中多次獲獎(jiǎng)，已有多支參賽隊(duì)獲全國一等獎(jiǎng)和全國二等獎(jiǎng)，在2013年“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽中獲天津市特等獎(jiǎng)和一等獎(jiǎng)；

（6）2014年，本專業(yè)就業(yè)率達(dá)98%以上，其中多名科研能力強(qiáng)的畢業(yè)生自己創(chuàng)辦了科技型企業(yè)，運(yùn)用平時(shí)跟教師一起搞科研時(shí)學(xué)到的技戰(zhàn)術(shù)本領(lǐng)承攬工程項(xiàng)目或開發(fā)產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

自動(dòng)化專業(yè)的計(jì)算機(jī)系列課程教學(xué)應(yīng)跟蹤計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)了解計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢和行業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，要密切注視當(dāng)前及未來人才市場的社會(huì)就業(yè)需求，科學(xué)、靈活地調(diào)整、優(yōu)化教學(xué)資源，明確本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的主攻方向，突出“應(yīng)用型”定位。同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步充實(shí)和更新教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的多方面的個(gè)性發(fā)展，多留給學(xué)生思維和創(chuàng)新的空間，讓學(xué)生們自覺地深入到實(shí)驗(yàn)室和科技創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)踐中去，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)知識(shí)層次逐漸遞進(jìn)、內(nèi)容銜接緊湊、學(xué)做用交叉的自動(dòng)化專業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)的課程體系。

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