構(gòu)建自動(dòng)化專業(yè)優(yōu)質(zhì)立體化教學(xué)資源的實(shí)踐

徐曉紅， 陳立剛, 盧惠民， 周宗潭， 李治斌

(國(guó)防科技大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

0 引言

我院自動(dòng)化專業(yè)以提升專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，在“十二五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目和各級(jí)教學(xué)改革項(xiàng)目的支持下，建設(shè)了自動(dòng)化專業(yè)國(guó)家級(jí)精品課程群，并以之為骨架，構(gòu)建了與自動(dòng)化專業(yè)協(xié)同發(fā)展的三層次課程設(shè)置的教學(xué)體系；從團(tuán)隊(duì)建設(shè)、課程改革、資源建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)等多個(gè)方面提出了一系列改革思路和方法，提升了團(tuán)隊(duì)的教研水平，豐富了國(guó)內(nèi)自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)資源，為提高本科控制大類各專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)，成果突出，收益顯著。

1 自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革的必要性

自動(dòng)化是武器裝備從機(jī)械化向信息化發(fā)展的橋梁和紐帶，具有自動(dòng)化專業(yè)背景的畢業(yè)生是軍隊(duì)信息化建設(shè)中大量需求的人才。軍隊(duì)信息化建設(shè)，特別是我軍武器裝備機(jī)械化和信息化復(fù)合發(fā)展，對(duì)自動(dòng)化專業(yè)人才提出了系統(tǒng)思維能力更強(qiáng)、知識(shí)更新周期更短、聯(lián)系實(shí)際更加緊密的迫切要求，對(duì)專業(yè)人才培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。

一直以來(lái)，我院自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)一直保持較高水平，學(xué)科建設(shè)亦位居全國(guó)前列。但隨著國(guó)內(nèi)和軍內(nèi)本科教育形勢(shì)的發(fā)展，自動(dòng)化專業(yè)本科教學(xué)過(guò)程中也出現(xiàn)了日益明顯的問(wèn)題。首先，舊的課程體系和人才培養(yǎng)方案已難以適應(yīng)新形勢(shì)下部隊(duì)信息化人才培養(yǎng)的要求。為適應(yīng)軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)和軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備需要，在保證課程體系相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，必須優(yōu)化調(diào)整課程結(jié)構(gòu)，促進(jìn)專業(yè)課程協(xié)同發(fā)展；必須做到教學(xué)資源及時(shí)更新、充實(shí)和發(fā)展，并研究探索與之相適應(yīng)的教學(xué)新理論新方法；必須建設(shè)與結(jié)構(gòu)合理、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)、教學(xué)思想和教學(xué)理念與時(shí)俱進(jìn)的優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

其次，我院學(xué)科的科研優(yōu)勢(shì)未能在教學(xué)中得到體現(xiàn)，大量?jī)?yōu)秀科研成果未及時(shí)轉(zhuǎn)換成教學(xué)資源，十分有必要探索新的教學(xué)資源生成機(jī)制，打造與科研應(yīng)用相銜接的一流實(shí)踐平臺(tái)。

2 構(gòu)建精品課程群和專業(yè)教學(xué)體系

在自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)改革中，我們提出了以“厚基礎(chǔ)、重實(shí)踐、強(qiáng)能力”為指導(dǎo)思想，以先進(jìn)性、實(shí)用性、綜合性為指標(biāo)，以確保課程體系和教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)建設(shè)協(xié)同發(fā)展為核心，明確了“核心課程-軍隊(duì)優(yōu)質(zhì)課程-省精品課程-國(guó)家精品課程-視頻公開(kāi)課-國(guó)家精品資源共享課程-國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材”遞進(jìn)的精品課程群建設(shè)思路。

2.1 建設(shè)精品課程群[1]

精品課程具有示范、輻射作用，建設(shè)精品課程群是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化專業(yè)核心課程協(xié)調(diào)發(fā)展的重要舉措。“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程是我院較早具有影響力的名牌課程?！笆濉逼陂g，課程先后被評(píng)為軍隊(duì)優(yōu)質(zhì)課程和國(guó)家精品課程。 “十一五”期間，我們總結(jié)了“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”國(guó)家精品課程建設(shè)的先進(jìn)思想理念和成功經(jīng)驗(yàn)，以“自動(dòng)控制原理”和“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程為突破口進(jìn)行推廣移植，將這兩門課程成功建設(shè)成為湖南省精品課程和國(guó)家精品課程，開(kāi)啟了自動(dòng)化專業(yè)精品課程群建設(shè)新局面?！笆濉逼陂g繼續(xù)發(fā)揮，課程組成功建成“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”和“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”兩門國(guó)家精品資源共享課，一門軍隊(duì)級(jí)精品視頻公開(kāi)課“讓計(jì)算機(jī)走進(jìn)生活-計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化專業(yè)核心課程的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2.2 構(gòu)建立體化課程教學(xué)體系

我們?cè)诖蛟炝恕坝?jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”、“自動(dòng)控制原理”等國(guó)家/省級(jí)精品課程群的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，10學(xué)時(shí)以上的實(shí)驗(yàn)均單獨(dú)設(shè)課，設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比例達(dá)96%。從而構(gòu)建了“基礎(chǔ)、核心、應(yīng)用”三層次課程設(shè)置和“理論、實(shí)踐、創(chuàng)新”三層次實(shí)施立體化課程教學(xué)體系，如圖1所示。

圖中，基礎(chǔ)課程旨在認(rèn)知控制理論，了解控制系統(tǒng)，打牢設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；核心課程旨在熟悉控制系統(tǒng)原理，掌握計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本技術(shù)和方法；應(yīng)用課程旨在培養(yǎng)運(yùn)用自動(dòng)控制相關(guān)理論和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)解決部隊(duì)數(shù)字化建設(shè)相關(guān)問(wèn)題的能力。每層次課程均有理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽和課外創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)的支撐。其中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)以設(shè)計(jì)性、綜合應(yīng)用性和研究探索性實(shí)驗(yàn)為主、原理和功能驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為輔；具體實(shí)施則以課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和課外創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合形式為主。

圖1 控制與硬件系列立體化課程體系

3 打造優(yōu)質(zhì)立體化教學(xué)資源

構(gòu)建立體化教學(xué)資源，解決部分課程內(nèi)容陳舊，課程內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少，難以按專業(yè)類別因材施教的問(wèn)題。以專業(yè)綜合改革和精品課程建設(shè)為載體，建設(shè)“規(guī)劃教材-精品資源共享課-視頻公開(kāi)課-虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，形成了“從理論到實(shí)踐，從實(shí)體到網(wǎng)絡(luò)”相互交叉的自動(dòng)化專業(yè)核心課程立體化教學(xué)資源[2]。

3.1 建設(shè)精品公開(kāi)共享課程

按照國(guó)家精品資源共享課的指標(biāo)體系，我們針對(duì)不同受眾建設(shè)了精品資源共享課平臺(tái)。受眾利用該平臺(tái)可享受全程高清視頻，既可系統(tǒng)學(xué)習(xí)也可有選擇地學(xué)習(xí)共享課程的知識(shí)點(diǎn)，對(duì)一些難以理解的原理還可播放動(dòng)畫(huà)學(xué)習(xí)；在自主學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可根據(jù)自己學(xué)習(xí)的程度，自由組卷進(jìn)行自我測(cè)試評(píng)定學(xué)習(xí)效果；對(duì)于疑難問(wèn)題可以按關(guān)鍵字或章節(jié)號(hào)搜索獲得解答，也可以在線交流或以聊天討論的方式，從教師或其他學(xué)生那里尋求幫助。此外，平臺(tái)還提供有較完整的與課程有關(guān)的背景資料。

目前，平臺(tái)上已高標(biāo)準(zhǔn)建成“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”和“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”兩門國(guó)家精品資源共享課。還開(kāi)設(shè)了兩門精品視頻公開(kāi)課程：一門是有關(guān)機(jī)器人技術(shù)的，機(jī)器人技術(shù)是團(tuán)隊(duì)科學(xué)研究的重點(diǎn)方向和特長(zhǎng)領(lǐng)域，在長(zhǎng)期的科研工作中積累了移動(dòng)機(jī)器人定位、四足機(jī)器人、機(jī)器人認(rèn)知等方面豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；另一門是 “讓計(jì)算機(jī)走進(jìn)生活—計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”課程，這門課程顛覆了傳統(tǒng)課程建設(shè)理念，以一種典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和一般人既感神奇又感興趣的生活機(jī)器人作為切入點(diǎn)，引出計(jì)算機(jī)接口的概念并逐步展開(kāi)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)最主要、最基本內(nèi)容的講述，最后又以構(gòu)建一個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使之隨“芯”而動(dòng)，作為計(jì)算機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用歸宿。

3.2 建設(shè)高水平規(guī)劃教材

我們?cè)诟母锵盗姓n程內(nèi)容時(shí)，同時(shí)加強(qiáng)教材內(nèi)涵建設(shè)，形成課程建設(shè)與教材建設(shè)相互促進(jìn)的良性循環(huán)，在此編著出版高水平教材14部。其中，結(jié)合教指委“十二五”重點(diǎn)立項(xiàng)研究，配合開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革，選擇具有實(shí)際應(yīng)用背景的科研實(shí)例，編著出版了教指委推薦教材《微機(jī)原理與接口技術(shù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)案例集》；考慮到“計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)”課程是以匯編語(yǔ)言開(kāi)展硬件編程教學(xué)，難以滿足以計(jì)算機(jī)接口技術(shù)與應(yīng)用為主線的教學(xué)需求，我們?cè)趪?guó)內(nèi)率先建立基于C語(yǔ)言開(kāi)展硬件編程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，配合這一教學(xué)改革思想，還編著出版了突出計(jì)算思維能力培養(yǎng)和滿足寬口徑教學(xué)的《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版)》教材。

3.3 建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源

實(shí)驗(yàn)室遵循虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、實(shí)體為主的教學(xué)理念，加強(qiáng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，滿足時(shí)間上、空間上的全開(kāi)放機(jī)制。建設(shè)了8個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，解決了實(shí)驗(yàn)對(duì)象面廣、量大以及實(shí)驗(yàn)調(diào)試難度大、場(chǎng)地要求高的問(wèn)題。例如，自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的“典型控制環(huán)節(jié)特性分析”、“定時(shí)/計(jì)數(shù)器接口設(shè)計(jì)”等虛擬實(shí)驗(yàn)解決了實(shí)驗(yàn)對(duì)象面廣、量大的需求；“磁懸浮小球控制系統(tǒng)”、“履帶式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制”等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)解決了開(kāi)展實(shí)際系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試難度較大、對(duì)場(chǎng)地要求高的問(wèn)題；“交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)”虛擬實(shí)驗(yàn)還可形象模擬真實(shí)控制場(chǎng)景，有利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐興趣。 “機(jī)電工程與自動(dòng)化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心”先后被評(píng)為湖南省和國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心。

4 創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

我院自動(dòng)化專業(yè)按照“人才培養(yǎng)需求牽引，專業(yè)改革方案驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮學(xué)科科研優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)化成果構(gòu)建平臺(tái)，自研定制采購(gòu)設(shè)備”的本科教學(xué)實(shí)踐條件建設(shè)的思路、模式，高質(zhì)量、高效益建設(shè)了學(xué)?！笆晃濉?、“十二五”控制技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)室以及機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地。

4.1 科研成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源

以科研促進(jìn)教學(xué)條件建設(shè)，及時(shí)將科研成果以自研定制的方式轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源。滿足了結(jié)合武器裝備開(kāi)展研討式、案例式教學(xué)以及進(jìn)行課外創(chuàng)新實(shí)踐和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)需求。

(1)以智能機(jī)器人系統(tǒng)和數(shù)字化、信息化武器裝備研制的成果、經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)制造了與實(shí)驗(yàn)改革思路相配套的微機(jī)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

(2)從火箭發(fā)射控制的基本原理出發(fā)，自研定制生產(chǎn)了一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置；

(3)從導(dǎo)彈、火炮的自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中抽象出來(lái)，自研定制了某型號(hào)火炮控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置；

(4)以信息化裝備研制為基礎(chǔ)，自研定制了武器控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)裝置。

4.2 學(xué)科競(jìng)賽促進(jìn)實(shí)踐平臺(tái)建設(shè)

我院重點(diǎn)建設(shè)了機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地?；貙?shí)施科學(xué)管理，提出并實(shí)踐了“基本技能培訓(xùn)、方案策略討論、專家教授講座、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、賽前強(qiáng)化訓(xùn)練”的運(yùn)行模式，以及“師、隊(duì)、組三級(jí)組織、本科生為主力、以老帶新、教師決策”的管理模式。打造了一個(gè)控制、機(jī)械、儀器等多學(xué)科交叉融合，滿足創(chuàng)新人才培養(yǎng)的綜合實(shí)踐平臺(tái)，以組隊(duì)參加國(guó)內(nèi)、國(guó)際各類機(jī)器人大賽為背景，培養(yǎng)了一支敢于創(chuàng)新、挑戰(zhàn)和頑強(qiáng)拼搏，具有強(qiáng)勁戰(zhàn)斗力的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)。

這些建設(shè)的成果和機(jī)器人大賽積累的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)了以自研自制、自研定制等形式及時(shí)將其轉(zhuǎn)化為教學(xué)條件資源，建設(shè)了創(chuàng)意機(jī)器人組合系統(tǒng)、全向機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、履帶式機(jī)器人系統(tǒng)等，為滿足更多學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)踐提供了支撐條件。

5 結(jié)語(yǔ)

我院構(gòu)建自動(dòng)化專業(yè)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的實(shí)踐取得了顯著的成果，團(tuán)隊(duì)建設(shè)的教學(xué)資源真正做到了服務(wù)于社會(huì)。2門國(guó)家精品資源共享課發(fā)布在愛(ài)課程網(wǎng)站，面向全國(guó)公眾共享，截止2017年4月，點(diǎn)擊率51882次，居全國(guó)上線課程前列。1門視頻公開(kāi)課發(fā)布在夢(mèng)課程網(wǎng)站，面向全軍官兵共享，課程獲全國(guó)教育教學(xué)信息技術(shù)大獎(jiǎng)賽二等獎(jiǎng)。國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材被多次印刷，服務(wù)于軍內(nèi)外多所高校?！皺C(jī)電工程與自動(dòng)化國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心”已在校園網(wǎng)上向全國(guó)高校開(kāi)放。團(tuán)隊(duì)主講教師在教育部網(wǎng)培中心向全國(guó)十幾個(gè)省市同步講授“微機(jī)原理與接口技術(shù)”實(shí)施方案和示范課，鍛造了一支國(guó)家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

支撐大批學(xué)員參加亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽(Robocon)，RoboCup機(jī)器人世界杯、國(guó)際地面無(wú)人系統(tǒng)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽(UGVC)等高水平學(xué)科競(jìng)賽[3]。近年，有407人次在國(guó)家級(jí)學(xué)科競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，其中全國(guó)二等獎(jiǎng)以上就有334人次(一等獎(jiǎng)221人次)；301人次在湖南省學(xué)科競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，其中省級(jí)二等獎(jiǎng)以上就有262人次(一等獎(jiǎng)108人次)，全面提高了專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

參文考獻(xiàn):

[1] 王艷芬，張劍英等.信號(hào)處理課程群實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建.上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(4).

[2] 蔣宗禮.建設(shè)國(guó)家精品資源共享課，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量.北京：中國(guó)大學(xué)教學(xué),2013,(1).

[3] 徐曉紅, 鄭志強(qiáng),盧惠民. 構(gòu)建機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐基地的探索與實(shí)踐. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,(3)