构建自动化专业优质立体化教学资源的实践

徐晓红， 陈立刚, 卢惠民， 周宗潭， 李治斌

(国防科技大学 机电工程与自动化学院, 湖南 长沙 410073)

0 引言

我院自动化专业以提升专业人才培养质量为目标，在“十二五”重点建设项目和各级教学改革项目的支持下，建设了自动化专业国家级精品课程群，并以之为骨架，构建了与自动化专业协同发展的三层次课程设置的教学体系；从团队建设、课程改革、资源建设、实践教学等多个方面提出了一系列改革思路和方法，提升了团队的教研水平，丰富了国内自动化专业教学资源，为提高本科控制大类各专业的人才培养质量做出了贡献，成果突出，收益显著。

1 自动化专业教学改革的必要性

自动化是武器装备从机械化向信息化发展的桥梁和纽带，具有自动化专业背景的毕业生是军队信息化建设中大量需求的人才。军队信息化建设，特别是我军武器装备机械化和信息化复合发展，对自动化专业人才提出了系统思维能力更强、知识更新周期更短、联系实际更加紧密的迫切要求，对专业人才培养提出了新的挑战。

一直以来，我院自动化专业教学一直保持较高水平，学科建设亦位居全国前列。但随着国内和军内本科教育形势的发展，自动化专业本科教学过程中也出现了日益明显的问题。首先，旧的课程体系和人才培养方案已难以适应新形势下部队信息化人才培养的要求。为适应军队现代化建设和军事斗争准备需要，在保证课程体系相对稳定的基础上，必须优化调整课程结构，促进专业课程协同发展；必须做到教学资源及时更新、充实和发展，并研究探索与之相适应的教学新理论新方法；必须建设与结构合理、业务能力强、教学思想和教学理念与时俱进的优秀教学团队。

其次，我院学科的科研优势未能在教学中得到体现，大量优秀科研成果未及时转换成教学资源，十分有必要探索新的教学资源生成机制，打造与科研应用相衔接的一流实践平台。

2 构建精品课程群和专业教学体系

在自动化专业教学改革中，我们提出了以“厚基础、重实践、强能力”为指导思想，以先进性、实用性、综合性为指标，以确保课程体系和教学内容与专业建设协同发展为核心，明确了“核心课程-军队优质课程-省精品课程-国家精品课程-视频公开课-国家精品资源共享课程-国家级规划教材”递进的精品课程群建设思路。

2.1 建设精品课程群[1]

精品课程具有示范、辐射作用，建设精品课程群是实现自动化专业核心课程协调发展的重要举措。“计算机硬件技术基础”课程是我院较早具有影响力的名牌课程。“十五”期间，课程先后被评为军队优质课程和国家精品课程。 “十一五”期间，我们总结了“计算机硬件技术基础”国家精品课程建设的先进思想理念和成功经验，以“自动控制原理”和“计算机控制技术”课程为突破口进行推广移植，将这两门课程成功建设成为湖南省精品课程和国家精品课程，开启了自动化专业精品课程群建设新局面。“十二五”期间继续发挥，课程组成功建成“计算机硬件技术基础”和“计算机控制技术”两门国家精品资源共享课，一门军队级精品视频公开课“让计算机走进生活-计算机接口技术”，实现了自动化专业核心课程的协调发展。

2.2 构建立体化课程教学体系

我们在打造了“计算机硬件技术基础”、“计算机控制技术”、“自动控制原理”等国家/省级精品课程群的基础上，进一步强化实践教学，10学时以上的实验均单独设课，设计性、综合性实验项目比例达96%。从而构建了“基础、核心、应用”三层次课程设置和“理论、实践、创新”三层次实施立体化课程教学体系，如图1所示。

图中，基础课程旨在认知控制理论，了解控制系统，打牢设计基础；核心课程旨在熟悉控制系统原理，掌握计算机测控系统设计的基本技术和方法；应用课程旨在培养运用自动控制相关理论和计算机软硬件技术解决部队数字化建设相关问题的能力。每层次课程均有理论教学、实践教学、学科竞赛和课外创新实践活动的支撑。其中，实验教学以设计性、综合应用性和研究探索性实验为主、原理和功能验证性实验为辅；具体实施则以课内实验、课程设计和课外创新实践相结合形式为主。

图1 控制与硬件系列立体化课程体系

3 打造优质立体化教学资源

构建立体化教学资源，解决部分课程内容陈旧，课程内容多、学时少，难以按专业类别因材施教的问题。以专业综合改革和精品课程建设为载体，建设“规划教材-精品资源共享课-视频公开课-虚拟仿真实验”，形成了“从理论到实践，从实体到网络”相互交叉的自动化专业核心课程立体化教学资源[2]。

3.1 建设精品公开共享课程

按照国家精品资源共享课的指标体系，我们针对不同受众建设了精品资源共享课平台。受众利用该平台可享受全程高清视频，既可系统学习也可有选择地学习共享课程的知识点，对一些难以理解的原理还可播放动画学习；在自主学习过程中，学生可根据自己学习的程度，自由组卷进行自我测试评定学习效果；对于疑难问题可以按关键字或章节号搜索获得解答，也可以在线交流或以聊天讨论的方式，从教师或其他学生那里寻求帮助。此外，平台还提供有较完整的与课程有关的背景资料。

目前，平台上已高标准建成“计算机硬件技术基础”和“计算机控制技术”两门国家精品资源共享课。还开设了两门精品视频公开课程：一门是有关机器人技术的，机器人技术是团队科学研究的重点方向和特长领域，在长期的科研工作中积累了移动机器人定位、四足机器人、机器人认知等方面丰富的经验和技术；另一门是 “让计算机走进生活—计算机接口技术”课程，这门课程颠覆了传统课程建设理念，以一种典型的计算机控制系统和一般人既感神奇又感兴趣的生活机器人作为切入点，引出计算机接口的概念并逐步展开计算机接口技术最主要、最基本内容的讲述，最后又以构建一个机器人运动控制系统使之随“芯”而动，作为计算机接口技术的应用归宿。

3.2 建设高水平规划教材

我们在改革系列课程内容时，同时加强教材内涵建设，形成课程建设与教材建设相互促进的良性循环，在此编著出版高水平教材14部。其中，结合教指委“十二五”重点立项研究，配合开展实验教学模式改革，选择具有实际应用背景的科研实例，编著出版了教指委推荐教材《微机原理与接口技术经典实验案例集》；考虑到“计算机硬件技术基础”课程是以汇编语言开展硬件编程教学，难以满足以计算机接口技术与应用为主线的教学需求，我们在国内率先建立基于C语言开展硬件编程的实验教学体系，配合这一教学改革思想，还编著出版了突出计算思维能力培养和满足宽口径教学的《微型计算机原理与接口技术(第二版)》教材。

3.3 建设虚拟仿真实验教学资源

实验室遵循虚实结合、以虚补实、实体为主的教学理念，加强虚拟仿真实验资源建设，满足时间上、空间上的全开放机制。建设了8个虚拟仿真实验资源，解决了实验对象面广、量大以及实验调试难度大、场地要求高的问题。例如，自主设计开发的“典型控制环节特性分析”、“定时/计数器接口设计”等虚拟实验解决了实验对象面广、量大的需求；“磁悬浮小球控制系统”、“履带式机器人运动控制”等虚拟仿真实验解决了开展实际系统实验调试难度较大、对场地要求高的问题；“交通信号灯控制系统”虚拟实验还可形象模拟真实控制场景，有利于激发学生创新意识和实践兴趣。 “机电工程与自动化虚拟仿真实验中心”先后被评为湖南省和国家级虚拟仿真实验中心。

4 创新实践教学平台

我院自动化专业按照“人才培养需求牵引，专业改革方案驱动，发挥学科科研优势，转化成果构建平台，自研定制采购设备”的本科教学实践条件建设的思路、模式，高质量、高效益建设了学校“十一五”、“十二五”控制技术与工程实验室以及机器人技术创新实践基地。

4.1 科研成果及时转化为教学资源

以科研促进教学条件建设，及时将科研成果以自研定制的方式转化为教学资源。满足了结合武器装备开展研讨式、案例式教学以及进行课外创新实践和毕业设计等教学需求。

(1)以智能机器人系统和数字化、信息化武器装备研制的成果、经验为基础，自行设计开发制造了与实验改革思路相配套的微机接口技术实验平台；

(2)从火箭发射控制的基本原理出发，自研定制生产了一级倒立摆控制系统实验装置；

(3)从导弹、火炮的自动瞄准系统中抽象出来，自研定制了某型号火炮控制系统实验装置；

(4)以信息化装备研制为基础，自研定制了武器控制系统综合实验装置。

4.2 学科竞赛促进实践平台建设

我院重点建设了机器人技术创新实践基地。基地实施科学管理，提出并实践了“基本技能培训、方案策略讨论、专家教授讲座、关键技术攻关、赛前强化训练”的运行模式，以及“师、队、组三级组织、本科生为主力、以老带新、教师决策”的管理模式。打造了一个控制、机械、仪器等多学科交叉融合，满足创新人才培养的综合实践平台，以组队参加国内、国际各类机器人大赛为背景，培养了一支敢于创新、挑战和顽强拼搏，具有强劲战斗力的机器人团队。

这些建设的成果和机器人大赛积累的先进技术，推动了以自研自制、自研定制等形式及时将其转化为教学条件资源，建设了创意机器人组合系统、全向机器人移动平台、履带式机器人系统等，为满足更多学生参与创新实践提供了支撑条件。

5 结语

我院构建自动化专业优质教学资源的实践取得了显著的成果，团队建设的教学资源真正做到了服务于社会。2门国家精品资源共享课发布在爱课程网站，面向全国公众共享，截止2017年4月，点击率51882次，居全国上线课程前列。1门视频公开课发布在梦课程网站，面向全军官兵共享，课程获全国教育教学信息技术大奖赛二等奖。国家级规划教材被多次印刷，服务于军内外多所高校。“机电工程与自动化国家级虚拟仿真实验中心”已在校园网上向全国高校开放。团队主讲教师在教育部网培中心向全国十几个省市同步讲授“微机原理与接口技术”实施方案和示范课，锻造了一支国家级教学团队。

支撑大批学员参加亚太大学生机器人大赛(Robocon)，RoboCup机器人世界杯、国际地面无人系统创新挑战赛(UGVC)等高水平学科竞赛[3]。近年，有407人次在国家级学科竞赛中获奖，其中全国二等奖以上就有334人次(一等奖221人次)；301人次在湖南省学科竞赛中获奖，其中省级二等奖以上就有262人次(一等奖108人次)，全面提高了专业人才培养质量。

参文考献:

[1] 王艳芬，张剑英等.信号处理课程群实验教学体系的构建.上海：实验室研究与探索,2013,32(4).

[2] 蒋宗礼.建设国家精品资源共享课，提高人才培养质量.北京：中国大学教学,2013,(1).

[3] 徐晓红, 郑志强,卢惠民. 构建机器人技术创新实践基地的探索与实践. 上海：实验室研究与探索,2015,(3)