基于新工科教育背景下的计算机语言课程教学改革探讨*

姚汝贤，陈中显

（黄淮学院 信息工程学院，河南 驻马店463000）

一、引言

2017年2月18日，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，明确提出我国高等学校要加快发展一批新兴工科专业，并推动现有工科专业的改革创新。计算机语言课程是新兴工科专业和现有工科专业必不可缺的基础专业课程，在新工科教育的发展过程中起到基石作用。计算机语言课程不仅是软件工程、计算机科学与技术、信息管理与信息系统等专业的专业核心课程，也是机械类、电气类、通信类等专业的主干课程，更是机器人、物联网、大数据等新兴专业的必修课程。

计算机语言是人类与被控系统之间的桥梁，如何灵活、快速、精确地完成对被控对象的操控，取决于人类对计算机语言掌握的熟练度和实践能力。

在当今以市场为导向的应用型技术人才教育背景下，只有重构计算机语言教学的综合体系，才能培养出适应新技术、新产业和新经济发展的卓越计算机语言应用人才，进而从计算机语言教学的角度，推动我国新工科教育的快速健康发展。

二、课程教学的体系建设

随着近年来的工业、农业、制造业等产业的转型升级，传统的计算机语言课程教学模式已无法满足培养工程科技创新和产业创新人才的需求。因此，亟待进行计算机语言课程教学的改革和实践。

图1 计算机语言课程教学体系建设的整体框架

作为计算机语言课程教学改革和实践的首要步骤，体系建设是进行理论教学、实践方法和教学质量评价的纲领。计算机语言课程教学体系建设的整体框架如图1所示。

（1）需要制定完善的教学管理制度，包含教师和学生的管理、教学计划、质量管理、教学工具和资料的管理等。

（2）结合当今重大市场产品的功能和特性，把计算机语言教学目标融汇到实践过程之中，从而明确培养工程科技人才的教学目标。

（3）制定结构合理、由易到难、循序渐进的教学内容，并通过切合学生自身实际的教学方式，逐步培养学生对于计算机语言课程学习的兴趣。通过参与工程项目的实践活动，与社会力量和用人单位沟通交流，实现计算机语言技能与商业化、规模化的产品接轨，是整个教学活动的最终目的。因此，所有的计算机语言课程教学管理、教学目标、教学内容和教学方式，都是围绕实践活动制定的。充分地把计算机语言教学和实际工程应用相结合，是培养卓越工程科技人才和践行应用型技术人才体系建设的关键。

（4）进行计算机语言课程教学的综合评价。根据新技术和新产业的需求以及区域经济的新特点，通过周期性地评价和对比取长补短，进一步修正和完善计算机语言教学体系建设。

三、理论教学

理论教学应当结合工程科技类人才的自身特性，以学生志趣和理念为中心，引入与理论知识密切相关的产品案例，广泛搭建以创新创业为背景的理论教学平台，使教师和学生都能充分认识到理论知识的重要性，并在对产品特性的认识过程中，掌握理论知识的重点和难点，从而达到理论教学的目的——把理论知识贯穿到“创意-创新-创业”的教育体系之中。

图2 基于计算机语言课程的电机控制理论教学步骤

图2是基于计算机语言课程的电机控制理论教学步骤。在项目驱动的情况下，使课堂理论教学由易到难、循序渐进地进行，最终能够与市场产品达到融会贯通。具体步骤如下：

1.产品特性描述

电机控制理论，是一门非常不易掌握的电工类课程，基于计算机语言的电机控制理论，进一步增添了课程的抽象性和难度。因此，把与电机相关的创意产品（残疾人电动车、老年人电动车等）纳入到该课程理论教学的第一步，使师生们能够直观地认识电机运行的原理。电动车是人们日常出行普遍使用的交通工具，通过对电动车行驶过程中的速度和加速度操控，引出电动车的动力来源——电机，进而引出电机运行速度和加速度的大小，是建立在电流基础上的（创新）。

2.基础任务引导

大多数的时候，电动车在行驶过程中是非匀速的，并且在某些情况下需要瞬时加速度。因此，本步骤提出的项目驱动是：如何采用有效的方法，调整电动车在变速情况下的正常运行。鉴于此，引出电机速度和加速度的PI控制方法，在熟悉PI控制方法的理论公式推导基础上，编写计算机语言程序，验证PI控制方法在电机运行速度控制过程中的可行性。

3.案例教学

为了更加直观地理解PI控制方法和基于此编写的计算机语言程序，把计算机语言程序下载到控制器之中，接通电源，通过改变参数P和I，观察和测量电机运行速度和加速度数据，并与步骤2的仿真数据相比较，验证PI控制方法在电机运行控制中的可行性。

4.任务难度升级

经过步骤3的实测数据和步骤2的仿真数据比较，可以得出PI控制方法在电机运行速度和加速度的精准控制方面，还有一定的缺点。在此基础上，引出电机的内模PID（比例-积分-微分）控制方法，该方法作为一种较为新兴的电机控制方法，可以应用到两轮电动车、三轮电动车和四轮电动车之中，并保障电动车在行驶过程中所需的速度和加速度参数要求。在师生们掌握PI控制方法的基础上，能够很容易地掌握内模PID控制方法，这充分体现了计算机语言课程教学循序渐进的特点。

5.理论教学总结

通过步骤4和3的比较和分析，可以得出内模PID控制方法可以精准地控制电机的运行速度和加速度，具有良好的目标跟踪特性、干扰抑制性和鲁棒性。鉴于此，可以得出内模PID控制方法在电动车行业中具有良好的应用前景和商业价值（创业）。

四、实践方法

教学实践是理论教学的延伸，只有通过实践才可以对理论学习内容进行修正、拓展和创新，从而为理论知识应用于市场产品，构建基于产业需求的新工科专业，奠定良好的技术基础。实践方法是否紧贴市场产品的特性，是否能够成功地搭建理论知识与市场产品之间的桥梁，将会成为决定实践效果是否良好的关键。图3所示，是分别基于计算机语言程序的PI控制方法、PID控制方法和内模PID控制方法，进行电机运行速度的调节，使电动车从启动到稳定速度的过程曲线。

分析图3的“速度-时间”曲线，得到在上述三种控制方法的情况下电动车从启动到稳定运行的关键数据比较，如表1所示。

图3 电动车启动到稳定速度的过程

依据电动车在道路上行驶的速度安全性进行分析可知：①速度的稳定时间t3越小越好，因为时间t3越长，越不利于电动车的安全行驶；②电动车的行驶过程中，不允许出现峰值时间t2，因为电动车的瞬间速度大于司机的操控速度，将会给电动车和司乘人员带来极大的安全隐患；③虽然PI控制方法的上升时间t1较小，但其峰值时间t2和稳定时间t3占绝对劣势。因此，综合分析可知内模PID控制方法更适合应用到电动车市场之中。

综上所述，把计算机语言程序应用到电动车的安全行驶过程中，通过分析电动车的运行速度，得出内模PID控制方法更加适合应用到电动车产品之中。这种理论与市场产品相结合的实践教学方法，跨越了实验室的特定环境，直接提高了师生对于计算机语言课程的认识度和掌握度，非常适合培养卓越的工程科技人才，并践行了新工科教育教学方式建设和应用型技术人才培养的宗旨。

表1 三种控制方法的比较

五、教学质量评价

计算机语言课程的教学质量评价，是促进课程改革、提升相关行业创新创业和工程思维的有利方式。教学质量评价主要是针对教学管理、理论教学和实践教学的评价，如图4所示。其中，教学管理的评价由教师和学生完成。通过对教学过程中的各种规章制度、设备设施仪器、档案资料以及教学奖励措施进行评价和建议，完善教学管理措施，使之能够切实在教学改革过程中发挥管理和服务的双重功能。理论教学的评价，是检验执教教师业务水平的关键因素之一。

通过对执教教师的课堂教学活动、教案、教学进度计划表以及课下作业等进行检查和指导，可以提高执教教师的业务水平；通过学生评课，可以完善执教教师在课堂教学中的不足之处，也有利于执教教师掌握课堂学情，达到因材施教的效果。

实践教学评价这一环节，是检验理论教学知识是否紧跟市场重大产品的唯一标准，是培养应用型工程科技人才的关键。因此，通过三次的实践教学评价（其中的二次评价和三次评价由从事本专业工作的学生完成），以及企业用人单位的评价，可以及时发现市场重大产品与专业理论知识的衔接度，并促进实践教学的改进和完善。

图4 教学质量评价

六、结束语

计算机语言课程是软件类、计算机类相关专业的基础核心课程之一，也是电气类、机械类等一批传统工科专业建立新的专业结构、教学模式、人才培养体系过程中必不可少的一门课程，其应用较为广泛，并具有很强的实践性，对相关专业学生的工程技术应用能力培养起着非常重要的作用。

本文从体系建设、理论教学、实践方法和教学质量评价等方面，提出了与当今重大市场产品有机结合起来的计算机语言课程教学改革模式。此教学改革模式增强了学生把理论知识应用于实践的能力，开拓了理论课程的视野，为实现新工科背景下对于卓越工程科技人才的培养，以及践行应用型技术大学的教育方法，奠定了良好的基础。