楊 曼,高 飛,趙 波,董永濤

(云南民族大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

2016年6月2日，我國成為國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》的正式會員[1]，這標(biāo)志著我國高等教育將以工程教育為導(dǎo)向，對我國高等教育質(zhì)量的提高發(fā)揮著極大的督促作用.在我國高等教育中，地方高等院校是主體力量，作者根據(jù)教育部發(fā)布《全國高等學(xué)校名單》截止2017年5月數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國普通高等院校共計(jì)2631所，教育部直屬普通高等院校76所，民辦高等院校735所，其他地方所屬高等院校院校地方院校共計(jì)1820所，地方所屬高等院校占69%.地方院校以服務(wù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和促進(jìn)社會發(fā)展為目標(biāo)，承擔(dān)著為地方培養(yǎng)高素質(zhì)人才的重要任務(wù)[2].但地方高等院校與“985工程”院校和“211工程”院校相比存在著學(xué)生基礎(chǔ)較差、教師能力欠缺、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)條件不足等問題.

工程教育的根本理念是“以學(xué)生為中心”[3-4]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，聚焦于學(xué)生通過學(xué)習(xí)具備什么能力，畢業(yè)生應(yīng)該滿足怎樣的畢業(yè)要求，工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的畢業(yè)要求共計(jì)12條，作者在長期的教學(xué)工作中發(fā)現(xiàn)地方院校學(xué)生最欠缺工程認(rèn)證畢業(yè)要求中的研究能力、個人和團(tuán)隊(duì)能力以及溝通能力，3方面能力在工程認(rèn)證中具體描述如下.

1) 研究 能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對復(fù)雜工程問題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析與解釋數(shù)據(jù)、并通過信息綜合得到合理有效的結(jié)論.

2) 個人和團(tuán)隊(duì) 能夠在多學(xué)科背景下的團(tuán)隊(duì)中承擔(dān)個體、團(tuán)隊(duì)成員以及負(fù)責(zé)人的角色.

3) 溝通 能夠就復(fù)雜工程問題與業(yè)界同行及社會公眾進(jìn)行有效溝通和交流，包括撰寫報告和設(shè)計(jì)文稿、陳述發(fā)言、清晰表達(dá)或回應(yīng)指令.并具備一定的國際視野，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流.

地方高等院校工程化建設(shè)任重而道遠(yuǎn)，課程建設(shè)是高等教育的重要組成部分，而《C程序設(shè)計(jì)》是工程教育體系的一門重要基礎(chǔ)課程，因此研究符合工程認(rèn)證要求的地方院?！禖程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)設(shè)計(jì)有重要意義.筆者課題組以智能汽車競賽項(xiàng)目作為工程抓點(diǎn)，抽取核心內(nèi)容，結(jié)合《C程序設(shè)計(jì)》知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，通過用本課程設(shè)計(jì)進(jìn)行教學(xué)，實(shí)現(xiàn)對上述3種能力的提高.

1 教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)

1.1 《C程序設(shè)計(jì)》教學(xué)現(xiàn)狀

《C程序設(shè)計(jì)》課程是工科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程對實(shí)踐性要求特別高，不但要求學(xué)生掌握書本上的概念，更要求學(xué)生動手編程，調(diào)試和運(yùn)行程序[5～8]，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ).目前本科高等院?！禖程序設(shè)計(jì)》的教學(xué)現(xiàn)狀為[9]：

1) “重理論，輕實(shí)踐”，授課老師用大量課堂時間在課堂上用“滿堂灌”的方法教授C程序語法和細(xì)節(jié)，實(shí)踐訓(xùn)練較少，學(xué)生能聽懂但自己不會做.導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，教學(xué)效果不佳；

2) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，課程與本專業(yè)的知識脫節(jié).目前《C程序設(shè)計(jì)》課程主要是按照擬定教材上課，教材上內(nèi)容固定，很難與學(xué)生所學(xué)專業(yè)結(jié)合，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中感覺與專業(yè)無關(guān)，學(xué)習(xí)情緒不高.

1.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.2.1 智能汽車競賽

智能汽車競賽為加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)精神的培養(yǎng)，促進(jìn)高等教育教學(xué)改革，由教育部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦全國大學(xué)生智能汽車競賽.智能汽車競賽的指導(dǎo)思想是“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”，鼓勵在校本科生積極參與，追求卓越，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)合作和創(chuàng)新精神[10].

智能汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括3個部分：賽車總體機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng).軟件控制系統(tǒng)是汽車的靈魂，以攝像頭組智能汽車軟件控制為例，一般包括圖像采集、圖像處理、賽道識別和自動控制4個部分組[11-12]，智能汽車軟件功能細(xì)化圖如圖1所示.

初始化：單片機(jī)是智能小車的重要組成部分，要使單片機(jī)能正常工作，必須先對其進(jìn)行初始化.主要是PPL初始化、PWM模塊初始化、ECT模塊初始化、I/O口初始化、A/D初始化.

圖像采集：圖像采集對于智能小車來說是非常重要的模塊，它是智能車的“眼睛”，是智能小車唯一能感知外部信息的傳感器模塊，所有賽道信息都只能由圖像采集模塊感知的，是小車穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速行駛的前提條件.

圖像處理：圖像采集來的圖像信息不能直接用來控制智能車，需要將圖像去噪，去除干擾，運(yùn)用二值優(yōu)化算法提出賽道黑線后，才能用來控制智能車行駛.

賽道識別：要讓小車快速的行駛，需要提前判斷路況，識別賽道類型，才能保證小車有效的行駛.在智能車競賽中主要包括直行道、左右單彎道、S彎道等.

自動控制：根據(jù)識別的賽道信息對小車進(jìn)行自動控制，自動控制包括電機(jī)轉(zhuǎn)向控制和直流電機(jī)控制調(diào)節(jié)速度，電機(jī)轉(zhuǎn)向控制算法一般采用PID算法，直流電機(jī)控制算法一般采用二維模糊算法和PID算法.

起始線檢測：起始線能否準(zhǔn)確的檢測到，并轉(zhuǎn)化為停車標(biāo)志，是智能車跑完一圈后能否平穩(wěn)停下來的關(guān)鍵.判斷起始線的方法常有數(shù)黑點(diǎn)法、三段黑線法等.

1.2.2 智能汽車與《C程序設(shè)計(jì)》結(jié)合

作者通過對智能汽車軟件部分模塊的研究，結(jié)合《C程序設(shè)計(jì)》的課程特點(diǎn)和學(xué)習(xí)該門課程需掌握的知識點(diǎn)，通過多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從智能汽車軟件部分中提取了以下5個問題進(jìn)行教學(xué)，提取問題和課程知識點(diǎn)對應(yīng)如表1所示.

表1 智能汽車提取問題和課程知識點(diǎn)對應(yīng)表

初始化是任何C程序設(shè)計(jì)必須的部分，特別是對智能汽車的軟件設(shè)計(jì)，智能汽車的主要控制部件是單片機(jī)，對單片機(jī)的初始化是智能汽車正常工作的基礎(chǔ)，初始化涵蓋的C程序知識點(diǎn)主要有數(shù)據(jù)類型、變量定義及初始化；二值化是在圖像采集處理中用灰度變換來研究灰度圖像的一種常用方法，二值優(yōu)化算法涵蓋的C程序知識點(diǎn)主要有算法、數(shù)組和指針；直行道識別和起始線識別是智能汽車賽道識別類型中的一種，涵蓋的C程序知識點(diǎn)主要有算法、順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)；PID算法是在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制算法，在智能汽車競賽中主要用于舵機(jī)的控制和電動機(jī)的控制，PID算法涵蓋的C程序知識點(diǎn)主要有算法、循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu).通過對上述問題的學(xué)習(xí)可以達(dá)到鞏固C程序相關(guān)知識點(diǎn)，并對C程序靈活應(yīng)用的目的.

在《C程序設(shè)計(jì)》課程中引入了智能汽車軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，將理工科專業(yè)知識與C程序設(shè)計(jì)知識相結(jié)合，改變了傳統(tǒng)教學(xué)中僅僅以教材內(nèi)容為限制，使學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程的同時深化了專業(yè)知識，提高了學(xué)生對實(shí)際問題中較復(fù)雜的問題進(jìn)行處理的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的研究能力.

1.3 教學(xué)方法改革設(shè)計(jì)與實(shí)踐

由于高校招生生源的原因，地方院校學(xué)生的知識儲備能力、自身素質(zhì)和認(rèn)知水平上都與重點(diǎn)高校的學(xué)生有差距，主要表現(xiàn)在以下學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力差、課堂參與度底和缺乏足夠的自學(xué)時間[13].因此在《C程序設(shè)計(jì)》教學(xué)方法中主要采取了傳統(tǒng)的教學(xué)方式.但該門課程是實(shí)踐性和邏輯性很強(qiáng)的一門課程，所以除了傳統(tǒng)教學(xué)方式外，還采用了基于項(xiàng)目教學(xué)方法[14]和問題教學(xué)方法[15]結(jié)合的教學(xué)方法、分組教學(xué)方法和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法[16].

項(xiàng)目和問題教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)方法：對于地方院校的學(xué)生，完全采用基于項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生的能力達(dá)不到；單純采用問題教學(xué)，沒有載體，難以滿足工程認(rèn)證的要求.本文采用基于智能汽車競賽項(xiàng)目作為載體，提出核心內(nèi)容作為問題，結(jié)合課程知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)，具體結(jié)合點(diǎn)參見表1.通過項(xiàng)目和問題結(jié)合的教學(xué)方法，讓學(xué)生研究智能汽車軟件設(shè)計(jì)中專業(yè)實(shí)際中較復(fù)雜的工程問題，提高學(xué)生解決這些問題的實(shí)際能力，學(xué)生的研究能力得到了培養(yǎng).

分組教學(xué)方法：對班級同學(xué)進(jìn)行分組，每組選一名小組長，組內(nèi)成員進(jìn)行分工合作，最終完成團(tuán)隊(duì)工作.通過分組教學(xué)方法，讓學(xué)生構(gòu)建團(tuán)隊(duì)，讓團(tuán)隊(duì)中每個成員都承擔(dān)自己的責(zé)任，團(tuán)隊(duì)成員為達(dá)成共同的目標(biāo)而努力，培養(yǎng)了學(xué)生的個人和團(tuán)隊(duì)以及溝通能力.

翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)方法：是指學(xué)生在課后完成知識的學(xué)習(xí)，而課堂變成了老師學(xué)生之間和學(xué)生與學(xué)生之間互動的場所，包括答疑解惑、知識的運(yùn)用等，從而達(dá)到更好的教育效果.本課程要求上課班級同學(xué)在課后進(jìn)行智能汽車知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，撰寫PPT，并在課程結(jié)束前進(jìn)行PPT匯報工作，匯報完成后老師進(jìn)行點(diǎn)評.通過翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，讓學(xué)生準(zhǔn)備如何解決智能汽車軟件設(shè)計(jì)中專業(yè)問題的PPT，并進(jìn)行講解，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了很大的提高，并培養(yǎng)了學(xué)生研究、個人和團(tuán)隊(duì)、溝通能力.

2 教學(xué)改革方案評價與實(shí)踐

傳統(tǒng)的考核評價主要通過平時作業(yè)、考勤和期末考試作業(yè)作為考核評價標(biāo)準(zhǔn)，《C程序設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)引入了智能小車軟件提取的問題進(jìn)行教學(xué)，考核評價包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、期末成績、分工任務(wù)完成情況、PPT質(zhì)量和匯報情況、期末考試成績，具體表2所示.

表2 考核項(xiàng)及其占比

課堂表現(xiàn)和課后作業(yè)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中態(tài)度的重要體現(xiàn)，分別占比5%和5%；分工任務(wù)的完成情況是學(xué)生的研究能力和團(tuán)隊(duì)能力的體現(xiàn)，占比10%；PPT質(zhì)量和PPT的匯報個人能力和溝通能力的體現(xiàn)，占比10%；期末考試是學(xué)生整個學(xué)期的學(xué)習(xí)成效的體現(xiàn)，占比60%，上述幾項(xiàng)構(gòu)成了該門課程的評價體系.

文中的《C程序設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)在某大學(xué)電氣信息工程學(xué)院進(jìn)行了實(shí)踐，上課班級共有32名同學(xué)，12周結(jié)束后將32名同學(xué)分成了4組，每組8名同學(xué)，對課程設(shè)計(jì)中的4個問題進(jìn)行了C程序?qū)崿F(xiàn)，并向同學(xué)們演示了學(xué)院參賽智能汽車競賽設(shè)計(jì)的智能汽車.

通過一學(xué)期按照本文中的《C程序設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，要求上課班級同學(xué)自學(xué)智能汽車競賽軟件中的問題，并實(shí)行班內(nèi)分組，組內(nèi)分工，完成智能汽車競賽軟件中的問題用C程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)驗(yàn)調(diào)試，撰寫PPT并在課堂上進(jìn)行匯報，提高了工程認(rèn)證中畢業(yè)要求需具備的研究、個人和團(tuán)隊(duì)以及溝通的能力.教學(xué)設(shè)計(jì)與能力對應(yīng)如圖2所示.

3 結(jié)語

本文針對地方院校特點(diǎn)和工程認(rèn)證畢業(yè)要求，提出了符合工程認(rèn)證畢業(yè)能力要求中研究、個人和團(tuán)隊(duì)以及溝通三項(xiàng)能力的《C程序設(shè)計(jì)》課程教學(xué)設(shè)計(jì).本課程設(shè)計(jì)以智能汽車競賽軟件作為依托，抽取核心內(nèi)容，結(jié)合《C程序設(shè)計(jì)》課程知識點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)，在教學(xué)方法上采用了傳統(tǒng)教學(xué)方法、基于項(xiàng)目和問題教學(xué)結(jié)合教學(xué)方法、分組教學(xué)方法以及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法，并在某大學(xué)電氣信息工程學(xué)院進(jìn)行了實(shí)踐，取得了良好的效果，相較于采用傳統(tǒng)教學(xué)方案的學(xué)生，從考評成績上來看，學(xué)生在基礎(chǔ)知識得分、程序設(shè)計(jì)得分等各項(xiàng)成績都有較明顯提高.課題組還對學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，根據(jù)問卷結(jié)果，學(xué)生在研究、個人和團(tuán)隊(duì)以及溝通3項(xiàng)能力上都有較大提升.

通過該課程改革方案教學(xué)，該大學(xué)電氣信息工程學(xué)院從2015年參賽以來，獲國家二等獎1項(xiàng)，西部賽區(qū)二等獎2項(xiàng)，三等獎3項(xiàng).鑒于取得的良好成績，根據(jù)教務(wù)部高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會工作安排，該大學(xué)承辦了第十二屆全國大學(xué)生智能汽車競賽西部賽區(qū)比賽.

智能汽車競賽中，硬件包含了模擬電子電路、數(shù)字電子電路、單片機(jī)等知識，軟件可以用C程序、matlab、Java、python等實(shí)現(xiàn)，這些課程都是工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在未來的教學(xué)中可以將本文中《C程序設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行推廣教學(xué)，使更多的課程符合工程認(rèn)證的要求.