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      電氣專業(yè)計(jì)算機(jī)編程類課程開設(shè)探究

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      電氣專業(yè)計(jì)算機(jī)編程類課程開設(shè)探究

      在工科本科生教育的培養(yǎng)大綱中,對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科學(xué)生,掌握一定的計(jì)算機(jī)編程技能是重要的一環(huán)。不論是對后續(xù)的本科課程學(xué)習(xí)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì),還是對以后的碩士生、博士生階段的深造都有很大益處。對于大部分工科專業(yè),后續(xù)的學(xué)習(xí)、研究,必然要面對各種設(shè)計(jì)開發(fā),最終落實(shí)到仿真、編程及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上。掌握扎實(shí)的編程基礎(chǔ),不僅在學(xué)習(xí)上可以事半功倍,對畢業(yè)后走上工作崗位,也有很大幫助。對于電氣專業(yè)計(jì)算機(jī)編程課程也很重要。近十多年來,隨著智能電網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,信息技術(shù)在電力行業(yè)得以廣泛應(yīng)用,而編程技巧是電力信息化教育的重要一環(huán)。因此,對于電氣專業(yè)的本科教育,各相關(guān)高校都結(jié)合本專業(yè)和本學(xué)校的實(shí)際情況,設(shè)置了一些編程相關(guān)課程。本文作者在十多年的電氣專業(yè)本科教學(xué)實(shí)踐中,先后主講了電氣專業(yè)的“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”“微機(jī)原理及接口”“單片機(jī)開發(fā)”等課程,結(jié)合多年的教學(xué)實(shí)踐及教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年探索思考,從國內(nèi)高校電氣專業(yè)的人才培養(yǎng)計(jì)劃出發(fā),就電氣專業(yè)本科計(jì)算機(jī)編程相關(guān)課程安排展開深入探討。本文對電氣專業(yè)的C語言教學(xué)提出了一些建議,對新工科人才培養(yǎng)提出了支架式C語言教學(xué)法。對于電氣專業(yè)的本科教學(xué)而言,其編程語言教學(xué)既有非計(jì)算專業(yè)工科教學(xué)的共性,也需要結(jié)合專業(yè)特色作相應(yīng)調(diào)整。

      一、課程安排探討

      1各高校相關(guān)課程介紹

      對于電氣專業(yè)本科的計(jì)算機(jī)編程教學(xué),各高校的課程安排不盡相同。表1是國內(nèi)電氣學(xué)科知名院校及武漢大學(xué)電氣本科教學(xué)中計(jì)算機(jī)編程相關(guān)課程(資料來源于互聯(lián)網(wǎng))。由表1可以看出,國內(nèi)電氣學(xué)科TOP3高校(以教育部2017學(xué)科評估結(jié)果為準(zhǔn))和武漢大學(xué)在電氣本科教學(xué)計(jì)算機(jī)編程相關(guān)課程上大部分課程內(nèi)容相同,分別是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(C語言程序設(shè)計(jì))、微機(jī)原理與接口、單片機(jī)(嵌入式)開發(fā)。其中華中科技大學(xué)和清華大學(xué)安排了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。這4所高校中,以華中科技大學(xué)電氣本科專業(yè)的計(jì)算機(jī)編程課程最為深入全面。

      2課程探討

      (1)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

      “計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”對于工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生,是大學(xué)一年級必選課程,屬于通識教育類。本課程的教學(xué)目的是培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)處理問題的思維方式和程序設(shè)計(jì)的基本方法,是其他專業(yè)課的基礎(chǔ)。通常在教學(xué)中,以C語言作為編程語言,講授C語言的基本語法的同時(shí),適當(dāng)介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的初級內(nèi)容,如鏈表、排序、遍歷等。此外,還培養(yǎng)學(xué)生熟悉編譯調(diào)試等基本技能。鑒于本課程是面向新入學(xué)的大一新生,其計(jì)算機(jī)編程技能基本為空白,因此,筆者認(rèn)為,對于電氣專業(yè)的本科生,本門課程采用C語言教學(xué)是恰當(dāng)?shù)?,C語言的經(jīng)典性這里不再重復(fù),本課程筆者不建議采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(C++)來講述,其原因見下節(jié)分析。

      (2)面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)

      “面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”課程清華大學(xué)電氣學(xué)科作為選修課,華中科技大學(xué)電氣學(xué)科作為大一的必修課,成為“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的替代課。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想在現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)中使用很廣泛,使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)開發(fā)的應(yīng)用,代碼簡練,可維護(hù)性好,開發(fā)效率高。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(C++)和傳統(tǒng)的面向過程的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)(C)區(qū)別很大。盡管有人認(rèn)為C++是C的擴(kuò)展,其實(shí)C++從編程方式到代碼風(fēng)格都與C語言大相徑庭。在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(C++編程)中,不僅需要考慮算法設(shè)計(jì),還需要考慮數(shù)據(jù)封裝、類型,更需要考慮的是諸如:對象粒度的選擇、對象接口的設(shè)計(jì)和繼承、組合與繼承的使用、C++的標(biāo)準(zhǔn)庫使用(如STL編程)等等問題。而這些問題,對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生,學(xué)習(xí)難度太大,只有經(jīng)過大量的編程實(shí)踐而豐富經(jīng)驗(yàn)的程序員對此才會有深刻的理解和正確的運(yùn)用。盡管C++的創(chuàng)始人Stroustrup提倡不要先學(xué)C,而是直接學(xué)C++。然而,對于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生,本課程學(xué)時(shí)有限,大多數(shù)學(xué)生對于計(jì)算機(jī)編程是零基礎(chǔ),并且C++內(nèi)容太多,難度大,因此,如上節(jié)所示,筆者建議,對于電氣專業(yè)的大一新生,在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)這門課程中,以C語言為編程語言教學(xué)為佳。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想不僅是一種用于編程中的軟件設(shè)計(jì)方法,而且是一種工程化規(guī)范。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式解決的是類的構(gòu)建以及對象之間相互通信的組織關(guān)系,包括它們的角色、職責(zé)、協(xié)作方式等方面。比如,目前廣泛使用的智能變電站就是以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系為基礎(chǔ)的,而IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的核心思想和基石就是對電氣物理設(shè)備進(jìn)行抽象和面向?qū)ο蠼?,定義對象之間通信接口規(guī)范。通過上述探討,本文認(rèn)為,可以考慮將“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)(C++)”課程列為本科電氣專業(yè)的后續(xù)選修課程。

      (3)微機(jī)原理及接口、單片機(jī)開發(fā)、嵌入式系統(tǒng)

      “微機(jī)原理及接口”是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程,是學(xué)生學(xué)習(xí)掌握計(jì)算機(jī)硬件的入門課。課程的目的是幫助學(xué)生掌握微型計(jì)算機(jī)的硬件組成及使用;學(xué)會運(yùn)用匯編語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì);具備初步的開發(fā)軟、硬件的能力,為學(xué)習(xí)其他專業(yè)知識及從事工程技術(shù)工作和科學(xué)研究工作打下初步基礎(chǔ)。此課程以Intel8086系列(8086-80586)CPU架構(gòu)為核心,結(jié)合匯編語言編程,講述了中斷、I/O、存儲、并行/串行通信、AD/DA的基本原理。從表1可以看出,清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、武漢大學(xué)三校的電氣專業(yè)都將此課程作為必修課程。華中科技大學(xué)也將此課程作為“二選一”選修課程。“單片機(jī)開發(fā)”Top3校都作為電氣學(xué)科選修課程。該課程主要講述MCS-51系列單片機(jī)及其指令系統(tǒng)、單片機(jī)的I/O擴(kuò)展及應(yīng)用、單片機(jī)的定時(shí)與中斷系統(tǒng)及單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容,通過學(xué)習(xí)使學(xué)生基本掌握單片機(jī)的硬件構(gòu)成、軟件組成及一般的程序設(shè)計(jì)技巧。編程通常以匯編語言為例講述,當(dāng)然,也可采用C語言講述。事實(shí)上,“單片機(jī)開發(fā)”課程的大部分基本概念和“微機(jī)原理及接口”課程重疊,二者的匯編程序開發(fā)也有異曲同工之處,因此,建議將該課程和單片機(jī)開發(fā)作為“二選一”選修課程。“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”在西安交通大學(xué)和武漢大學(xué)的電氣學(xué)科均作為選修課開設(shè)。該課程主要講述ARM系列平臺架構(gòu)和Linux系統(tǒng)下的軟硬件系統(tǒng)開發(fā),通常以C語言講述。在目前的實(shí)際硬件開發(fā)應(yīng)用中,使用ARM系列平臺相對于單片機(jī)更為常見,適用性也更加廣泛。因此,對于這三門課,建議“微機(jī)原理及應(yīng)用”和“單片機(jī)開發(fā)”,作為二選一課程,“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”作為選修課程。

      (4)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

      “數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”作為計(jì)算機(jī)學(xué)科的核心主干課程,主要討論各種數(shù)據(jù)組織中數(shù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)以及有關(guān)操作的算法。其中一部分基礎(chǔ)知識如串、鏈表、排序、遍歷等在“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程中已有講述。對于電氣專業(yè)的本科生而言,掌握“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”中講述的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)知識即滿足本專業(yè)的程序開發(fā)設(shè)計(jì),鑒于電氣學(xué)科計(jì)算機(jī)課程的課程數(shù)目及課時(shí)有限,“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”課程可以不考慮作為電氣學(xué)科的選修課。

      (5)Matlab編程及仿真

      該課程主要講述Matlab建模仿真基礎(chǔ),主要有m語言編程、Simulink建模。Matlab具有強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和可視化功能,編程效率高、易學(xué)易懂。其開放式可擴(kuò)展環(huán)境,特別是所附帶的三十多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持,使得它在許多科學(xué)領(lǐng)域成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析、算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺。對于電氣學(xué)科的學(xué)生,無論是本科生還是碩博生,Matlab平臺是做仿真的入門工具和第一選擇。在本科階段很多主干課程,如自動(dòng)控制、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)分析等,以及后續(xù)的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)和碩博階段的學(xué)習(xí),都要大量使用Matlab建模仿真。因此,筆者認(rèn)為,對于電氣學(xué)科的本科生,“Matlab編程及仿真”這門課程的開設(shè)非常必要,可以作為選修課、甚至作為必修課。

      二、計(jì)算機(jī)編程課程開設(shè)及教學(xué)重點(diǎn)

      結(jié)合前面的分析,考慮到電氣學(xué)科的專業(yè)課程較多、學(xué)時(shí)有限,筆者推薦如表2所列的計(jì)算機(jī)編程類課程組合。在大一階段,建議“計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”以C語言為編程語言教學(xué),這門課是電氣專業(yè)本科生接觸到的第一門編程課程,是后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。在這門課的授課過程中,筆者認(rèn)為不必將重點(diǎn)過多集中在瑣碎的語法上,更重要的是讓學(xué)生培養(yǎng)起良好的編程習(xí)慣,掌握編程的基本技能,比如變量的命名、全局變量、局部變量的安排,多模塊的組織、程序的調(diào)試技巧等。在大二階段,可以安排“微機(jī)原理與接口”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”(2選1)以及“Matlab和系統(tǒng)仿真”(選修)三門課程。在“微機(jī)原理與接口”“單片機(jī)開發(fā)”這兩門課的教學(xué)中,不必過多強(qiáng)調(diào)匯編編程,重點(diǎn)要放在對基本概念的理解,如中斷、I/O等。在“Matlab和系統(tǒng)仿真”授課中,要講清Matlab編程和C語言編程的區(qū)別,讓學(xué)生盡快從熟悉的C語言過渡到Matlab。對于電氣專業(yè)的學(xué)生,可在仿真上結(jié)合電氣專業(yè)的特點(diǎn),針對性地講述電氣相關(guān)理論仿真建模方法。大三(下)或大四(上)可以開設(shè)“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)”作為選修課。讓學(xué)生掌握ARM平臺的架構(gòu),熟悉Linux平臺開發(fā)環(huán)境,在課堂或者課后要求學(xué)生設(shè)計(jì)具體的硬件開發(fā)案例。

      三、結(jié)語

      本文是筆者基于多年對相關(guān)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合學(xué)科發(fā)展實(shí)際,對電氣專業(yè)本科生計(jì)算機(jī)編程類基礎(chǔ)課程開設(shè)所做的思索,文中所提的建議可供參考。隨著智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展,及新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用,電氣學(xué)科的相關(guān)課程也應(yīng)隨之調(diào)整,比如深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)以及在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用,在今后的教學(xué)實(shí)踐和研究中,相關(guān)的課程及授課內(nèi)容如何隨之調(diào)整,需要我們進(jìn)一步研究。

      作者:劉志雄 彭赟 王波 單位:武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院

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