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在工科本科生教育的培養(yǎng)大綱中，對(duì)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(duì)后續(xù)的本科課程學(xué)習(xí)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，還是對(duì)以后的碩士生、博士生階段的深造都有很大益處。對(duì)于大部分工科專業(yè)，后續(xù)的學(xué)習(xí)、研究，必然要面對(duì)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(duì)畢業(yè)后走上工作崗位，也有很大幫助。對(duì)于電氣專業(yè)，計(jì)算機(jī)編程課程也很重要。近十多年來(lái)，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(duì)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(guó)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(duì)電氣專業(yè)的C語(yǔ)言教學(xué)提出了一些建議，對(duì)新工科人才培養(yǎng)提出了支架式C語(yǔ)言教學(xué)法。對(duì)于電氣專業(yè)的本科教學(xué)而言，其編程語(yǔ)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(duì)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(guó)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(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)）。由表1可以看出，國(guó)內(nèi)電氣學(xué)科TOP3高校（以教育部2017學(xué)科評(píng)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(yǔ)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(duì)于工科非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，是大學(xué)一年級(jí)必選課程，屬于通識(shí)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(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，講授C語(yǔ)言的基本語(yǔ)法的同時(shí)，適當(dāng)介紹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的初級(jí)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(duì)于電氣專業(yè)的本科生，本門課程采用C語(yǔ)言教學(xué)是恰當(dāng)?shù)模珻語(yǔ)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(lái)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(jiǎn)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(yǔ)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(duì)象粒度的選擇、對(duì)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(kù)使用（如STL編程）等等問題。而這些問題，對(duì)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(duì)此才會(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(yǔ)言為編程語(yǔ)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(duì)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(duì)電氣物理設(shè)備進(jìn)行抽象和面向?qū)ο蠼?，定義對(duì)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(huì)運(yùn)用匯編語(yǔ)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(shí)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(yǔ)言編程，講述了中斷、I/O、存儲(chǔ)、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(yǔ)言為例講述，當(dāng)然，也可采用C語(yǔ)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?！扒度胧较到y(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(tái)架構(gòu)和Linux系統(tǒng)下的軟硬件系統(tǒng)開發(fā)，通常以C語(yǔ)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(tái)相對(duì)于單片機(jī)更為常見，適用性也更加廣泛。因此，對(duì)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(chǔ)結(jié)構(gòu)以及有關(guān)操作的算法。其中一部分基礎(chǔ)知識(shí)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(duì)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(shí)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(yǔ)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(tái)。對(duì)于電氣學(xué)科的學(xué)生，無(wú)論是本科生還是碩博生，Matlab平臺(tái)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(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)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(duì)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(yǔ)言為編程語(yǔ)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(yǔ)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(duì)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(yǔ)言編程的區(qū)別，讓學(xué)生盡快從熟悉的C語(yǔ)言過渡到Matlab。對(duì)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(duì)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(tái)的架構(gòu)，熟悉Linux平臺(tái)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(yǔ)

本文是筆者基于多年對(duì)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(duì)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