陶吉利,李林功，蔡衛(wèi)明，王 朗，王卓遠

（1.浙江大學寧波理工學院信息科學與工程學院，浙江 寧波 315100；2.寧波工程學院信息科學與工程學院，浙江 寧波 315100）

一、引言

“中國制造2025”提出針對制造業(yè)創(chuàng)新能力總體不夠強等問題補短板，打造新型產(chǎn)業(yè)體系，全力推進制造業(yè)智能升級。制造業(yè)智能化，使得學科交叉加劇，前沿領(lǐng)域不斷延伸，迫切需要高校培養(yǎng)學生的解決復雜工程問題能力。2015年新版工程教育認證標準特別強調(diào)工程類本科對“解決復雜工程問題”的要求[1]，由此可見，引入“復雜工程問題”概念，培養(yǎng)學生具有解決本專業(yè)領(lǐng)域“復雜工程問題”能力是工科專業(yè)教育的基本要求。針對復雜工程問題，浙江科技學院電氣學院將如何將培養(yǎng)學生解決"復雜工程問題"的教學環(huán)節(jié)植入專業(yè)教學體系[2]；重慶郵電大學計算機科學與技術(shù)學院設計出研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃總體方案，以到達計算機系統(tǒng)復雜工程問題能力培養(yǎng)目標[3]；南京航空航天大學航空電源航空科技重點實驗室在原有的電機課程設計教學環(huán)節(jié)中進行了針對性的擴充和改進，基本滿足了新標準對培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識解決復雜工程問題能力的要求[4]；清華大學工程教育研究中心從三個角度討論如何培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力以及如何考核評價學生解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)效果[5]；湖南工程學院針對機械產(chǎn)品設計制造綜合實踐探討如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、工程素質(zhì)、人際交往能力及在團隊中發(fā)揮作用的能力和解決復雜工程問題的能力[6]。

目前，很多高校正在開展工程教育專業(yè)認證相關(guān)工作，應用型本科高校如何在現(xiàn)有培養(yǎng)體系框架下培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力，仍有待深入探討。本文以浙江大學寧波理工學院電子信息工程專業(yè)為例，結(jié)合我校學生特點，在低頻電子線路、高頻電子線路、單片機原理與應用、嵌入式系統(tǒng)原理與應用專業(yè)核心課程框架下，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程群，重新梳理基礎理論知識，設計分層次實踐環(huán)節(jié)，幫助學生建立工程項目的基本分析和設計思路，逐步達到新標準中界定的解決復雜工程問題能力。既滿足工程教育專業(yè)認證的要求，又適應制造業(yè)智能化、信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展對電子信息工程專業(yè)學生解決復雜工程問題的能力要求。

二、改革思路

針對復雜工程問題特征[7]和嵌入式課程群要求，該課程群主要培養(yǎng)學生解決嵌入式系統(tǒng)軟硬件復雜工程問題能力。通過重構(gòu)嵌入式課程群知識體系，將解決復雜工程問題所需的知識和技術(shù)納入新的教學大綱，并改革課堂教學方式方法，探索分層次實踐教學內(nèi)容和手段。通過知識學習和分層次實踐培養(yǎng)學生解決嵌入式系統(tǒng)問題所需的知識和能力。

以掌握/設計開發(fā)電子信息硬件系統(tǒng)解決方案所需的專業(yè)知識和技術(shù)手段為目標，選取低頻電子線路、高頻電子線路、單片機原理與應用、嵌入式系統(tǒng)設計與應用四門專業(yè)課程構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)設計課程群，各課程開設時間為 2-1、2-2、3-1、3-2，并增加第三學期無人機實訓環(huán)節(jié)，將“復雜工程問題”能力分級為低、中、高三層次，并落實到各個教學環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 分層次遞進式嵌入式課程群教學體系

三、實施途徑

(一)根據(jù)復雜工程問題能力培養(yǎng)要求，重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)課程群知識體系

低頻電子線路和高頻電子線路課程提供最基本的硬件設計和單元模塊分析、計算知識，單片機原理與應用提供硬件編程知識和嵌入式系統(tǒng)設計、分析基本概念，嵌入式系統(tǒng)與應用則提供復雜的多功能嵌入式芯片的編程、設計開發(fā)、系統(tǒng)分析知識。通過本課程群的系統(tǒng)學習，構(gòu)建全面的硬件設計/分析知識架構(gòu)，逐步達到軟硬件知識的全面提升。所有課程都要落實如下四個目標：課程目標1是專業(yè)知識和數(shù)學、工程基礎知識相結(jié)合，綜合應用于課程的復雜工程問題；課程目標2體現(xiàn)給定的“標準和規(guī)范”未完全包含，學生需自己查閱資料，給出復雜工程問題的解決方案；課程目標3應用MATLAB、Proteus、DXP軟件進行原理分析、仿真驗證、圖紙設計；課程目標4團隊合作，進行論文撰寫、PPT答辯，具備準確呈現(xiàn)方案/設計開發(fā)結(jié)果的能力。為此，每門課程都設計了較低層次的復雜工程問題，且需要包含前一門課程的知識，如表1所示。

表1 單門課程復雜工程問題設置

(二)針對能力目標，分層次安排實踐教學內(nèi)容和綜合實踐環(huán)節(jié)

在單個課程的教學環(huán)節(jié)，包含了單元電路模塊的仿真和復雜工程實踐環(huán)節(jié)，并且后續(xù)課程的復雜工程問題包含了上一門課程的至少一種單元電路，有利于通過知識的反復應用，加深對知識點的理解和掌握。此外，在第二學年和第三學年暑期設置綜合實訓，進行復雜工程問題的綜合實踐。實訓1和實訓2的具體要求如表2所示。

表2 暑期短學期實訓環(huán)節(jié)

實訓1除了要求每個學生深入運用低頻電子線路理論知識、分析音頻功放的實現(xiàn)原理，應用Proteus軟件仿真分析電路原理，應用DXP軟件完成線路板的設計布板。特別強調(diào)進行市場調(diào)研，并給定經(jīng)費進行元器件采購。在完成任務的過程中，學生發(fā)現(xiàn)功能增加，不僅元件成本增加，而且會使線路復雜，調(diào)試時更加麻煩，體現(xiàn)了各方利益的不完全一致性。同時，整個任務可分解成功能分析、原理分析、成本分析、PCB布板和電路調(diào)試相關(guān)子問題，環(huán)環(huán)相扣，最終影響功放的實現(xiàn)和音響效果。

實訓2在實訓1的基礎上，考慮到無人機系統(tǒng)更加復雜，以3人一組形成團隊，要求學生除了進行嵌入式系統(tǒng)STM32、WIFI高頻電路的綜合應用，還需要進行姿態(tài)控制等算法分析和實現(xiàn)，此外還需考慮法律法規(guī)的制約、續(xù)航時間、成本核算等內(nèi)容。該實訓內(nèi)容綜合，問題復雜性較高，采用視頻拍攝等方式展現(xiàn)成果，形式上也很受學生喜愛。通過該實訓，學生不僅學習了專業(yè)知識的應用，還體會到理論和實踐的差距，團隊協(xié)作的重要性以及其他非技術(shù)因素，如成本等，在項目成敗上的重要意義。

對于解決復雜工程問題能力，重點構(gòu)建了從基礎到綜合到工程，逐步提升的實踐教學體系。課內(nèi)項目主要加深對課程理論知識的理解，強調(diào)運用本門課程的理論知識解決一般工程問題。后期課程的綜合性項目將前期課程和本次課程的理論知識融合貫通，學以致用，解決較為復雜的工程問題。工程實踐項目依托實際對象綜合運用課程群知識解決復雜的工程問題，提供學生真實的硬件開發(fā)和軟件設計工程項目。所有項目內(nèi)容設置要求具有電路分析計算、方案對比、最終方案優(yōu)缺點分析等體現(xiàn)復雜工程問題能力的要素。實踐項目設計從仿真到實踐合理布局，并側(cè)重學生基于掌握的基礎知識，應用現(xiàn)代工具和信息技術(shù)通過團隊合作，結(jié)合靈活運用多種思維對復雜工程問題進行學習、分析、綜合、方案、執(zhí)行、評估6個方面能力訓練。

(三)改革課堂教學，探究多樣性教學方法

為培養(yǎng)學生具有解決復雜工程問題的能力，需要學生把知識內(nèi)化，而不僅僅只是記住一些原理與公式，只有這樣才能在復雜的現(xiàn)象中清晰地把握主要矛盾，從而解決復雜問題。目前，嵌入式系統(tǒng)課程群的每門課程都選了一個真實案例，課程知識點的學習以案例中的某個功能導入學習。低頻電子線路以音頻功放為案例，高頻電子線路以電臺、收音機為案例，單片機以洗衣機為案例，嵌入式系統(tǒng)以無人機為案例。單片機課程項目案例及知識點的對應關(guān)系如表3所示。

表3 單片機課程洗衣機知識點分解表

有了生動易理解的案例，進一步改革教師以講授為主的“灌輸式”傳統(tǒng)教學，在課堂講解知識時，采用基于問題的啟發(fā)式教學法、案例教學等方法；知識點講解時，需要探索教學內(nèi)容的工程性和理論性的最佳契合點，增加學生的學習興趣、激發(fā)學生的求知欲望，增進教學效果。通過應用現(xiàn)代計算機輔助設計工具，如Proteus軟件、MATLAB軟件，觀察單元電路功能和分析數(shù)學原理；我們還構(gòu)建了電子信息工程專業(yè)開放教學環(huán)境，只需登記就能提供學生基本的單元模塊電路，讓學生隨時能學，方便地學，幫助學生逐步獲得解決復雜工程問題的能力。

(四)探索多元化的考核方法

嵌入式課程群的每門課按照解決復雜工程問題的能力要求，設置合理的評價標準，對學生復雜問題能力解決進行合理的分級評定。將考核標準分解為平時表現(xiàn)、基礎知識掌握與運用、實踐操作、項目研究、表達能力、團隊合作等細分項，并通過自評、互評等綜合評分得到最終考核成績。具體成績組成如表4所示。

表4 期末成績組成及占比

四、結(jié)語

在工程教育認證的背景下，以浙江大學寧波理工學院電子信息工程專業(yè)為例，探討了在現(xiàn)在課程體系框架下，通過構(gòu)建課程群，重構(gòu)課程體系和教學內(nèi)容，選定項目案例，設置分層次遞進式的實踐環(huán)節(jié)；為每門課程的課程目標、教學大綱、課程案例實施和實踐環(huán)節(jié)進行了系統(tǒng)分析和研究；提出了針對培養(yǎng)學生解決復雜工程問題能力的課程群建設思路和具體策略。學生解決復雜問題實踐能力普遍得到了提升。該方法的優(yōu)點在于繼承原有的課程體系，學生和教師額外負擔相對較少，有助于解決復雜工程問題能力的培養(yǎng)和提高。