以工程系统为导向的实验实践体系探索

2015-12-23王茜

实验室研究与探索 2015年9期

王茜

(电子科技大学成都学院，四川成都611731)

0 引言

人才培养体系的构建是高校发展的重中之重［1］，是关系到学院生存和发展的大事，而实验实践教学是其中重要的组成部分［2］，如何在社会对人才需求不断提高的今天，与时俱进地走出自己的特色之路、实现电子科技大学成都学院的可持续发展，成为四川省2014～2016 年高等教育人才培养质量和教学改革——以工程系统为导向的人才培养体系的研究与实践课题研究的核心任务。近年来，我国高校工科类专业对原来工程实践性教学环节的教学模式进行了较大幅度的改革，普遍加强了实践教学环节，推进产学研结合的进程。经过我们认真地调研和分析，认为目前实验实践教学环节仍存在以下问题:实验实践教学虽有加强，但涉及课程较少;理论教学与实验实践教学虽有一定交融，但相互间仍缺少系统性联系;工程观念引入过少，实验实践课程更多地是针对书本习题的演练。

针对以上问题，本课题以国际流行的CDIO 模式为纲、以工程系统为导向进行实验实践体系的探索。

1 课题目标

我们对企业调查发现:就业市场要求毕业生具有符合岗位需要的实践能力、符合行业需要的专业技能、符合职业发展的职业素养。从这些要求可以看出，实践能力是企业首要看重的能力［3］，如何培养企业所需的实践能力是进行实验实践教学改革的重要依据。

CDIO(Conceive Design Implement Operate，CDIO)是由麻省理工学院等四所大学建立的一种先进的工程教育模式，它以产品从构思、研发、运行到废弃和再利用的全生命过程为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习和获取工程能力，包括个人的科学和技术知识、终身学习能力、交流和团队工作能力和在社会和企业环境下构建产品、过程和系统的能力。CDIO 的培养目标是把学生培养成能够掌握深厚的技术基础知识;领导新产品和新系统的开发和运行;理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响的应用型人才［4］。

CDIO 的培养目标与市场需求高度吻合，但CDIO的内容非常的繁多，不能完全照搬，必须根据本学院的特点对CDIO 进行应用、继承和发展，以工程系统为主线，完整、有衔接地贯穿于整个本科四年实验实践教学阶段，使学生系统地得到构思、设计、实现、运行(CDIO)的整体训练［4］。通过基于工程系统的培养体系，可使学生受到工程和团队工作的实际训练，从而具备以团队方式解决实际问题的能力，造就理论基础扎实、实践能力突出、职业素养优良的具有终身学习能力的应用型人才［5］。

2 实验实践能力体系

本课题参照CDIO 的思想采用鱼骨图的方式规划整个实验实践能力体系。体系以工程系统为导向，以培养学生的七大能力为目的，其中，七大能力的内容如下:

(1)发掘能力。能从实际角度出发，发现设计中问题的能力;

(2)系统设计能力。从整体和全面的视角设计系统的能力;

(3)工程能力。在平衡产品性能和价格的基础上，实现工程价值最大化的能力;

(4)创新能力。对已有的知识和技术进行创新和运用的能力;

(5)团队协作能力。在团队中能够与他人进行沟通和技术协作的能力;

(6)交流能力。能够对自己的累积进行表达和写作的能力;

(7)职业素养。诚信、责任感和进取。

下面以嵌入式专业方向为例进行分析，其实验实践能力体系图见图1，整个体系按培养的深度划分为三级:第一级为工程系统实践级，内容为本专业相关工程能力的综合应用，系统设置由简到难，由硬件平台到软件开发，能力要求为高级，涵盖七大能力的全方位培养;第二级为软硬件综合实践级——本专业相关实验课程群延伸的实践应用，分模块进行综合实践，能力要求为中级，培养部分综合能力;第三级为专业课程实验级——为增强专业课程的理解而设的实验动手课程，能力要求为初级，完成单项能力的培养。

图1 实验实践能力体系图

2.1 专业课程实验级

工科专业的理论课程通常具有专业术语多、推导过程繁杂、理解抽象困难等特点，实验课程可以让学生在短时间内对专业课程内容直观、形象地理解和掌握，课题组根据具体专业课程的需要设置实验课程，然后将所有的实验课程根据内容、属性和难度组成实验课程群。例如，图1 中的电路板设计实验1、集成电路应用实验和单片机实验就是根据内容由浅入深地共同组成单片机硬件开发实验课程群。其中，电路板设计实验先教会学生运用PCB 制图软件;集成电路应用实验将教会学生如何调试电路;单片机实验将教会学生如何调试单片机硬件系统，以上三门实验课程是硬件部分的基础课程，可以帮助学生逐步累积动手经验，为下一级综合实践级的开展打下基础。课程群的划分可以让师生都明确课程之间的相互联系和该门实验在整个培养体系中所处的位置［6］，可以循序渐进地培养起学生对实践学习的兴趣，引导他们对实验内容定性地进行思考。

实验课程群是依据学生由浅入深、由点到面的实践学习特点进行设置的，课程依据难易程度由浅入深的在实验室中进行教授，教学方式区别于一般的理论教学，统一采用引导式教学［7］，带领学生发现问题［8］、引导思考、指导解决。在笔者的教学班里发现，实验课程群的划分和改革不仅促进了学生以更积极主动的心态对理论课程的学习自我完善，还提升了学生发掘问题和解决问题的能力。

2.2 软硬件综合实践级

实验课程群针对的是单门课程，锻炼的仅仅是某一个课程点的动手能力，在完成了一个实验课程群的教学之后就需要进行能力的扩展和深化，即是软硬件综合实践级训练。

软硬件综合实践级是对课程群中的知识进行综合应用能力的拓展，例如图1 中的ARM 系统开发，就是对ARM 系统的软硬件综合实践。实践课题主要来源于竞赛，如循迹小车、四旋翼飞行器的制作等。实践内容不再是单一的知识点，而是扩展到知识面，综合实践级的难度随着学生年级的增长逐年增大，如ARM 系统开发的难度就高于单片机硬件开发。

综合实践级要求学生能够对多门课程中的知识点灵活运用、融会贯通，提升学生的中级实践能力。该级别由教师出题，学生组队参与，在这一级教师不再手把手地指导，而是把大半的时间交给学生，由他们自主思考、合作完成竞赛小项目。例如图1 中的ARM 系统开发课题之一就是2013 年全国大学生电子设计竞赛题——四旋翼自主飞行器，该课题是融入了电路板设计、ARM 实验、C 语言课程实验等一系列课程群的综合项目。经过几年的教学实践，我们采用综合实践级的训练模式指导学生参加电子设计竞赛，取得了良好的效果，学生先后获得了许多省级、国家级奖项，进一步培养了学生对综合系统的设计能力、创新能力和团队协作能力。

2.3 工程系统实践级

工程系统实践级是软硬件综合能力的工程应用训练。能力要求为高级，要求学生能够对已有的知识深入贯通、对未知的知识发掘专研，课题主要来源于科研和企业项目，能够模拟在企业和社会环境中实际产品系统的构思、设计、实现和运行过程。

每个专业的一级体系中含三个工程系统实践项目［9］，难度逐个增大，教师根据自己的专研方向组队指导，每年制定的工程系统项目都需要引入工程概念［10］，涵盖学生学过的专业知识，培养学生的系统设计能力、工程基础能力、团队协作能力、交流能力以及职业素养，同时我们还要求工程系统中一定要有学生没学过的知识，给予学生足够大的自学空间，培养学生对未知领域的发掘能力和创新能力［11］。例如图1 中的嵌入式控制系统课题之一是基于RFID 的便携式点检设备设计，教师的角色转变为挑剔的客户，提出工程指标和结题时间，学生组队承接项目，项目完成后，教师会以工程标准对学生作品进行考核:包括系统手持部分重量小于200 g、阅读距离在125 mm 以内、符合ISO 18000-3 标准等。

学生在4 年的学习中至少要进行两个工程系统实践训练，设计成绩合格方能进行毕业答辩，经过几年的工程系统实践级教学，不仅提高了学生毕业设计的质量，更是缩短了学生能力和企业需求之间的距离，显著提升了就业率。

3 质量保障体系

3.1 团队承包制

按工程系统划分指导团队，团队成员由专职教师、实验教师、辅导员、教务、行政共同组成。每个团队在工程系统开展前与系上签订任务协议书(含任务实施细则和任务分解表)，时间结点到时进行任务考核，对完成情况排名第一的进行奖励，完成情况不达标的计入年终考核。通过团队承包制，提升了教师的团队意识，每一名成员各司其职，从学业到生活为学生提供全方位的指导。

3.2 毕业设计改革

工程系统设计的作品可用于毕业答辩，但需提前进行申请，难度达标的方可获批准，从毕业答辩的情况可以对团队建设质量进行评测［12］，同时可随时根据反馈情况对整个实践系统进行改进。经过实践训练的毕业设计不再是流于形式的抄袭和复制，而是教学成果的总结和呈现，反过来，毕业设计又可以指导我们不断改进教学方法，进一步深化CDIO 改革的内涵。

3.3 实践教学监控

每门实践课程都需要书写详细的改革教案。教案不再延续旧的形式，而是引入CDIO 思想，重新构思课堂内容，让学生成为教学活动中的主角，每次开学前都要探讨教案，并让教师相互进行听课评分，同时定期召开教学反馈会，通过以上多种形式进行课堂教学质量监控［13］。通过对实践教学质量的严格监控，避免了出现虎头蛇尾的现象，让整个教学实践活动更加健康、稳健、扎实。

4 以工程系统为导向的实验实践体系的效果分析

以工程系统为导向的实验实践体系是基于CDIO培养模式的创新型实践体系［14］，由浅入深地引导学生向工程师的角色转变，通过三级体系的训练完成对专业技能的综合学习，提高学生发现问题、定性分析、整体思维、软硬结合、性价权衡、整合研发、团队协作的能力，以及良好的表达能力、写作能力、职业素养等。①整个实践体系大幅度的对核心课程增设实验课，激发了学生动手实践的主动性和积极性，将被动的理论学习转化为主动的动手实践，学生有更多的思考与融会贯通的时间去领悟学习要领;②实践体系的逐级构建，不仅让学生能够循序渐进的完善专业系统的理解和学习，这种分层设置还满足了不同层次、不同个性学生的需求，不同程度的提升了学生的综合实践能力;③工程观念的引入使学生更加明白企业的需求，变“教师是演员学生是听众”为“教师是客户学生是工程师”的教学方式确保学生以工程主体的角色参与教学过程［15］，不仅实现师生的良性互动，还让学生在就业前得到工程实践的训练，从而缩短了企业需求与学生能力之间的距离。

5 结语

实验实践体系是高校教育中非常重要的一个内容，随着现代科技的不断进步和发展，必须与时俱进。电子科技大学成都学院微电子技术系基于国际流行的CDIO 工程教育模式，提出了以工程系统为导向、以培养七大能力为目的的实验实践体系结构，并对其不断地进行探索、创新和改革，最终希望通过实践达到培养可持续性发展人才的目的［16］。

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