基于“卓越計劃”的低年級學生工程能力培養

王會峰， 周熙偉， 關麗敏， 汪貴平， 雷 旭， 武奇生， 王曉艷

(長安大學 a.電子與控制工程學院;b.電工電子實驗教學示范中心，陜西西安710064)

0 引言

工程教育體系在國外已相當完善，從歐美發達工業國家來看，都是以大工程為背景來培養適應工業發展需要的工程師［1］。通過理論與實踐的結合、學校與社會的結合，提高人才培養質量［2］。在專業實踐教學中充分體現學生跨學科思維的培養，奠定其跨學科培養的基本框架，改變其不了解“為什么讓我學習”，變成興趣引導下的主動探索式學習。它們依托開放型項目的動手實踐教學，不只教給學生基本概念和理論，而且要求學生能把概念與真實世界的挑戰，與項目聯系起來，用概念和理論解決實際問題，讓學生通過自己分析、設計、運行系統來建立和發展實際的技術知識或實際技能，將實驗室的動手學習和各種項目工作實踐經驗納入到教育經驗當中。在以團隊為基礎、以項目為導向的動手做中提高問題解決能力。

我國工程教育在過去60年取得了巨大成就，但是由于不像歐美那樣伴隨著技術革命與大工業發展而興起，一開始就缺乏與工程產業界的密切聯系，因而也失去了工程化的環境。受諸多因素的影響，在人才培養計劃上不同程度地存在著重理論輕實踐、缺乏基本的工程訓練和工程意識，培養出來的學生工程實踐能力較弱、社會適應性差等問題［3］。

為提高工程教育的教學質量，適應我國從制造大國向創新國家的轉變，教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”。其指導思想是充分借鑒先進國家高等工程教育的成功經驗，創建具有中國特色的工程教育模式，通過校企密切合作，以實際工程為背景，以工程技術為主線，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力，培養大批各種類型工程師。

“卓越工程師教育培養計劃［4］”具有三個特點:①行業企業深度參與培養過程;②學校按通用標準和行業標準培養工程人才;③強化培養學生的工程能力和創新能力。這些特點無一不和實踐教學體系的改革與創新息息相關，目前國內各高校都處在探索研究階段。各高校正在全面實施本科教學“卓越計劃”的教學改革工程，許多高校圍繞“質量工程”的實施開展討論研究，研究范圍涉及到教學團隊建設、專業結構調整、課程教材建設等方面，但針對專業實踐教學體系創新研究較少。

對比國內外高等教育的現狀，根據社會發展對人才 需 求 的 特 點，結 合 CDIO［5-6］(Conceive-Design-Implement-Operate)對學生能力的描述與要求，我校在低年級對自動化專業“卓越工程師教育培養計劃”(以下簡稱“卓越計劃”教改班)，設置了“單片機實訓與綜合實驗”實踐課程，該課程相當于 CDIO的二級項目［7-8］，本文將圍繞我校該課程的建設進行探索研究。

1 單片機實訓與綜合實驗課程的目標

工程實踐教學的一個特點就是動手實踐教學，依托項目實踐教學方法不只教給學生基本概念和理論，通過完成不同層次的實驗、設計和項目使學生產生成就感，激發學生學習興趣，促使學生轉變為主動學習。

“單片機實訓與綜合實驗”二級項目具有實踐性強、對應用能力要求高、緊貼市場等特點，符合現代培訓教育短、平、快的特征。結合卓越工程師通用標準、行業標準和學校標準中對學生知識、能力和素質的要求，制訂了該項目專業實踐課程教學目標，見圖1［9］。

圖1 二級項目的教學目標

我校自2010年開展“卓越計劃”以來，以形成較為完整的課程體系［10］。自動化專業“卓越計劃”教改班的“單片機實訓與綜合實驗”二級項目在大學一年級結束后集中在夏季學期暑期的4周內進行，在這個階段學生已修的相關課程是高等數學、物理、C語言程序設計、自動化實踐初步等課程、企業自動化入門，而在此之后學生將陸續學習電路、自動控制、電子技術等課程。學生在這個時候尚未真正接觸過任何真實的項目，對專業能做什么理解甚微。

“單片機實訓與綜合實驗”二級項目選擇在此時開設是為了使學生真正了解如何用專業知識解決工程實際中的問題，激發學生主動學習的興趣，起著早期引導學生從掌握課堂知識到面對真實的項目，從單純的理論教學到“學中做”和“做中學”轉換的作用。

通過完成不同層次的實驗、設計和項目使學生產生成就感，進而在后續的學習中了解實踐和理論之間的關系，培養學生主動的分析思考、動手實踐、解決問題能力，通過對實際設計和工程問題的解決培養學生基本的工程素質和能力。該項目最終目標從三個方面考慮:①培養學生信息獲取能力，使學生早期明確其學習目標，增強其主動規劃未來職業的意識;② 通過基于單片機的電子系統項目的設計、調試編程、運行，使學生有一定的編程能力，建立自動化系統的概念和框架，認識和分析典型控制系統的構成和特點，在基于自己的動手和思考中主動培養解決問題的能力，為后續課程的學習和工程能力的培養打下基礎;③通過對該實踐項目的學習了解工程師應該具有的基本素質和應掌握的基礎知識及基本技能，學會資料檢索、閱讀相關文獻、調研、分析和整理，進行自主學習;進行工程設計的表達實踐，體驗解決工程問題的具體方法，進行團隊合作和交流。

2 單片機實訓與綜合實驗課程的內容

本課程的主要內容是作為一個自動化初級工程師必須掌握的基本知識和基本技能。結合以上培養目標，我們建立了三個層次的工程項目實踐教學內容:①以相關的電子技術基礎課程和電子制作知識為基礎和實踐教學為內容的第一層次實訓教學;②以單片機原理和接口技術基礎以及實踐教學為內容的第二層次實訓教學;③以工程背景相關的綜合檢測控制系統創新設計實踐為第三層次的實訓教學。這三個層次從低到高，有機關聯，能夠使得低年級學生動起手在實踐中學習，在做中學，在學中做，使學生盡早接觸到真實的項目，啟發學生的動手能力以及分析問題和解決問題的能力，激發學生的學習興趣。三個層次教學內容之間的關系可以用圖2來表示，學生在已經學過的課程知識的基礎上首先學習第一層次的理論核心基礎內容，掌握模擬電子技術和數字電子技術基礎的基本知識，然后完成相關的實驗，對電子電路知識入門了解，通過實驗理解最基本的單元電路設計方法;在第一層次和以后知識的基礎上學習第二層次的理論知識，完成第二層次的實驗，掌握單片機基礎知識和編程方法，提升和鞏固已經學過的知識;最后在第一層次和第二層次以及現有基礎知識的基礎上以小團隊為單元綜合運用所學知識完成既定目標簡易工程項目設計，學會對多種知識的綜合運用。通過項目設計如果發現需要更深化細化各個層次知識，可以急需了解深入學習相關內容，形成良性循環。同時在實踐中培養學習興趣和解決實際問題的能力。

圖2 三個層次教學內容之間關系

三個層次的課時量安排為第一層次占20%;第二層次占30%;第三層次占50%。第一層次的教學內容包括三個部分，即模擬電子基礎的知識，數字電子技術的基礎知識，常用電子元器件基本知識。三部分的理論課時量大約是16學時，三部分的實驗課時大約也是16學時;通過第一層次學習，學生對電子設計基礎有了初步了解，掌握了模擬電子技術和數字電子技術中的核心部分原理，通過該部分的典型實驗，具備了該部分動手設計和調試的能力。第二層次以MCS-51單片機原理和應用技術為核心內容，學習51單片機的基本原理和應用技術。該部分理論課時大概為14個課時，綜合實驗學時為28個學時。通過第二層次，學生在掌握第一層次內容的基礎上，可以深入地了解單片機和接口技術的基本原理，再通過使用自制的綜合實驗板做實驗，讓學生從電路的焊接一直到單片機典型外圍接口電路的調試，將軟硬件結合起來充分掌握單片機系統的設計和應用。第三個層次為以工程項目為核心內容以團隊為組織結構的綜合實訓，學生自由組隊，3人一組，項目的具體內容和設計任務書在學生剛接觸第一層次內容前通過隨機抽取的方法就先布置給學生，整個項目貫穿實訓和綜合實驗的始終，學生在整個訓練周期中團隊成員通過分工合作，自己查資料完成項目內容，開發規程符合IT系統開發規程。第三層次為綜合性實踐，純粹的實踐學時占70個學時(不含前期的自己查資料設計方案階段的時間)。通過第三層次的訓練，學生基本上能夠以團隊的形式在老師指導下完成一個簡單的電子控制系統的設計開發，具備參加學科競賽和創新實驗的基本能力。同時具有一定的專業素質。在這個層次中學生接觸到的是一個緊密聯系現實的真實的應用性開發性綜合設計，他們所設計出的產品是能夠解決生活中某些實際問題的小產品，因此通過設計的過程學生能夠產生興趣，具有成就感，能夠激發學生從“要我學”轉變為“我要學”。圖3和圖4為第一層次和第二層次的教學內容。

通過上述三個層次的教學和實踐實現了學生在早期和實踐對接的“跨越式”飛躍，使得學生在基礎知識尚未掌握很多的情況下，就能夠早期動手完成小型電子控制系統項目的構思－設計－運行。這樣學生在二年級就能自己動手設計簡單的控制和檢測系統，并具有一定的基礎參加各種學科競賽，而傳統的教學體制要到三年級下學期末學生才能真正深入實踐，學生深入實踐的時間提前了3個學期。

3 單片機實訓與綜合實驗課程的教學方法與考核方法

課程教學方法是為達到教學目的，實現教學內容，由教學原則指導的運用教學手段而進行的，以整套方式組成的師生相互作用的活動［11］，它是教師對課程組織、實施的依據。以學生為主體，教師為主導，充分發揮學生的主動性［12］。“教育的目的不只限于知識的傳授，尤其是高等教育，其主要任務是教育學生思考”。《教育部關于進一步深化本科教育本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》指出:“深化教學內容改革，建立于經濟社會發展相適應的課程體系。要堅持知識、能力和素質協調發展，繼續深化人才培養模式、課程體系、教學內容和教學方法的改革，實現從注重知識傳授向更加重視能力和素質培養的轉變?！?/p>

單片機實訓與綜合實驗課程就是讓學生接觸實際項目，在主動思考、運用知識認識世界的同時主動探索和學習新知識，在反復實踐中解決學習中遇到的問題，初步將學習推向深入。為了達到以上目標我們在教學活動中采取了主動設計、探索式、發現式教學方法、任務導向教學方法、團隊合作分工實踐教學等教學方法。

在課程教學中，每一項實踐內容和設計內容都是以小組分組的方法展開工作，從設計任務的下達、資料文獻的檢索查詢、設計方案的確立以及實際設計工作的開展都是以小組分工合作的方法進行的，在實際設計中每一組的成員分工負責軟件設計、硬件設計和調試，以及算法原理設計都是以學生主動思考探索為主線，在思考中學習，在探索中前進。將傳統教學方法中的被動學習轉化為主動學習，較大程度地培養了學生的學習興趣，而激發學生興趣是促使學生進行研究性學習的前提［13］。使得學生在遇到問題時學會了主動思考解決問題的方法，同時培養了學生學會作為團隊的一員進行合作、討論、溝通等方面的能力。

圖3 第一層次教學內容

圖4 第二層次教學內容

課程考核的宗旨就是實現對學習者的知識、技能進行綜合評價。真正使學生做到學以致用而不是學以致考［14］?？己梭w系的建立是以考察學生對專業知識的掌握程度和技術應用的實踐能力為目的，使學生從一年級開始端正對專業的學習態度，激發對專業實踐的學習積極性，培養良好的學習能力和工程職業素養。使學生能夠取得一定的實際經驗，為升學就業創造有利條件［15］?？己嗽u價體系是有效開展教學活動的可靠保證，因此既要合理公正地評價學生學習過程，又要考慮有較強的可操作性。

單片機實訓與綜合實驗課程考核拋棄傳統的卷面考試方式，根據課程的要求，學生需要完成的工作有:①電子小制作電路焊接調試;② 模擬電子技術基本實驗;③數字電子技術基本實驗;④ 單片機及接口技術綜合實驗;⑤開放式電子項目的綜合開發設計。前4個項目需要提交設計報告驗收實物;最后1個項目采用現場演示和答辯相結合的方法對各組的學生分別進行成績考核，加權后作為該課程的最后考核成績，如表1所示。實踐證明，這種考核方法和傳統的卷面考試相比更能激發學生的探索、主動式的學習的興趣。有學生在課程調查感言中曾這么說:“我挺喜歡這種考核方式的，雖然我自己最后的作品失敗了，可仍感覺學到了好多東西。”

表1 單片機實訓與綜合實驗二級項目考核評分細則

4 單片機實訓與綜合實驗教學效果調查與分析

自我校2010年開展“卓越計劃”以來，“單片機實訓與綜合實驗”二級項目首次開設，我們通過問卷調查和寫感想的方法對2010級“卓越計劃”首期實驗班級的30名同學開展教學效果調查，調查問卷一共分為12個選擇題目和8個問答題目，教學效果感想不受限制隨意發揮。圖5是幾個典型的調查問卷題目的統計結果，由調查問卷的統計結果可以看出，學生對開設該課程的認可程度是比較高的，教學效果是比較好的?？梢钥偨Y為如下幾條:

(1)教學組織激發了學生的學習興趣，明確了學習目標，促進了學生學習動力的形成。我?！白吭接媱潯痹圏c班級在參加2011年組織的全國大學生電子設計競賽中獲得陜西賽區2等獎2項，在2012年“飛思卡爾”智能汽車競賽選隊面試中體現很明顯，校內賽15組隊中，“卓越計劃”試點班占了5組。

有學生這樣感言到:“收獲很多，在知識上，我學到了好多知識，這些知識是我以前從未接觸過的，以前感覺很神秘，現在已經沒那種感覺了;另外，在與同學交往中也感覺挺較好，大家在一塊學習，休息，玩耍，感覺學習也是一種快樂;我建議咱們學院，以后可經常舉辦這種課程教學的活動，我想大家一定都很向往的”。

(2)教學方法構建了學生以項目為主線的“理論→實踐→理論與實踐相結合”的不斷提高的學習過程。有學生這樣寫到:“在學習的過程中我也發現自己知識面很缺乏，在今后的學習過程中不僅要學好課本內的知識，還要盡量去拓展自己的知識面，這樣在解決問題時才能得心應手。其次，要注重快速學習。在現代快速發展的社會，知識的更新時時刻刻都在發生，在快速中更要注重利用各種資源，獲得各種有價值的信息。再次，在這次的學習中激發了我的學習興趣，在發現自己有許多的東西還不知道，需要自己去學習，這就給了我學習的動力。還有就是要注重多動手實踐，在動手中更能進一步加深對理論的深入理解，而且有時候我們會獲得意外的收獲，同時我們還能通過實踐來進一步完善理論?！?/p>

(3)學習過程有助于學生工程意識、工程素質和工程實踐能力的提高。學生感言:“實踐增強了我的動手能力和才干，更重要的是使我充滿自信，我相信未來我一定能設計出更好的產品。”

5 結語

自我校2010年開展“卓越計劃”以來，“單片機實訓與綜合實驗”課程首次開設。根據卓越工程師培養要求，我們將對項目中相關的教學內容、教學形式、典型案例和考核方式進行不斷探索與改革，從而形成較為完整的課程體系。我們將會以培養適合社會需求的工程人才為目標，不斷的探索和踐行“卓越計劃”工程實踐能力培養的每一個環節，使教學效果更為突出，激發學生的學習興趣，培養學生從事工程設計的基本知識、能力和素質。

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