從美國賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育談本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

馬 利, 張玉奇，李 鵬，牛 斌

(遼寧大學(xué) 信息學(xué)院，遼寧 沈陽 110036)

認(rèn)知是人類個體認(rèn)識客觀世界的過程，通過認(rèn)知過程人們獲得知識或應(yīng)用知識，實現(xiàn)對信息進(jìn)行加工。在本科教學(xué)階段，專業(yè)認(rèn)知教育可以根據(jù)專業(yè)特點，使學(xué)生對本專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)了解，并具有接受、整合的能力。本科教育階段，專業(yè)認(rèn)知的目的[1]是讓處于專業(yè)知識零認(rèn)識階段的學(xué)生，能夠了解所學(xué)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)要求，初探專業(yè)發(fā)展歷程和前沿，掌握基本的學(xué)習(xí)工具，培養(yǎng)學(xué)生對本專業(yè)的熱愛，為未來的專業(yè)學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。電子信息類專業(yè)需要學(xué)生掌握專業(yè)知識，能夠運用必要的工具進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計、開發(fā)，具有較強的實踐能力和創(chuàng)新能力，所以在認(rèn)知教育過程中不僅要了解本專業(yè)的相關(guān)知識，更應(yīng)該初步培養(yǎng)學(xué)生的實踐技能、創(chuàng)新能力和專業(yè)熱情[2-3]。

美國的大學(xué)教育強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實踐能力和創(chuàng)新能力[4]，在專業(yè)認(rèn)知教育方面尤其凸顯這一特點，在認(rèn)知教育的選題、教學(xué)手段、實驗方式、考核方法過程中都充分保證學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)[5]。本文以美國賓夕法尼亞大學(xué)(University of Pennsylvania，簡稱賓大)電子系統(tǒng)工程系的專業(yè)認(rèn)知教育課程——電子系統(tǒng)工程介紹(Introduction to electrical and systems engineering)為例，探討美國大學(xué)電子信息類專業(yè)認(rèn)知教育，學(xué)習(xí)有益經(jīng)驗。

1 “電子系統(tǒng)工程介紹”課程簡介

“電子系統(tǒng)工程介紹”是賓夕法尼亞大學(xué)電子系統(tǒng)工程系為電子工程(electrical engineering)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)認(rèn)知課程[6]。該課程主要介紹電子系統(tǒng)工程中所涵蓋的電路設(shè)計、信號處理、網(wǎng)絡(luò)分析的基本概念及相應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計，并開設(shè)相關(guān)專題的實驗課程。課程主題包括電路的數(shù)學(xué)建模、半導(dǎo)體物理與加工技術(shù)、模擬信號和數(shù)字信號處理、網(wǎng)絡(luò)的分層組織、復(fù)雜系統(tǒng)的分析和抽象。

課程分為三大板塊：專題講座、認(rèn)知實驗和項目設(shè)計。其具體內(nèi)容如下。

1.1 專題講座

在專題講座板塊共包含5個專題講座，講座題目和內(nèi)容為：

(1) 超大規(guī)模集成電路和微電子——信息革命的基礎(chǔ)。講座通過對超大規(guī)模集成電路和微電子發(fā)展歷程及應(yīng)用的介紹，概述簡單模擬電路、數(shù)字電路的基本概念、原理，并介紹該專業(yè)的專業(yè)特點、培養(yǎng)目標(biāo)及后續(xù)專業(yè)課程設(shè)置情況。

(2) 納米加工技術(shù)。講座圍繞電子元器件的制作，對納米加工技術(shù)進(jìn)行了介紹，并引入后續(xù)課程相關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生了解該項技術(shù)的應(yīng)用情況。

(3) 信號處理。主要介紹了信號、信號處理的基本概念及信號處理的典型應(yīng)用，尤其是通過信號處理在圖像、語音技術(shù)中的應(yīng)用，使學(xué)生了解專業(yè)知識的應(yīng)用。

(4) 神奇的機(jī)器人。主要圍繞機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)機(jī)器人的硬件和軟件相關(guān)概念，以及機(jī)器人應(yīng)用的相關(guān)領(lǐng)域，對機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了介紹，并引入了“基礎(chǔ)電路分析”、“信號和濾波”、“機(jī)械設(shè)計”、“嵌入式系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法”等后續(xù)相關(guān)課程。

(5) 如何實現(xiàn)器件到產(chǎn)品轉(zhuǎn)變。從市場的規(guī)律出發(fā)，介紹如何滿足客戶需求開發(fā)相應(yīng)電子產(chǎn)品，并取得相應(yīng)收益，通過這一講座使學(xué)生充分認(rèn)識電子產(chǎn)品開發(fā)的過程。

1.2 認(rèn)知實驗

認(rèn)知實驗主要通過6個實驗由淺入深地使學(xué)生了解模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的基本概念及建模，掌握學(xué)習(xí)工具M(jìn)atlab的使用，了解Arduino處理器的編程和XBees無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)知識，實現(xiàn)基于Arduino處理器的小系統(tǒng)、復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)。具體實驗內(nèi)容見表1。

表1 “電氣及系統(tǒng)工程介紹”課程實驗安排

1.3 項目設(shè)計

學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中需要完成實踐項目、期中項目和期末項目3個項目設(shè)計題目。

實踐項目要求學(xué)生應(yīng)用MAX756設(shè)計一個電池供電的便攜式USB充電器，要求學(xué)生完成參數(shù)計算、焊接、裝配[7]。

期中項目一般為撰寫科技報告，例如2013年秋季學(xué)期期中項目設(shè)計為：作為蘋果公司和三星公司的項目顧問，根據(jù)所學(xué)知識和提供的問題，撰寫三星Galaxy手機(jī)和蘋果iPad在硬件和軟件的相同點和差異。

期末項目是根據(jù)之前課程中所學(xué)到的電路、Arduino處理器、無線網(wǎng)絡(luò)的知識，由學(xué)生獨立設(shè)計完成一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的計步器，該計步器能夠與其他同樣處于無線網(wǎng)絡(luò)中的計步器共享數(shù)據(jù)。學(xué)生也可以根據(jù)自己的想法增加相應(yīng)的模塊，使項目更具有特色。

2 賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面的特點及啟示

近年來國內(nèi)高校在人才培養(yǎng)過程中重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，越來越多的高校開展專業(yè)認(rèn)知教育、認(rèn)知實習(xí)等課程，以提高學(xué)生專業(yè)認(rèn)識及實踐能力、創(chuàng)新能力[8]。從賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育課程的課程內(nèi)容、教學(xué)方法等方面來看，其目的是使學(xué)生在了解專業(yè)特點的同時，激發(fā)學(xué)生對本專業(yè)的興趣，并從淺顯的概念出發(fā)，結(jié)合實踐，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。通過對其課程開展情況的分析，結(jié)合我國國情，本文認(rèn)為以下幾點啟示對于電子信息類人才的創(chuàng)新能力培養(yǎng)來說具有重要意義。

2.1 課程選題新穎，貼近實際

從賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育課程中內(nèi)容選題可以看出，無論是講座題目、實驗題目，還是項目設(shè)計題目，都是與當(dāng)前技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，是通過跟蹤技術(shù)發(fā)展形勢確定的，這是符合電子信息類學(xué)生培養(yǎng)要求的[9]。所以，在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的時候必須注重追蹤科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，把最新的實驗方法、測試技術(shù)和儀器設(shè)備引進(jìn)實驗教學(xué)之中，把最新的科學(xué)研究成果和科學(xué)研究方式方法及時地帶到實驗教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生去探索新的知識，體會科技的進(jìn)步和競爭，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。而且，在題目設(shè)計過程中，要充分考慮到學(xué)生的認(rèn)知過程，題目貼近實際，易于學(xué)生實踐。

2.2 內(nèi)容由淺入深，分層次進(jìn)行

賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育課程中首先從淺顯的歐姆定律開始，介紹學(xué)習(xí)的基本方法、基本工具，再引入容易實現(xiàn)的Arduino處理器的編程、系統(tǒng)設(shè)計，最后實現(xiàn)基于無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計。其教學(xué)內(nèi)容由淺入深，環(huán)環(huán)相扣，從基礎(chǔ)實驗的認(rèn)知階段→理論向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)換階段→學(xué)生綜合設(shè)計性實驗階段→自主選題開發(fā)階段，層次逐層升高。隨著層次越高，設(shè)計研究和學(xué)生獨立性的成分越多。這種分層次、漸進(jìn)式的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置，有效地實現(xiàn)了學(xué)生從基礎(chǔ)常識到專業(yè)知識過渡，并初步引入工程性、應(yīng)用性基礎(chǔ)教育。

2.3 實驗教學(xué)與開放式實驗相結(jié)合

在實驗教學(xué)過程中，賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知教育課程分為實驗課和項目設(shè)計2個模塊。實驗課是采用固定實驗時間、固定實驗內(nèi)容的授課方式，學(xué)生在實驗過程中了解實驗室規(guī)章制度，熟悉使用實驗室設(shè)備，掌握基本實驗工具和手段，達(dá)到實驗內(nèi)容教學(xué)的目標(biāo)，為后續(xù)項目設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。在項目設(shè)計過程中，采取開放式實驗方式[10]，學(xué)生可以根據(jù)自身情況在開放實驗室進(jìn)行項目的設(shè)計和實現(xiàn)。這種結(jié)合方式不僅達(dá)到了學(xué)生在專業(yè)認(rèn)知階段必要的知識積累，還可以使學(xué)生充分利用實驗室資源，創(chuàng)造獨立學(xué)習(xí)的機(jī)會。通過開放實驗室，將課內(nèi)與課外相結(jié)合，從而做到“優(yōu)化課內(nèi)，強化課外”的實驗效果。

2.4 采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)，注重學(xué)生自學(xué)能力培養(yǎng)

課程項目設(shè)計主要采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法[11-12]，通過建立任務(wù)，誘發(fā)、加強學(xué)生學(xué)習(xí)和完成任務(wù)的動機(jī)，激勵學(xué)生的主觀能動性。學(xué)生通過對給出的項目要求進(jìn)行文獻(xiàn)檢索、資料整理，學(xué)會撰寫科技報告。為滿足實踐項目設(shè)計要求，學(xué)生需要自學(xué)相關(guān)硬件、軟件設(shè)計知識，動手完成系統(tǒng)的搭建、調(diào)試，并能夠抓住自身系統(tǒng)設(shè)計特點進(jìn)行產(chǎn)品介紹講解。在學(xué)生項目設(shè)計過程中，教師給予相應(yīng)的指導(dǎo)和總結(jié)，使學(xué)生對于專業(yè)的認(rèn)知更加清晰和深刻，進(jìn)一步提高學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣，形成比較穩(wěn)定的學(xué)習(xí)動機(jī)。

2.5 良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺促進(jìn)教學(xué)開展

賓夕法尼亞大學(xué)為每一門課程開設(shè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，在平臺上教師可以對課程及學(xué)生進(jìn)行有效管理，學(xué)生可以查閱課程的相關(guān)授課信息、下載教學(xué)軟件和參考材料、課程教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)作業(yè)上傳，并可以實現(xiàn)教師和學(xué)生的交流。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的使用，不僅在資源上豐富了課堂教學(xué)的內(nèi)容，而且推動了研究性教學(xué)的開展[13]，促進(jìn)教師對于課程進(jìn)行細(xì)化教學(xué)，加強了師生互動，使學(xué)生的自主性得到了充分發(fā)揮，探究的時間更充分，空間更廣闊，利于學(xué)生的個性化教育。

2.6 注重綜合能力的考核方式

在課程的考核方面，不僅僅注重項目作品的實現(xiàn)情況，還需要學(xué)生制作作品展示海報，進(jìn)行作品口頭介紹。海報要求在設(shè)計、內(nèi)容上具有獨特性，在展示過程中主題突出、語言流暢、體態(tài)適宜，同時如果作品具有原創(chuàng)點還會給予相應(yīng)的加分。可以看出課程的考核方式不僅僅局限于專業(yè)特色和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，還激勵學(xué)生培養(yǎng)獲取、篩選、加工信息的能力和語言表達(dá)能力。

3 結(jié)束語

通過對賓夕法尼亞大學(xué)專業(yè)認(rèn)知課程“電子系統(tǒng)工程介紹”的研究，可以看出，良好的專業(yè)認(rèn)知教育可以給學(xué)生的認(rèn)知能力、專業(yè)技能、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)，尤其是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不僅僅局限在高年級學(xué)生的專業(yè)課教學(xué)中，而是應(yīng)該在學(xué)生剛剛接觸本專業(yè)知識之初，就給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)及培養(yǎng)，這樣才能激發(fā)學(xué)生的專業(yè)熱情，提高專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，推動專業(yè)學(xué)習(xí)的發(fā)展。同時，在專業(yè)認(rèn)知教育開展過程中，在課程內(nèi)容、教學(xué)手段、考核手段等多方面注重學(xué)生個性的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和實踐能力，這為國內(nèi)高校電子信息類學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了良好的借鑒。

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