以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向的實驗實踐體系探索

王 茜

(電子科技大學(xué) 成都學(xué)院，四川 成都611731)

0 引 言

人才培養(yǎng)體系的構(gòu)建是高校發(fā)展的重中之重［1］，是關(guān)系到學(xué)院生存和發(fā)展的大事，而實驗實踐教學(xué)是其中重要的組成部分［2］，如何在社會對人才需求不斷提高的今天，與時俱進(jìn)地走出自己的特色之路、實現(xiàn)電子科技大學(xué)成都學(xué)院的可持續(xù)發(fā)展，成為四川省2014～2016 年高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革——以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向的人才培養(yǎng)體系的研究與實踐課題研究的核心任務(wù)。近年來，我國高校工科類專業(yè)對原來工程實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)模式進(jìn)行了較大幅度的改革，普遍加強(qiáng)了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的進(jìn)程。經(jīng)過我們認(rèn)真地調(diào)研和分析，認(rèn)為目前實驗實踐教學(xué)環(huán)節(jié)仍存在以下問題:實驗實踐教學(xué)雖有加強(qiáng)，但涉及課程較少;理論教學(xué)與實驗實踐教學(xué)雖有一定交融，但相互間仍缺少系統(tǒng)性聯(lián)系;工程觀念引入過少，實驗實踐課程更多地是針對書本習(xí)題的演練。

針對以上問題，本課題以國際流行的CDIO 模式為綱、以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向進(jìn)行實驗實踐體系的探索。

1 課題目標(biāo)

我們對企業(yè)調(diào)查發(fā)現(xiàn):就業(yè)市場要求畢業(yè)生具有符合崗位需要的實踐能力、符合行業(yè)需要的專業(yè)技能、符合職業(yè)發(fā)展的職業(yè)素養(yǎng)。從這些要求可以看出，實踐能力是企業(yè)首要看重的能力［3］，如何培養(yǎng)企業(yè)所需的實踐能力是進(jìn)行實驗實踐教學(xué)改革的重要依據(jù)。

CDIO(Conceive Design Implement Operate，CDIO)是由麻省理工學(xué)院等四所大學(xué)建立的一種先進(jìn)的工程教育模式，它以產(chǎn)品從構(gòu)思、研發(fā)、運行到廢棄和再利用的全生命過程為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力，包括個人的科學(xué)和技術(shù)知識、終身學(xué)習(xí)能力、交流和團(tuán)隊工作能力和在社會和企業(yè)環(huán)境下構(gòu)建產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的能力。CDIO 的培養(yǎng)目標(biāo)是把學(xué)生培養(yǎng)成能夠掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識;領(lǐng)導(dǎo)新產(chǎn)品和新系統(tǒng)的開發(fā)和運行;理解技術(shù)的研究與發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響的應(yīng)用型人才［4］。

CDIO 的培養(yǎng)目標(biāo)與市場需求高度吻合，但CDIO的內(nèi)容非常的繁多，不能完全照搬，必須根據(jù)本學(xué)院的特點對CDIO 進(jìn)行應(yīng)用、繼承和發(fā)展，以工程系統(tǒng)為主線，完整、有銜接地貫穿于整個本科四年實驗實踐教學(xué)階段，使學(xué)生系統(tǒng)地得到構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行(CDIO)的整體訓(xùn)練［4］。通過基于工程系統(tǒng)的培養(yǎng)體系，可使學(xué)生受到工程和團(tuán)隊工作的實際訓(xùn)練，從而具備以團(tuán)隊方式解決實際問題的能力，造就理論基礎(chǔ)扎實、實踐能力突出、職業(yè)素養(yǎng)優(yōu)良的具有終身學(xué)習(xí)能力的應(yīng)用型人才［5］。

2 實驗實踐能力體系

本課題參照CDIO 的思想采用魚骨圖的方式規(guī)劃整個實驗實踐能力體系。體系以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生的七大能力為目的，其中，七大能力的內(nèi)容如下:

(1)發(fā)掘能力。能從實際角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中問題的能力;

(2)系統(tǒng)設(shè)計能力。從整體和全面的視角設(shè)計系統(tǒng)的能力;

(3)工程能力。在平衡產(chǎn)品性能和價格的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工程價值最大化的能力;

(4)創(chuàng)新能力。對已有的知識和技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和運用的能力;

(5)團(tuán)隊協(xié)作能力。在團(tuán)隊中能夠與他人進(jìn)行溝通和技術(shù)協(xié)作的能力;

(6)交流能力。能夠?qū)ψ约旱睦鄯e進(jìn)行表達(dá)和寫作的能力;

(7)職業(yè)素養(yǎng)。誠信、責(zé)任感和進(jìn)取。

下面以嵌入式專業(yè)方向為例進(jìn)行分析，其實驗實踐能力體系圖見圖1，整個體系按培養(yǎng)的深度劃分為三級:第一級為工程系統(tǒng)實踐級，內(nèi)容為本專業(yè)相關(guān)工程能力的綜合應(yīng)用，系統(tǒng)設(shè)置由簡到難，由硬件平臺到軟件開發(fā)，能力要求為高級，涵蓋七大能力的全方位培養(yǎng);第二級為軟硬件綜合實踐級——本專業(yè)相關(guān)實驗課程群延伸的實踐應(yīng)用，分模塊進(jìn)行綜合實踐，能力要求為中級，培養(yǎng)部分綜合能力;第三級為專業(yè)課程實驗級——為增強(qiáng)專業(yè)課程的理解而設(shè)的實驗動手課程，能力要求為初級，完成單項能力的培養(yǎng)。

圖1 實驗實踐能力體系圖

2.1 專業(yè)課程實驗級

工科專業(yè)的理論課程通常具有專業(yè)術(shù)語多、推導(dǎo)過程繁雜、理解抽象困難等特點，實驗課程可以讓學(xué)生在短時間內(nèi)對專業(yè)課程內(nèi)容直觀、形象地理解和掌握，課題組根據(jù)具體專業(yè)課程的需要設(shè)置實驗課程，然后將所有的實驗課程根據(jù)內(nèi)容、屬性和難度組成實驗課程群。例如，圖1 中的電路板設(shè)計實驗1、集成電路應(yīng)用實驗和單片機(jī)實驗就是根據(jù)內(nèi)容由淺入深地共同組成單片機(jī)硬件開發(fā)實驗課程群。其中，電路板設(shè)計實驗先教會學(xué)生運用PCB 制圖軟件;集成電路應(yīng)用實驗將教會學(xué)生如何調(diào)試電路;單片機(jī)實驗將教會學(xué)生如何調(diào)試單片機(jī)硬件系統(tǒng)，以上三門實驗課程是硬件部分的基礎(chǔ)課程，可以幫助學(xué)生逐步累積動手經(jīng)驗，為下一級綜合實踐級的開展打下基礎(chǔ)。課程群的劃分可以讓師生都明確課程之間的相互聯(lián)系和該門實驗在整個培養(yǎng)體系中所處的位置［6］，可以循序漸進(jìn)地培養(yǎng)起學(xué)生對實踐學(xué)習(xí)的興趣，引導(dǎo)他們對實驗內(nèi)容定性地進(jìn)行思考。

實驗課程群是依據(jù)學(xué)生由淺入深、由點到面的實踐學(xué)習(xí)特點進(jìn)行設(shè)置的，課程依據(jù)難易程度由淺入深的在實驗室中進(jìn)行教授，教學(xué)方式區(qū)別于一般的理論教學(xué)，統(tǒng)一采用引導(dǎo)式教學(xué)［7］，帶領(lǐng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題［8］、引導(dǎo)思考、指導(dǎo)解決。在筆者的教學(xué)班里發(fā)現(xiàn)，實驗課程群的劃分和改革不僅促進(jìn)了學(xué)生以更積極主動的心態(tài)對理論課程的學(xué)習(xí)自我完善，還提升了學(xué)生發(fā)掘問題和解決問題的能力。

2.2 軟硬件綜合實踐級

實驗課程群針對的是單門課程，鍛煉的僅僅是某一個課程點的動手能力，在完成了一個實驗課程群的教學(xué)之后就需要進(jìn)行能力的擴(kuò)展和深化，即是軟硬件綜合實踐級訓(xùn)練。

軟硬件綜合實踐級是對課程群中的知識進(jìn)行綜合應(yīng)用能力的拓展，例如圖1 中的ARM 系統(tǒng)開發(fā)，就是對ARM 系統(tǒng)的軟硬件綜合實踐。實踐課題主要來源于競賽，如循跡小車、四旋翼飛行器的制作等。實踐內(nèi)容不再是單一的知識點，而是擴(kuò)展到知識面，綜合實踐級的難度隨著學(xué)生年級的增長逐年增大，如ARM 系統(tǒng)開發(fā)的難度就高于單片機(jī)硬件開發(fā)。

綜合實踐級要求學(xué)生能夠?qū)Χ嚅T課程中的知識點靈活運用、融會貫通，提升學(xué)生的中級實踐能力。該級別由教師出題，學(xué)生組隊參與，在這一級教師不再手把手地指導(dǎo)，而是把大半的時間交給學(xué)生，由他們自主思考、合作完成競賽小項目。例如圖1 中的ARM 系統(tǒng)開發(fā)課題之一就是2013 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽題——四旋翼自主飛行器，該課題是融入了電路板設(shè)計、ARM 實驗、C 語言課程實驗等一系列課程群的綜合項目。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐，我們采用綜合實踐級的訓(xùn)練模式指導(dǎo)學(xué)生參加電子設(shè)計競賽，取得了良好的效果，學(xué)生先后獲得了許多省級、國家級獎項，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生對綜合系統(tǒng)的設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。

2.3 工程系統(tǒng)實踐級

工程系統(tǒng)實踐級是軟硬件綜合能力的工程應(yīng)用訓(xùn)練。能力要求為高級，要求學(xué)生能夠?qū)σ延械闹R深入貫通、對未知的知識發(fā)掘?qū)Ｑ校n題主要來源于科研和企業(yè)項目，能夠模擬在企業(yè)和社會環(huán)境中實際產(chǎn)品系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運行過程。

每個專業(yè)的一級體系中含三個工程系統(tǒng)實踐項目［9］，難度逐個增大，教師根據(jù)自己的專研方向組隊指導(dǎo)，每年制定的工程系統(tǒng)項目都需要引入工程概念［10］，涵蓋學(xué)生學(xué)過的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力、工程基礎(chǔ)能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、交流能力以及職業(yè)素養(yǎng)，同時我們還要求工程系統(tǒng)中一定要有學(xué)生沒學(xué)過的知識，給予學(xué)生足夠大的自學(xué)空間，培養(yǎng)學(xué)生對未知領(lǐng)域的發(fā)掘能力和創(chuàng)新能力［11］。例如圖1 中的嵌入式控制系統(tǒng)課題之一是基于RFID 的便攜式點檢設(shè)備設(shè)計，教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)樘籼薜目蛻簦岢龉こ讨笜?biāo)和結(jié)題時間，學(xué)生組隊承接項目，項目完成后，教師會以工程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生作品進(jìn)行考核:包括系統(tǒng)手持部分重量小于200 g、閱讀距離在125 mm 以內(nèi)、符合ISO 18000-3 標(biāo)準(zhǔn)等。

學(xué)生在4 年的學(xué)習(xí)中至少要進(jìn)行兩個工程系統(tǒng)實踐訓(xùn)練，設(shè)計成績合格方能進(jìn)行畢業(yè)答辯，經(jīng)過幾年的工程系統(tǒng)實踐級教學(xué)，不僅提高了學(xué)生畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，更是縮短了學(xué)生能力和企業(yè)需求之間的距離，顯著提升了就業(yè)率。

3 質(zhì)量保障體系

3.1 團(tuán)隊承包制

按工程系統(tǒng)劃分指導(dǎo)團(tuán)隊，團(tuán)隊成員由專職教師、實驗教師、輔導(dǎo)員、教務(wù)、行政共同組成。每個團(tuán)隊在工程系統(tǒng)開展前與系上簽訂任務(wù)協(xié)議書(含任務(wù)實施細(xì)則和任務(wù)分解表)，時間結(jié)點到時進(jìn)行任務(wù)考核，對完成情況排名第一的進(jìn)行獎勵，完成情況不達(dá)標(biāo)的計入年終考核。通過團(tuán)隊承包制，提升了教師的團(tuán)隊意識，每一名成員各司其職，從學(xué)業(yè)到生活為學(xué)生提供全方位的指導(dǎo)。

3.2 畢業(yè)設(shè)計改革

工程系統(tǒng)設(shè)計的作品可用于畢業(yè)答辯，但需提前進(jìn)行申請，難度達(dá)標(biāo)的方可獲批準(zhǔn)，從畢業(yè)答辯的情況可以對團(tuán)隊建設(shè)質(zhì)量進(jìn)行評測［12］，同時可隨時根據(jù)反饋情況對整個實踐系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過實踐訓(xùn)練的畢業(yè)設(shè)計不再是流于形式的抄襲和復(fù)制，而是教學(xué)成果的總結(jié)和呈現(xiàn)，反過來，畢業(yè)設(shè)計又可以指導(dǎo)我們不斷改進(jìn)教學(xué)方法，進(jìn)一步深化CDIO 改革的內(nèi)涵。

3.3 實踐教學(xué)監(jiān)控

每門實踐課程都需要書寫詳細(xì)的改革教案。教案不再延續(xù)舊的形式，而是引入CDIO 思想，重新構(gòu)思課堂內(nèi)容，讓學(xué)生成為教學(xué)活動中的主角，每次開學(xué)前都要探討教案，并讓教師相互進(jìn)行聽課評分，同時定期召開教學(xué)反饋會，通過以上多種形式進(jìn)行課堂教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控［13］。通過對實踐教學(xué)質(zhì)量的嚴(yán)格監(jiān)控，避免了出現(xiàn)虎頭蛇尾的現(xiàn)象，讓整個教學(xué)實踐活動更加健康、穩(wěn)健、扎實。

4 以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向的實驗實踐體系的效果分析

以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向的實驗實踐體系是基于CDIO培養(yǎng)模式的創(chuàng)新型實踐體系［14］，由淺入深地引導(dǎo)學(xué)生向工程師的角色轉(zhuǎn)變，通過三級體系的訓(xùn)練完成對專業(yè)技能的綜合學(xué)習(xí)，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、定性分析、整體思維、軟硬結(jié)合、性價權(quán)衡、整合研發(fā)、團(tuán)隊協(xié)作的能力，以及良好的表達(dá)能力、寫作能力、職業(yè)素養(yǎng)等。①整個實踐體系大幅度的對核心課程增設(shè)實驗課，激發(fā)了學(xué)生動手實踐的主動性和積極性，將被動的理論學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動的動手實踐，學(xué)生有更多的思考與融會貫通的時間去領(lǐng)悟?qū)W習(xí)要領(lǐng);②實踐體系的逐級構(gòu)建，不僅讓學(xué)生能夠循序漸進(jìn)的完善專業(yè)系統(tǒng)的理解和學(xué)習(xí)，這種分層設(shè)置還滿足了不同層次、不同個性學(xué)生的需求，不同程度的提升了學(xué)生的綜合實踐能力;③工程觀念的引入使學(xué)生更加明白企業(yè)的需求，變“教師是演員學(xué)生是聽眾”為“教師是客戶學(xué)生是工程師”的教學(xué)方式確保學(xué)生以工程主體的角色參與教學(xué)過程［15］，不僅實現(xiàn)師生的良性互動，還讓學(xué)生在就業(yè)前得到工程實踐的訓(xùn)練，從而縮短了企業(yè)需求與學(xué)生能力之間的距離。

5 結(jié) 語

實驗實踐體系是高校教育中非常重要的一個內(nèi)容，隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，必須與時俱進(jìn)。電子科技大學(xué)成都學(xué)院微電子技術(shù)系基于國際流行的CDIO 工程教育模式，提出了以工程系統(tǒng)為導(dǎo)向、以培養(yǎng)七大能力為目的的實驗實踐體系結(jié)構(gòu)，并對其不斷地進(jìn)行探索、創(chuàng)新和改革，最終希望通過實踐達(dá)到培養(yǎng)可持續(xù)性發(fā)展人才的目的［16］。

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