“1+2+3”創新教育模式提升學生解決“復雜工程問題”能力

張 晶 藍 天 譚筠梅

（蘭州交通大學計算機科學與技術實驗教學中心，甘肅 蘭州730070）

0 引言

2017年，教育部高教司發布關于開展新工科研究與實踐的通知，組織研討，形成復旦共識、天大行動和北京指南等新工科建設指導意見。新工科人才培養新模式要求轉變人才培養方式，培養具有創新能力的工程技術人才。加強新工科教育模式下大學生創新能力培養具有重要的現實意義[1-2]。

工程教育認證和新工科教育模式倡導以學生為中心、產出導向、持續改進三大教育理念，培養學生解決復雜工程問題的能力。復雜工程問題能力的核心是建立系統觀，學生能以系統角度看問題，追求問題的系統求解，強調學生具有全局掌控系統的能力和完備的工程實現能力，使學生經歷復雜工程問題的解決過程，完成基本系統和應用系統的構建，能基于模型進行設計、實現和分析[3-4]。

1 嵌入式課程教學存在的問題

在嵌入式課程的教學過程中，仍以教師講授理論知識為主，實踐環節較少，學生學習興趣較低，學習效果差。這種現狀已不能滿足新工科建設和工程教育認證的要求，采用以學生為中心，面向產出的教學方法已成為迫切需要解決的問題。

1.1 “1+2+3”創新教育模式

蘭州交通大學計算機科學與技術國家級實驗教學示范中心經過多年教學實踐，形成了一套完整的“1+2+3”創新教育模式，在學生實踐動手能力、創新創業訓練及學科競賽等方面取得了顯著成果。

圖1 “1+2+3”創新教育模式

“1+2+3”創新教育模式：1個嵌入式實踐育人基地；2級實訓：嵌入式基礎硬件系統設計、嵌入式應用硬件系統設計；3級競賽：校級競賽、省級競賽、國家級競賽。

1.2 以點帶面，建立嵌入式實踐育人基地

為激發學生創新實踐熱情，蘭州交通大學成立了嵌入式實踐育人基地，以點帶面，發揮基地輻射作用，推動嵌入式技術教學發展，提高學生嵌入式系統設計的能力。

基地為學生提供了良好的實踐環境和充足的實驗設備器材，每年組織學生申報大學生創新性實驗項目。依托基地成立了嵌入式協會，定期面向全體成員舉辦嵌入式相關技術培訓，舉行各類嵌入式活動，通過培訓大大提高了成員對嵌入式技術的學習興趣，為學生參加各類創新項目和學科競賽奠定基礎，營造良好的實踐研究氛圍。

1.3 以提升學生解決復雜工程能力問題為目標開設實訓課程

創新思維的產生需要有認知基礎，以工程認證標準和新工科建設要求為依據，開設2級嵌入式實踐課程：嵌入式基礎硬件系統設計實訓和嵌入式應用硬件系統設計實訓，著力提升學生創新實踐能力。實訓以學生、項目、實踐為中心，學生在實踐中得到鍛煉具備解決嵌入式復雜工程問題的能力，從而培養出達到工程教育認證標準的學生[5]。

基礎硬件系統設計實訓：教師將嵌入式系統分解為不同模塊，指導學生從單一模塊開始逐步進行集成，最終完成嵌入式系統。此過程培養學生模塊化系統設計思想和設計能力。

應用硬件系統設計實訓：以基礎硬件設計為基礎，通過指導學生學習直流電機、紅外遙控、藍牙、無線等復雜模塊，指導學生設計具有應用價值的復雜嵌入式系統，如導盲機器人、水下監測機器人等。引導學生將嵌入式技術與專業結合，協作完成復雜硬件系統開發。

兩部分實訓相輔相成，教師利用中心的“私有云”平臺，可隨時跟蹤每位學生的學習進展狀況，對教學內容進度及時調整。項目小組成員可隨時在線進行討論。

1.4 以學促賽，以賽促學

堅持以學促賽，以賽促學的競賽教學相互促進模式，建立“校級競賽—省級競賽—國家級競賽”三級競賽平臺，調動學生的學習積極性，引導和鼓勵學生將知識應用于實踐。通過該競賽平臺能夠使學生在增強信心、提高競爭意識、加強團隊合作等方面得到有效的鍛煉[6]。

校級競賽：每年舉辦校內嵌入式設計大賽以覆蓋大多數學生為主，積極鼓勵各年級學生跨專業組隊，側重學生作品設計的理念，以提升學生學習興趣為主，激發學生創新的熱情和積極性。

省級競賽：經過校級競賽選拔出的優秀隊伍將參加各類省級嵌入式競賽，在項目功能完善、設計報告規范性等方面進行強化訓練。

國家級競賽：對省級競賽中獲得優異成績并獲得參加國家級競賽資格的隊伍，進行集訓，指導學生對作品進行深度完善、包裝、轉化為產品。積極鼓勵學生參加“互聯網+”全國大學生創新創業大賽等各類高水平國家級創新創業競賽。

通過建立起三級學科競賽平臺，學生在競賽驅動下，通過不斷的解決工程問題，享受到自主學習的快樂，使學生專業知識綜合應用能力及創新實踐能力得到不斷的提高，進而具備解決“復雜工程問題”的能力[7-9]。

2 實施效果

通過該體系培養了大批嵌入式軟硬件設計人才，在“互聯網+”智能制造、智能家居等領域進行了大量創新項目設計和產品開發，完成如基于ROV的水下監測機器人，智能導盲機器人等作品，在“互聯網+”全國大學生創新創業設計大賽、“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽、“TI杯”全國物聯網創新設計大賽、“挑戰杯”大學生課外作品設計大賽等競賽中取得了優異的成績。

3 結語

依托嵌入式實踐育人基地和兩級嵌入式創新實訓，學生能夠獨立進行系統設計、仿真編程、硬件調試及項目資料整理，完成復雜嵌入式系統開發。在競賽驅動下，學生不斷迸發出新的創新靈感，完成更多具有實際意義的創新作品。“1+2+3”創新教育模式在培養學生嵌入式實踐能力、提升學生解決復雜嵌入式工程問題方面發揮了重要的作用，取得了良好的效果。