新工科下“硬件課程設計”創新人才培養的教學改革與實踐

付秀偉,邵 赟,付 莉,王嘉祺**,王佳秀***

(1.吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022;2.浙江綠色智行科創有限公司,杭州 浙江 310000)

隨著經濟全球化的日益深入,創新與發展已成為全球關注的焦點,社會對創新應用型人才的渴求也極為迫切。據統計為培養創新應用型人才[1-2],美國研究所與美國教育部于2016年發布《STEM2026:STEM教育創新的愿望》,芬蘭、加拿大等國學者也紛紛提出相關應用型人才培養的理論,促進工程創新人才培養。2017年我國教育部啟動了“新工科”建設,加快培養新領域高層次工程技術創新人才,2021年教育部提出深化新工科建設,優化創新人才培養模式,為高端制造業發展提供人才支撐[3-5]。目前,我國在“互聯網+”變革、“雙創”新勢態推出后,地方產業和社會對電子技術方向創新應用型人才的需求極為龐大。

作為電子信息類一門電子技術應用綜合設計類的課程[6-7],要求學生綜合應用模擬電子技術,數字電子技術,單片機原理及應用和自動控制原理等知識解決工程問題,該課程可培養學生獨立分析、解決問題和工程創新能力[8-9],并在實踐中培養其工程素養,因此,具有創新應用能力的綜合設計類課程成為新工科背景下應用型人才培養的必要保障。新工科背景下,傳統實踐教學因存在體系不完善,教學內容陳舊,考核形式單一等問題,尤其是教學模式中未充分借助信息化和智能化技術開展啟發式教學活動,無法滿足人才成果產出要求。為此,本文針對“硬件課程設計”實踐課程上述總是,從課程體系、教學團隊、教學內容、教學模式和考核標準方面進行改革和探究。

一、傳統硬件課程設計存在的弊端

(一) 課程設計的知識體系與新工科要求不符

傳統的硬件課程設計只是對某一固定的課題進行設計,大部分采用基于89C51單片機進行設計,內容簡單,形成了一定的知識體系,教學實踐模式相對固定,沒有依照現有的新工科的知識和能力來實時調整培養方案,不能實時跟隨時代的發展潮流,不能準確地把握現在企業所需要人才的知識儲備,導致人才培養滯后于行業結構調整,不符合市場和經濟需求。

(二) 課程中模式單一、課題內容落后和技術陳舊

實踐教學模型單一,課題落后,傳統的硬件課程僅僅通過普通的51單片機對一些傳感器實現簡單的功能,缺少新工科下對新型的產業形式進行提升和創新,不利于應用型人才的培養質量的提高。在技術方面,傳統的技術陳舊,在實際應用中處于產能淘汰階段,無法適應現在新工科下的人工智能,大數據和機器人等一系列的專業要求,在面對多元化產業需求的基礎上,很難引領經濟發展勢頭,無法塑造出卓越人才。

(三) 學科間互動少,綜合技能弱,學生創新意識薄弱

新工科是在新一輪的科技革命下針對新興產業以互聯網和工業智能為核心發展的新工科專業[10-11]。涉及到多個學科專業的融合,要求學科間相互交叉,使學生的綜合技能變強,提高學生的主動創新意識,提高學生的綜合實力,而傳統的硬件課程在這方面顯得尤為不足,設計單一,學科知識積累少,創新思維受到限制。

二、課程建設舉措

新工科背景下對硬件課程設計提出了新的挑戰,更加重視對互聯網和工業智能的要求,對未來新興產業要求實踐能力更強,創新能力更強的復合人才,這就對硬件課程設計提出了新的要求,為此提出了優化課題體系,更新課程實踐內容和構建教學交流平臺等建設方案。

(一) 優化課程體系結構

優化硬件課程設計內容體系結構需要遵循新工科背景下創新應用型人才培養要求,進行反向設計,正向實施[12]。課程內容體系結構流程如圖1所示。體系具體步驟如下:

圖1 新工科背景下硬件課程設計體系實施流程

(1)從總體畢業設計要求中分離出與硬件相關的畢業要求,以此制定硬件課程設計的總體目標。

(2)根據總體目標,確定開設的課程設計項目需求,厘清項目之間的作用,地位和先后銜接關系,形成課程體系層次樹。

(3)將總體目標進行分解,分解到每個項目中去,形成每個項目的教學目標。

(4)根據每個項目的教學目標,制定教學大綱,精選教學內容,形成知識樹,確定教學方法,確保知識點無遺漏,做到統籌協調,保證知識體系的完整性。

(5)對上面四條進行反向實施,始終以產出目標為導向,以學生為中心,從具體課程出發,直至總體目標的達成。

(二) 更新教學內容

硬件課程設計面向電子信息類全體學生,而每個專業學生的學習興趣點、知識儲備和能力特點均有所不同,因此教學內容從班級、類型、課題和指標方面對設計項目進行分類。

(1)班級分類:依據前測反饋自適應調整課題培養創新應用能力,對專業基礎較好以及卓越班級、優勢人才等適當增加設計指標難度;

(2)類型分類:課題小組依據學生興趣、能力特點,課題內容按照相對比例分為軟件編程和硬件設計兩種類型,學生自行選擇課題類型;

(3)課題分類:課題種類按專業方向、設計類別、學科分類等類別增加多樣化題目,學生根據難度系數、興趣特點、小組合作選擇課題;

(4)指標分類:設置系統內部模塊設計技術方法、編程算法,結合企業需求和開發平臺設定具有實用性、創新性指標,實現課題設計指標多元化。

(三) 構建互動平臺

整合多方資源,匯集一起,將各個平臺的優點集硬件課程設計于一身,采用學習通、B站、微信公眾號、慕課等多種方式傳授知識。實現師生之間,生生之間的互動,采用開放式交流方式,針對問題集思廣益,切實讓學生體會到學習的快樂,以及如何更好地提出問題,分析問題和解決問題,使學生受益匪淺。

綜合每個平臺的優勢,利用學習通進行資料發布和教學視頻學習,在慕課里分享國內外優秀課程視頻,利用B站將歷年學生的優秀案例分享出來,采用微信公眾號發布項目設計信息及學習內容,學生及時獲取最新消息,可以通過提問的方式進行相互交流當前問題,從而形成一個完整的硬件知識體系。

三、課程實施

項目的設定和選擇上,充分考慮理論與實踐相結合的融合性和靈活性[13]。以及理論指導實踐,實踐驗證理論的層次性、系統性和工程性,在設計內容方面有階梯性,給學生一定充足的發散空間。

(一) 設計案例

以下將具體分析3周實際項目案例——電動汽車自動駕駛模擬系統實驗,主要分為運動控制部分和圖像識別部分,通過第一部分的運動控制,讓電機以最大的扭矩運行,提高汽車的快速響應性,再根據汽車動力學和運動學,獲得汽車的具體運行位置和速度。第二部分主要是圖像識別部分,用于檢測車輛周圍的信息,實現車輛的道路識別和避障功能,實現電動汽車自動駕駛功能。

1.汽車行駛運動控制

該項目通過使用樹莓派4代在ROS系統上開發應用電動汽車自動駕駛系統,讓學生獲得實際操作系統的實踐經驗。該項目要求從車體設計,電機選型,驅動選擇,傳感器選型,和電源選型考慮,在ROS系統上進行算法設計。

學生需要線上交流,最終提交方案,在教師指導下完善初始化控制算法并編寫代碼,實現完整的自動駕駛系統中車輛任務與控制任務的程序。該系統4部分模塊,包括信號輸入、控制器設計、電機驅動和傳感器檢測。

除此之外,還需學生通過線上平臺資源學習充分理解汽車行駛的狀態,根據汽車動力學和運動學,以及電力拖動控制系統的電機控制的理論知識,考慮汽車的行駛工況,通過計算,最終獲取汽車的車速,加速度和汽車所處的位置信息。線下調試實驗中,通過樹莓派上配有的3個按鍵和2個開關調節車速,實現自動駕駛系統的部分運動控制功能,并配不同的LED顏色顯示不同的運行狀態。以“課內+課外”混合式教學方式激發學生學習興趣,提升自主性學習能力。

2.電動汽車圖像自動識別控制

為培養工程實踐型人才,滿足電子類專業人才市場需求,課程設計要求在ESP32開發板上實現一種圖像識別算法,即圖像識別部分,用于檢測車輛周圍的信息,實現車輛的道路識別和避障功能,實現電動汽車自動駕駛功能。通過ESP32藍牙和WiFi功能將數據傳到云端,用戶端再通過網絡訪問云端將數據下載到手機里,實現顏色的跟蹤和調節。

為增加課程設計內容層次性和靈活性,滿足優才更優學生培養,教學形式為教師交流指導、學生小組討論、自主查閱學習,主要以學生為主體,采用引導性教學。首先,通過智能教學平臺推送學習前期內容,學生了解掌握WiFi的網絡使用,熟悉計算機網絡通信協議,可不定期將數據上傳至云端,方便用戶下載監控。在此過程中,學生逐漸建立興趣和信心。在圖像識別方面需要熟悉圖像處理的設計流程,需要提取彩色不變量,灰度處理,提取特征點,算法剔除誤差識別,延遲計算,識別確定。相比汽車行駛運動控制,學生需要了解學科交叉的網絡知識和圖像處理知識,并提高系統圖像處理的實時性。對于工程化課題考核,學生可從實驗基本要求獲取基礎積分,對于電機實現顏色追蹤等高階指標,學生可根據自身情況選擇性獲取額外積分,提高過程性考核整體效果。通過高階指標設計過程,培養了學生自主學習能力、工程實踐能力,強化了教學中學生創新能力和工程素質的培養。

(二) 實踐效果及分析

結合課程教學實踐及智能教學平臺成績統計數據,如圖2所示。以“自動化專業”積分數據為例,設計總分30分積分,達到21分以上同學占比96%,勇于突破自我認知,通過自主學習,小組討論,教師指導等環節,獲得29分積分的同學高達55%,說明多數學生對課題方向具有較好的興趣,教師細化課程設計指標,分解難度等級后,多數學生不僅從設計內容基本項中獲得相應積分,獲得自信心,對于附加項設計學生也體現出學習意愿和拼搏的鉆研精神,更有助于后續優才培養,提高應用型培養教學質量。

圖2 智能教學平臺“自動化”專業課程積分圖

四、結束語

本文從課程設計的知識體系,課程中模式單一、課題落后和技術陳舊,師資隊伍能力匱乏和學科間互動少,綜合技能弱,學生創新意識薄弱方面存在的問題出發,對新工科視域下創新應用型“硬件課程設計”的培養進行研究探討。加強硬件課程設計中理論與實踐結合的連續性和靈活性,加大團隊建設,優化課題體系,更新課程實踐內容,和構建教學交流平臺,重視互聯網和工業智能技術的發展,培養出實踐能力強,創新能力強的復合人才。培養新工科下的創新人才,適應我國經濟發展的必然趨勢,提升本科院校對創新人才的培養質量。