面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄧計(jì)才　宋豫全　張延彬

摘 要：為有效支撐大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，本研究分析了開放式電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)要求，提出了基于虛擬演播室的電子工程實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)開設(shè)了電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程。該教學(xué)平臺兼具技術(shù)先進(jìn)性和實(shí)用性等特點(diǎn)，嵌入了探究性內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，課程采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，注重學(xué)習(xí)與實(shí)踐的過程考核。教學(xué)實(shí)踐表明學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力得到了明顯提升。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；電子系統(tǒng)；工程實(shí)踐；教學(xué)平臺

實(shí)踐教學(xué)是實(shí)現(xiàn)高等工程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要載體，實(shí)踐課程體系設(shè)計(jì)、課程內(nèi)容及實(shí)施等對人才培養(yǎng)質(zhì)量有重要影響。對于課程內(nèi)容而言，把最新的數(shù)字技術(shù)成果嵌入課程內(nèi)容，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而獲得良好的學(xué)習(xí)效果，這符合OBE教育理念的目標(biāo)。基于此，課題組研究了電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)方案，并將其應(yīng)用于電子信息工程專業(yè)的電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程，課程內(nèi)容融合了專業(yè)理論、技術(shù)和工程等知識，滿足了學(xué)生全面發(fā)展的需求，達(dá)到了支撐創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目的。

一、電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程設(shè)置

根據(jù)創(chuàng)新人才培養(yǎng)及專業(yè)認(rèn)證對實(shí)踐教學(xué)指標(biāo)的要求，需要著力構(gòu)建面向解決復(fù)雜工程問題能力的實(shí)踐課程體系，并基于產(chǎn)出導(dǎo)向的OBE教學(xué)理念，設(shè)置從基礎(chǔ)技能型、綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)型到工程實(shí)踐與創(chuàng)新型等逐級提升的實(shí)踐課程群，在教學(xué)中不斷對課程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)學(xué)生實(shí)踐技能與創(chuàng)新能力的逐步提高。

電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程屬于“工程實(shí)踐與創(chuàng)新型”部分內(nèi)容，課程設(shè)置在大三年級，此時(shí)學(xué)生已完成公共基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向主干課等課程的學(xué)習(xí)，并完成了電裝實(shí)習(xí)、基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)，具備一定的專業(yè)知識和實(shí)驗(yàn)技能，但是仍缺乏完整的電子信息應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)踐過程。因此，電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)就是對學(xué)生進(jìn)行實(shí)用型電子信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)的綜合性訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用專業(yè)知識獨(dú)立處理實(shí)際設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試中遇到的問題。

有別于傳統(tǒng)的課程實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐課程，電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程應(yīng)涵蓋較廣的知識面，內(nèi)容上應(yīng)具有較強(qiáng)擴(kuò)展空間以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識。同時(shí)，課程內(nèi)容應(yīng)有清晰的應(yīng)用場景和技術(shù)先進(jìn)性，這樣便于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。為此結(jié)合電子信息工程專業(yè)特點(diǎn)，教學(xué)內(nèi)容是以開放式教學(xué)平臺為基礎(chǔ)完成數(shù)字視頻處理與傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及的內(nèi)容包括數(shù)字視頻處理、計(jì)算機(jī)編程、信號與系統(tǒng)、射頻信號傳輸、電子測量等，能夠滿足創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求。

電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式，制定電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目任務(wù)書，明確系統(tǒng)的功能指標(biāo)，學(xué)生以開放式平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求進(jìn)行二次開發(fā)，完成設(shè)計(jì)、調(diào)試和測量等工作。

二、電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺研究與設(shè)計(jì)

（一）電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)要求

電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺以數(shù)字視頻采集與處理為核心進(jìn)行構(gòu)建，包括相應(yīng)的軟硬件單元。電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺應(yīng)滿足以下要求：

1.技術(shù)先進(jìn)，包含電子信息工程前沿技術(shù)成果，利于拓寬學(xué)生視野。

2.軟硬件綜合性強(qiáng)，既有硬件的設(shè)計(jì)安裝，又有相應(yīng)軟件編程調(diào)試，是一個(gè)軟硬件結(jié)合的平臺系統(tǒng)。

3.覆蓋知識面廣，包含前期所學(xué)主干課程的知識點(diǎn)。

4.可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于進(jìn)行信號處理（如視頻算法）的深入研究和開發(fā)。

5.技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)，有明確的應(yīng)用場景。

6.滿足復(fù)雜電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，適合多人協(xié)作完成。

（二）基于虛擬演播室的工程實(shí)踐平臺設(shè)計(jì)方案

虛擬演播室是一種數(shù)字視頻節(jié)目源生成設(shè)備，由藍(lán)箱舞臺系統(tǒng)、視頻采集、同步采集跟蹤、數(shù)字視頻摳像、虛擬現(xiàn)實(shí)與視頻合成等部分組成，其技術(shù)核心是藍(lán)屏摳像技術(shù)，并通過圖像合成輸出特殊效果的視頻，涉及數(shù)字視頻處理與編程的綜合應(yīng)用。

根據(jù)上述電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)平臺要求，課題組提出了基于虛擬演播室系統(tǒng)的“數(shù)字視頻處理與傳輸接收系統(tǒng)”教學(xué)平臺方案，整個(gè)教學(xué)平臺由虛擬演播室系統(tǒng)、衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、視頻傳輸前端系統(tǒng)、視頻傳輸與接收網(wǎng)絡(luò)等部分組成，平臺各模塊涉及電子信息工程的多個(gè)技術(shù)點(diǎn)和知識面，虛擬演播室包含數(shù)字視頻處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，鍛煉學(xué)生對數(shù)字視頻的掌握能力和編程能力；視頻傳輸前端部分包含視頻編碼和視頻調(diào)制內(nèi)容；傳輸網(wǎng)絡(luò)采用射頻傳輸技術(shù)，根據(jù)射頻信號傳輸特性設(shè)計(jì)傳輸網(wǎng)絡(luò)；接收網(wǎng)絡(luò)需要完成射頻信號的分配，滿足接收解調(diào)需要，并檢測用戶電平和接收效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)既有視頻摳像算法設(shè)計(jì)與編程，又有射頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試，內(nèi)容貼近實(shí)際需要，實(shí)踐工作量較大，動手能力要求高，需要團(tuán)隊(duì)多人協(xié)作完成，更好滿足工程實(shí)踐課程需要。

三、電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用探究

（一）教學(xué)內(nèi)容與過程分析

以上述教學(xué)平臺為基礎(chǔ)在電子信息工程專業(yè)開設(shè)了電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程，課程設(shè)計(jì)內(nèi)容為“數(shù)字視頻處理與傳輸接收系統(tǒng)”，具體包括兩個(gè)方面。一是數(shù)字視頻處理設(shè)計(jì)：基于虛擬演播室進(jìn)行視頻采集，分析數(shù)字視頻處理原理，優(yōu)選摳像算法，編程輸出數(shù)字視頻信號；二是視頻傳輸接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試：將虛擬演播室視頻信號與本地接收解調(diào)的視頻信號作為節(jié)目視頻源，經(jīng)調(diào)制輸出射頻信號。設(shè)計(jì)射頻傳輸、分配網(wǎng)絡(luò)，完成安裝調(diào)試和測量。

根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)及內(nèi)容，采用項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)模式開展教學(xué)。學(xué)生以小組為單位分工協(xié)作，通過查閱資料完成系統(tǒng)方案論證分析和設(shè)計(jì)，要求掌握正確使用計(jì)算機(jī)工具開展電子系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的方法，以及應(yīng)用電子設(shè)備開展系統(tǒng)測量的方法。通過完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐過程使學(xué)生理解專業(yè)知識、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用之間的關(guān)系，提高學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

課程教學(xué)過程分為四個(gè)階段。團(tuán)隊(duì)組建與資料查閱階段：給定電子系統(tǒng)工程實(shí)踐項(xiàng)目任務(wù)書，明確系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)指標(biāo)，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書進(jìn)行組隊(duì)和任務(wù)分配，進(jìn)行相關(guān)資料查閱、學(xué)習(xí)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)踐階段Ⅰ-數(shù)字視頻處理階段：學(xué)習(xí)虛擬演播室工作原理，分析藍(lán)屏圖像摳像算法，編程實(shí)現(xiàn)圖像摳像與合成。實(shí)踐階段Ⅱ-射頻傳輸分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試階段：在實(shí)踐階段Ⅰ的基礎(chǔ)上，通過衛(wèi)星接收解調(diào)獲取視頻信號，設(shè)計(jì)射頻傳輸系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室安裝視頻傳輸分配系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試、排除故障，使之達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。驗(yàn)收答辯階段。撰寫技術(shù)總結(jié)報(bào)告，進(jìn)行課題答辯。

（二）教學(xué)思考

工程實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)，相關(guān)課程沒有固定內(nèi)容和教學(xué)模式，以開放式教學(xué)平臺為基礎(chǔ)開展電子系統(tǒng)工程實(shí)踐教學(xué)是工程實(shí)踐教學(xué)的一種改革與探索，本課程教學(xué)已有近5年時(shí)間，總結(jié)如下：

1.工程實(shí)踐課程應(yīng)以工程技術(shù)為主線、以解決復(fù)雜工程問題為目的組織教學(xué)內(nèi)容，綜合多科目知識，貼近實(shí)際應(yīng)用，解決實(shí)際問題，把構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試、測量等融為一體，凸顯“工程實(shí)踐”特色。

2.教學(xué)平臺內(nèi)容與方案是提高工程實(shí)踐教學(xué)效果的保障。虛擬演播室包含了最新的數(shù)字前沿技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域明確，學(xué)生能夠接觸到真實(shí)的應(yīng)用場景，這種“身臨其境”的感受能夠快速拉近理論與實(shí)踐的距離，有利于消除學(xué)生學(xué)習(xí)中的迷茫。近5年教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生綜合評測優(yōu)良率達(dá)80%，學(xué)習(xí)效果明顯提升，綜合實(shí)踐能力顯著提高。

3.嵌入探索性內(nèi)容是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵。本課程虛擬演播室配置了完整的數(shù)字視頻攝取、處理、合成、輸出的軟硬件，嵌入了圖像摳像算法的研究和編程內(nèi)容，要求學(xué)生查閱資料設(shè)計(jì)摳像算法并編程驗(yàn)證，其探索空間大，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、挖掘科研潛力，也有利于拔尖學(xué)生的培養(yǎng)。

4.教學(xué)過程控制是課程評測的關(guān)鍵。工程實(shí)踐課程以小組為單位開展教學(xué)，學(xué)生按任務(wù)分工開展工作，需要確保每名學(xué)生既對項(xiàng)目整體方案充分理解掌握，又要完成承擔(dān)的設(shè)計(jì)調(diào)試任務(wù)，對實(shí)踐的各個(gè)環(huán)節(jié)都有成績考核和評定標(biāo)準(zhǔn)，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，確保每名學(xué)生的實(shí)踐能力和技術(shù)水平得到提高。

基于電子信息工程專業(yè)教學(xué)目標(biāo)和專業(yè)特點(diǎn)，課題組分析了開放式工程實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)要求，制定了基于虛擬演播室的電子系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)平臺設(shè)計(jì)方案，并開設(shè)了電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程。電子系統(tǒng)工程實(shí)踐課程涵蓋了電子信息工程專業(yè)的主干課程，結(jié)合了軟硬件等多科目知識，強(qiáng)化了對專業(yè)知識的綜合應(yīng)用，體現(xiàn)了解決復(fù)雜工程問題的特色，并嵌入了探究性內(nèi)容和電子信息前沿技術(shù)成果，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力起到了重要作用。

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責(zé)編：應(yīng) 圖