專業(yè)實踐教學(xué)與學(xué)科競賽融合的探索與實踐

劉殿通，郭衛(wèi)平

（煙臺大學(xué) 計算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東煙臺 264005）

黨的二十大報告提出：以中國式現(xiàn)代化全面推進(jìn)中華民族偉大復(fù)興，推進(jìn)新型工業(yè)化，加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略[1]。《中國制造2025》的實施和新工科建設(shè)的推廣[2-3]，為應(yīng)用型本科專業(yè)指明了培養(yǎng)方向。煙臺大學(xué)自動化專業(yè)在加強(qiáng)理論教學(xué)的同時，加強(qiáng)工程實踐教育，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和能力，培養(yǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)的高素質(zhì)創(chuàng)新應(yīng)用型自動化人才[4]。

實踐教學(xué)體系是培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的根本保障，更是地方應(yīng)用型本科院校專業(yè)建設(shè)與發(fā)展的重要內(nèi)容[5]。為了達(dá)到“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)應(yīng)用”的培養(yǎng)要求和實現(xiàn)“培養(yǎng)基礎(chǔ)理論扎實、專業(yè)知識系統(tǒng)、實踐能力與創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的復(fù)合應(yīng)用型人才”的目標(biāo)，煙臺大學(xué)自動化專業(yè)深入研究提高專業(yè)實踐教學(xué)質(zhì)量的途徑，充實專業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學(xué)內(nèi)容[6]。學(xué)科競賽是衡量專業(yè)實踐教學(xué)水平的標(biāo)尺，可以發(fā)現(xiàn)實踐教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，將專業(yè)實踐教學(xué)與學(xué)科競賽有機(jī)融合，能夠促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的培養(yǎng)。

1 實踐教學(xué)體系存在的問題和賽教融合的意義

煙臺大學(xué)自動化專業(yè)經(jīng)過20 余年的發(fā)展，形成了包含“課程實驗、課程設(shè)計、實訓(xùn)實習(xí)、專業(yè)綜合設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計”等在內(nèi)的完整的實踐教學(xué)體系，但在實際執(zhí)行過程中，仍存一些問題。硬環(huán)境方面：實踐教學(xué)內(nèi)容相對陳舊，教學(xué)資源匱乏并且缺乏層次性，校外產(chǎn)學(xué)研實踐基地難以落地[7-8]；軟環(huán)境方面：學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識相對欠缺、專業(yè)學(xué)習(xí)興趣和動力匱乏、專業(yè)實踐能力難以滿足社會需求，教師實踐鍛煉機(jī)會不足。

全國大學(xué)生學(xué)科競賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、自學(xué)能力和合作精神[9-10]，是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要載體[11]。學(xué)科競賽內(nèi)容提煉于工程實踐中的實際問題，將競賽內(nèi)容融入實踐教學(xué)體系，不僅能夠解決實踐教學(xué)中存在的問題，還可以使全體師生通過實踐教學(xué)體系的訓(xùn)練，反哺學(xué)科競賽，提升專業(yè)學(xué)科競賽的專業(yè)性。因而，煙臺大學(xué)自動化專業(yè)促使實踐教學(xué)和學(xué)科競賽深度融合[12]，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程實踐問題的能力，適應(yīng)新工科發(fā)展與工程教育認(rèn)證，提升專業(yè)培養(yǎng)水平。

2 以學(xué)科競賽為載體的實踐教學(xué)內(nèi)容建設(shè)

煙臺大學(xué)自動化專業(yè)長期參加的重要學(xué)科競賽包括：電子設(shè)計大賽、中國智能制造挑戰(zhàn)賽、智能車競賽、機(jī)器人大賽等。這些競賽即為賽教融合的主要載體，各學(xué)科競賽指導(dǎo)團(tuán)隊是競賽內(nèi)容融入實踐教學(xué)體系的具體執(zhí)行者，學(xué)科競賽指導(dǎo)教師和參賽隊員是實踐教學(xué)體系支撐學(xué)科競賽的具體參與者，實踐教學(xué)體系和各學(xué)科競賽之間的相互支撐關(guān)系如圖1 所示。

圖1 專業(yè)實踐教學(xué)體系與學(xué)科競賽的相互支撐關(guān)系

以學(xué)科競賽為載體的實踐教學(xué)內(nèi)容建設(shè)方案為：

（1）各學(xué)科競賽團(tuán)隊研究分析往年各學(xué)科競賽內(nèi)容，整理參賽作品，分解學(xué)科競賽相關(guān)的軟硬件，提煉出實際功能模塊，進(jìn)行理論知識點(diǎn)歸類并進(jìn)行分級項目化，將其融入實踐教學(xué)體系。

（2）從專業(yè)整體的角度重新審視當(dāng)前實踐教學(xué)體系中各環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，刪除相對陳舊、功能單一、重復(fù)的教學(xué)內(nèi)容，以及任課教師認(rèn)為難以落地的實踐內(nèi)容，按照專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，將實踐環(huán)節(jié)知識點(diǎn)模塊化，優(yōu)化各模塊學(xué)時和內(nèi)容，增加綜合性知識，使實踐教學(xué)體系與理論教學(xué)體系相互支撐。

（3）對實踐教學(xué)體系與學(xué)科競賽提煉出的功能模塊進(jìn)行內(nèi)容對接，從而將學(xué)科競賽相關(guān)內(nèi)容融入實踐教學(xué)體系。

（4）實踐教學(xué)以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)，按照工程教育認(rèn)證中達(dá)成度的方式進(jìn)行評價。教師根據(jù)實踐教學(xué)和學(xué)科競賽過程中發(fā)現(xiàn)的問題，找到實踐教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)，每年對實踐教學(xué)內(nèi)容和具體執(zhí)行過程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

圖2 是學(xué)科競賽融入實踐教學(xué)體系的部分概覽，上兩層是提煉出的實踐知識模塊，下層是專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。

圖2 學(xué)科競賽融入實踐教學(xué)體系概覽

3 以賽教融合為契機(jī)，提高學(xué)科競賽水平

實踐教學(xué)內(nèi)容與時俱進(jìn)，不僅可以提升學(xué)生參賽的積極性，增強(qiáng)學(xué)生完賽的信心，還能提高競賽的專業(yè)性。

3.1 以學(xué)生為中心、以教師為主導(dǎo)的競賽培訓(xùn)和準(zhǔn)備機(jī)制

各學(xué)科競賽指導(dǎo)團(tuán)隊在開展競賽培訓(xùn)時，由指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)內(nèi)容引導(dǎo)，參賽學(xué)生進(jìn)行具體實現(xiàn)。針對學(xué)科競賽提煉出的功能模塊，教師指導(dǎo)學(xué)生研究功能實現(xiàn)方案，設(shè)計性能提升方案并具體實現(xiàn)，各模塊預(yù)留統(tǒng)一的對外接口，最終實現(xiàn)在競賽時系統(tǒng)功能的自主去留。通常做法是：教師提出模塊性能指標(biāo)，由學(xué)生具體組織實施和測試。以多數(shù)學(xué)科競賽均需要的電源模塊為例，教師提出輸出電壓和功率等要求，形成如圖3所示的閉環(huán)思想，學(xué)生自行設(shè)計并進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)，自行選擇合適的元器件進(jìn)行軟件仿真，繪制PCB 板，自行焊接完成，調(diào)試測試、模塊統(tǒng)一編號并書寫說明書，然后歸庫管理，以供競賽時使用。

圖3 電源設(shè)計閉環(huán)思想

3.2 競賽功能模塊測試與性能提升

競賽中，各功能模塊功能的測試沒有現(xiàn)成的工具可以使用，學(xué)科指導(dǎo)團(tuán)隊指導(dǎo)學(xué)生在非競賽期自行設(shè)計測試工具，例如：在智能車或機(jī)器人競賽中，舵機(jī)轉(zhuǎn)向時延（單片機(jī)輸出PWM 和舵機(jī)轉(zhuǎn)動到位之間的時間差）和電機(jī)功率輸出時延（單片機(jī)輸出PWM 和電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定速度之間的時間差）是提高速度和轉(zhuǎn)向控制穩(wěn)定性的重要參數(shù)，但沒有現(xiàn)成的測試工具。指導(dǎo)教師團(tuán)隊在非競賽期指導(dǎo)學(xué)生制作相關(guān)測試工具，提出如下要求：設(shè)計單片機(jī)測試系統(tǒng)，選擇合適的傳感器，測試出單片機(jī)PWM 輸出、電機(jī)電樞電壓與輸出扭矩、輸出加速度的關(guān)系曲線，尋求最佳速度響應(yīng)曲線相關(guān)的參數(shù)，找出維持不同速度單片機(jī)的PWM 輸出值，學(xué)生團(tuán)隊可以根據(jù)性能要求，利用業(yè)余時間完成此測試工具的制作。在競賽期間，學(xué)生使用此工具得到的數(shù)據(jù)可為控制器參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)。

通過以上訓(xùn)練，學(xué)生團(tuán)隊掌握技術(shù)實現(xiàn)和創(chuàng)新的方法，參加競賽時，能夠從現(xiàn)有的功能模塊中選擇適合的模塊，并通過軟件把各個功能模塊有機(jī)組合起來，實現(xiàn)競賽要求的功能，在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化各個功能模塊。

4 賽教融合的保障機(jī)制

4.1 建立長效保障機(jī)制

賽教融合是大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力提升的重要機(jī)制之一[13-14]，需要學(xué)校、學(xué)院給予經(jīng)費(fèi)、政策和制度方面的保障和激勵，促使教師和學(xué)生積極參與。學(xué)生方面：教務(wù)處制訂相關(guān)學(xué)分承認(rèn)制度和競賽獲獎獎勵政策，提升學(xué)生參與學(xué)科競賽積極性和主動性；教師方面：學(xué)校認(rèn)可教師在實踐教學(xué)改革方面的工作，將競賽指導(dǎo)成績列為評職聘崗的依據(jù)，激發(fā)教師參與競賽指導(dǎo)的熱情。

4.2 搭建良好的實踐和競賽平臺

學(xué)校定期對實踐和競賽平臺劃撥一定的建設(shè)經(jīng)費(fèi)，制定與賽教融合相適應(yīng)的實驗室管理和開放制度，建立完整的競賽組織和管理辦法；鼓勵指導(dǎo)教師團(tuán)隊將往年參賽和培訓(xùn)期間的作品整理歸類，作為低年級學(xué)生課內(nèi)實驗或課程設(shè)計的功能單元；鼓勵教師針對專業(yè)實踐教學(xué)內(nèi)容，利用競賽相關(guān)模塊自制實驗設(shè)備，并編寫實驗指導(dǎo)書。

4.3 競賽指導(dǎo)團(tuán)隊定期吸納新生力量

專業(yè)引進(jìn)的博士學(xué)位青年教師可以根據(jù)專長加入學(xué)科競賽團(tuán)隊，學(xué)科競賽指導(dǎo)團(tuán)隊定期進(jìn)行研討，既能提高教師參與學(xué)科競賽的積極性，又能促使青年教師盡快了解專業(yè)并提高教學(xué)能力，尤其是實踐教學(xué)能力。

5 賽教融合執(zhí)行效果和下一步工作

在實踐教學(xué)方面，煙臺大學(xué)將由自動化專業(yè)學(xué)生設(shè)計制作并在某學(xué)科競賽中獲獎的項目作為實驗中的模塊，能夠調(diào)動學(xué)生開展實踐的積極性和主動性。學(xué)科競賽方面，學(xué)生提高了參加學(xué)科競賽的積極性，還提高了對某些功能模塊進(jìn)行深入分析和研究以提高其性能的興趣。近三年，煙臺大學(xué)自動化專業(yè)在學(xué)科競賽中共獲得國家級獎項34 項，其中特等獎3 項、一等獎4 項，獲省級獎項150 余項，在校生參賽率達(dá)85%。煙臺大學(xué)自動化專業(yè)將每年的學(xué)科競賽賽題融入實踐教學(xué)內(nèi)容，使之成為應(yīng)用型工科專業(yè)符合工程實際的培養(yǎng)途徑。但賽教融合教學(xué)仍存在一些問題，如：學(xué)生參加各學(xué)科競賽的人數(shù)不夠均衡、資源配置的合理性有待提升等，煙臺大學(xué)自動化專業(yè)還需進(jìn)一步調(diào)整學(xué)生參賽方案，加強(qiáng)學(xué)生工程素養(yǎng)教育，優(yōu)化實驗室與實踐教師的合理配置。