新工科理念驅(qū)動下電子系統(tǒng)類實驗課程群改革建設(shè)

王志軍， 宋令陽， 段曉輝， 周小計， 楊延軍， 毛新宇

（北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871）

0 引 言

新工科建設(shè)是為了主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，以現(xiàn)在及未來的產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，培養(yǎng)符合時代發(fā)展和產(chǎn)業(yè)、行業(yè)要求的創(chuàng)新人才［1-3］。按高校類別的不同［4］，綜合性大學(xué)的新工科建設(shè)在于培養(yǎng)面向未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，發(fā)現(xiàn)和引領(lǐng)未來方向的人才［5］；工科優(yōu)勢高校的新工科建設(shè)在于培養(yǎng)面向現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜需求，發(fā)明創(chuàng)造型人才［6-7］；地方高校的新工科建設(shè)在于培養(yǎng)符合現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)、行業(yè)需求的應(yīng)用型人才［8］。

新工科建設(shè)有兩方面的含義，“新的工科專業(yè)”和“工科的新需求”。“新的工科專業(yè)”指新的工科專業(yè)建設(shè)，包括理工融合新專業(yè)，如“柔性電子學(xué)”“量子電子學(xué)”等［9］；也包括工工融合的新專業(yè)，如“人工智能”“集成電路”等。“工科的新需求”指傳統(tǒng)老專業(yè)按照新工科建設(shè)理念進(jìn)行的升級改造，這更是一個量大面廣的方面。

高校的新工科建設(shè)是一個系統(tǒng)工程，涵蓋了隊伍建設(shè)、人才培養(yǎng)、學(xué)科科研、產(chǎn)教融合、科教融合和國際合作等諸多方面［2］。不論是哪個方面的改革建設(shè)，多學(xué)科/專業(yè)的交叉和產(chǎn)教融合都是非常重要的兩個方面。實驗類課程是新工科建設(shè)的重要支撐，電子信息類專業(yè)中實驗類課程不僅具有理論聯(lián)系實際的作用，更具有將理論知識有機化、系統(tǒng)化，提升理論認(rèn)識的層次高度等重要作用［10-11］，如何突破傳統(tǒng)工科的教育模式、充分發(fā)揮實驗類課程在新工科建設(shè)中的重要作用，是文章關(guān)注的核心內(nèi)容。

本文探討對電子信息類專業(yè)中的電子系統(tǒng)類實驗課程群進(jìn)行新工科改革建設(shè)的實踐，實踐中突出理工結(jié)合特色，體現(xiàn)了多學(xué)科/專業(yè)交叉融合，進(jìn)行了實質(zhì)性的產(chǎn)教融合。

1 建設(shè)具有新工科內(nèi)涵的實驗課程群

通過對華為、平頭哥、XILINX、Arm 等國內(nèi)外電子信息領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)的廣泛調(diào)研；通過與校友企業(yè)家的深度交流；通過對國內(nèi)外十幾所高校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)體系實踐教學(xué)的對比研究，理解了相關(guān)產(chǎn)業(yè)、行業(yè)對人才的新需求，縷清了北大電子信息類專業(yè)新工科改革建設(shè)的思路。我校作為學(xué)科齊全的綜合性大學(xué)，文理見長，其電子信息類專業(yè)有著強理科背景。而電子信息類專業(yè)本身又是典型的工學(xué)專業(yè)，與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用聯(lián)系密切。因此，北大的電子信息類專業(yè)新工科改革建設(shè)需突出理工結(jié)合的特色，培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、視野開闊、理工結(jié)合的領(lǐng)軍人才。

按照以上改革建設(shè)思路，考慮到實踐訓(xùn)練在電子信息新工科人才培養(yǎng)過程中的重要性，體現(xiàn)對學(xué)生扎實基礎(chǔ)和系統(tǒng)思維的培養(yǎng)，本項改革依據(jù)“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重實踐”的原則升級改造了包含5 門課程的電子系統(tǒng)類實驗課程群，如表1 所示。課程群包括從基礎(chǔ)到前沿，從興趣到專業(yè)的五門課程，覆蓋從1 ～4 年級整個培養(yǎng)環(huán)節(jié)。

表1 電子系統(tǒng)類實驗課程群建設(shè)改革方案

2 改革課程體系設(shè)置

新工科建設(shè)的落地實施體現(xiàn)在一門門的課程上，課程建設(shè)的重點在于課程內(nèi)容的重塑和教學(xué)方法的創(chuàng)新［12-13］。實驗課程群中的5 門課程內(nèi)容均進(jìn)行了新工科理念的重塑，體現(xiàn)了理工結(jié)合、多學(xué)科/專業(yè)交叉和系統(tǒng)級大工程觀。

2.1 建立體現(xiàn)理工結(jié)合的課程

體現(xiàn)“理”強調(diào)保證基礎(chǔ)的北大特色，基礎(chǔ)實驗內(nèi)容有深度、有拓展，教學(xué)方法采取小班（≤15 人）研討，按照綜合性大學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的研究探究能力。

體現(xiàn)“工”構(gòu)建理論上可行，但工程中出問題的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程概念；課程內(nèi)容從1 ～4 年級連貫涉及電子系統(tǒng)概念，且軟硬協(xié)同的電子系統(tǒng)取自真實應(yīng)用需求，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)大工程思維；教學(xué)方法采取學(xué)生團(tuán)隊合作、實驗室開放運行、企業(yè)家第二導(dǎo)師等，全面培養(yǎng)學(xué)生的知識融合、團(tuán)隊協(xié)作、自主學(xué)習(xí)等綜合能力，從而具有綜合性大學(xué)領(lǐng)軍人才的重要素質(zhì)。

2.2 實現(xiàn)多學(xué)科/專業(yè)交叉

從實際應(yīng)用系統(tǒng)角度構(gòu)建課程內(nèi)容，一定是多學(xué)科/專業(yè)交叉的［14］。一個典型的電子系統(tǒng)一定是軟硬協(xié)同的系統(tǒng)，涵蓋電子、計算機、自動化、通信等諸多學(xué)科。如“智能電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐”課程要求學(xué)生不僅要會制作產(chǎn)品原型，還會涵蓋機械、美學(xué)等更多學(xué)科。課程群改革建設(shè)中，來自學(xué)院多學(xué)科/專業(yè)的教師組成教學(xué)隊伍，不同學(xué)科/專業(yè)學(xué)生組成團(tuán)隊，使得師生思維交叉碰撞、視野開拓。根據(jù)學(xué)科/專業(yè)交叉的思想，梳理清晰教學(xué)目標(biāo)，改革重塑課程的內(nèi)容及模式，見表2。課程建設(shè)中始終貫徹大系統(tǒng)的觀念，將相關(guān)學(xué)科專業(yè)內(nèi)容、“新工科”思想所需的各項能力有機地融入課程，創(chuàng)新教學(xué)模式，并將之與傳統(tǒng)教學(xué)模式結(jié)合，靈活地運用到各門課程中。

表2 各課程的教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容與模式

3 構(gòu)建并實踐實質(zhì)性產(chǎn)教融合新模式

產(chǎn)教融合是新工科建設(shè)極為重要的環(huán)節(jié)［16］。由于綜合性大學(xué)本科畢業(yè)生深造率高，直接就業(yè)壓力小，因此，產(chǎn)教融合的重點并不在于組織大批學(xué)生去企業(yè)實習(xí)，而在于將業(yè)界新技術(shù)引入到課堂教學(xué)中來；將企業(yè)家、工程師引入到課堂教學(xué)中來，讓學(xué)生感受企業(yè)文化和工程思維；將當(dāng)前以及將來企業(yè)面臨的技術(shù)難題引入到課堂教學(xué)中來，啟發(fā)學(xué)生去開拓、創(chuàng)新。只有做到有內(nèi)涵的實質(zhì)性的產(chǎn)教融合，才能有效地將產(chǎn)業(yè)需求和高校人才培養(yǎng)進(jìn)行有機銜接。

3.1 廣泛建立聯(lián)合實驗室

通過與華為公司建立“智能基座”聯(lián)合實驗室、與鼎陽科技公司建立“智能化測試測量”聯(lián)合實驗室、與Arm、ST、NORDIC公司聯(lián)合建立“智能硬件創(chuàng)新”聯(lián)合實驗室、與XILINX公司建立“智能互聯(lián)創(chuàng)新”聯(lián)合實驗室、與Imagination公司建立“邊緣人工智能”聯(lián)合實驗室、與Altium 公司建立“電子設(shè)計技術(shù)”聯(lián)合實驗室，將業(yè)界新技術(shù)、新產(chǎn)品引入課堂，為學(xué)生提供各種系統(tǒng)平臺選擇。

3.2 積極探索實質(zhì)性產(chǎn)教融合新模式

“智能電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐”課程聘請企業(yè)工程師上講臺，從工程師的角度講解企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)思路和過程，讓學(xué)生感受系統(tǒng)大工程思維。

“電子信息前沿與頂點實踐”課程聯(lián)合華為、愛奇藝、字節(jié)跳動、北京明朝萬達(dá)、北京優(yōu)炫軟件和DOCOMO北京研究所，由企業(yè)專家作為主講，介紹企業(yè)運作、管理、產(chǎn)品研發(fā)推廣等等，讓學(xué)生體驗產(chǎn)業(yè)需求和企業(yè)文化。每位企業(yè)專家都會帶來企業(yè)正在攻關(guān)研制的真實技術(shù)難題，供學(xué)生作為實踐項目選擇，配備校內(nèi)第一導(dǎo)師和企業(yè)專家第二導(dǎo)師，學(xué)生可以在校內(nèi)實驗室也可以到企業(yè)實驗室完成實踐項目，進(jìn)行實質(zhì)性的產(chǎn)教融合。

與Imagination公司聯(lián)合，在學(xué)堂在線上開設(shè)“移動圖形概論”MOOC 課程和北大暑期課程，將產(chǎn)教融合的成果向社會開放。

4 實驗教學(xué)效果

4.1 承擔(dān)多項教改項目

課程的改革建設(shè)承擔(dān)了多項教改項目，如表3 所示。包括1 項教育部電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會教學(xué)改革研究項目，1 項教育部第二批新工科建設(shè)與實踐項目。申請完成了9 項北京大學(xué)本科教學(xué)改革項目，其中“電子系統(tǒng)基礎(chǔ)訓(xùn)練實驗創(chuàng)新”被評為結(jié)題優(yōu)秀項目。

表3 教改項目列表

申請中央高校改善基本辦學(xué)條件專項資金實驗教學(xué)條件提升改造項目經(jīng)費100 萬元，升級改造了利于開放、研討的智能硬件創(chuàng)新實驗室，新建了工藝加工實驗室，作為新的實驗課程群配套，為學(xué)生提供了創(chuàng)新發(fā)揮的平臺。實驗環(huán)境、實驗平臺和實驗課程內(nèi)容均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

全新改革建設(shè)的5 門電子系統(tǒng)類實驗課程群受到了學(xué)生的普遍歡迎。學(xué)生選課熱情高漲，開放實驗室燈火通明。面向?qū)嶋H需求的課程內(nèi)容組織，理論聯(lián)系實踐，激發(fā)了學(xué)生興趣，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。實驗課程效果相比以往有大幅提升，課程評估結(jié)果良好。

4.2 產(chǎn)教融合成果明顯

除了與國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)企業(yè)建立聯(lián)合實驗室、與企業(yè)專家和工程師共同開課、與企業(yè)聯(lián)合開設(shè)MOOC 課程和暑期課程外，改革期間還申請完成了5 項教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，如表4 所示，所有項目均順利結(jié)題。

表4 產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目

4.3 成果經(jīng)驗在國內(nèi)高校的推廣

改革取得的成果經(jīng)驗先后10 余次在教育部高等學(xué)校電子信息類專業(yè)教指委、電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心聯(lián)席會、中國電子教育學(xué)會等單位組織的全國性教學(xué)會議上做主題報告，得到了積極而廣泛的反響。

產(chǎn)教融合成果也廣泛向國內(nèi)高校輻射，與Imagination公司聯(lián)合開設(shè)的線上“移動圖形概論”MOOC課程和北大暑期課程向社會開放；承擔(dān)教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人師資培訓(xùn)項目期間，成功主辦了“全國高校嵌入式暨智能硬件設(shè)計教師培訓(xùn)”“從端到云的可重構(gòu)計算高校師資培訓(xùn)”和“TTT（Teacher Training Teacher）精品課程”“智能電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐師資暑期培訓(xùn)”3 場師資培訓(xùn)班。來自國內(nèi)約100所高校的160 位教師來到北大電子信息科學(xué)基礎(chǔ)實驗中心進(jìn)行了3 天的學(xué)習(xí)和交流，學(xué)習(xí)改革取得的成果和經(jīng)驗，收益頗豐。

5 結(jié) 語

本文不僅研究探索了綜合性大學(xué)電子信息類傳統(tǒng)專業(yè)新工科改革建設(shè)的要點，還建設(shè)并實施了電子系統(tǒng)類實驗課程群，實踐了實質(zhì)性的產(chǎn)教融合新模式，理念先進(jìn)、措施可行，具有示范效應(yīng)。相關(guān)成果會推動了高校相關(guān)教學(xué)的改革和建設(shè)，對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)發(fā)揮重要作用。