新工科背景下新形態競賽教材建設

張家亮 郭志強 王永圣

(武漢理工大學 信息工程學院,武漢 430070)

新工科是為培養應對新一輪科技革命的工程人才所做出的大規模高等教育教學變革[1],人才培養模式的改革,涉及內容和形式問題。教學方法的改革,歸根到底要落實到教學資源和教材的建設上來[2]。教材是傳遞專業課程核心理念的媒介以及體現專業課程教學內容和方法的主要載體。新工科教育對于學習資源的匹配,促使紙質教材和數字課程從彼此割裂走向全面融合,線下線上相結合的教學資源服務體系、豐富多樣的出版手段將成為教育出版的新形態[2]。學科競賽作為創新創業教育體系的重要組成部分,其目的是培養大學生實踐能力和創新能力[3],學科競賽的人才培養模式也必須緊跟時代發展,高素質應用型人才培養的目標和教育信息化建設的推進,對專業教材建設提出了更高的要求。因此,推動學科競賽教學數字化轉型,建設高水平新形態教材,探索新的人才培養模式和途徑已勢在必行。如何通過教材提升參賽學生的學習興趣,強化實踐教學成果,為學生自主學習提供助力值得深入研究。

1 電子信息類學科競賽教材現狀

近年來,以學生創新和實踐能力以及競賽技能培養為核心的培訓指導資料和教材一直是各高校的研究重點之一,例如文獻[4]提出了互聯網+教材+競賽的教學模式,通過教材建設與互聯網資源相融合的方式進行課程體系建設[4];但更多的研究集中在面向創新人才培養的實驗室管理、開放模式、平臺建設、科研與可承接性、課程內容改革、創新課程體系建設等方面,例如文獻[5]提出建設信息類學科競賽綜合訓練平臺[5],文獻[6]則對信息類學科競賽的管理模式提出了改革建議[6]。由此可見,面向電子信息類學科競賽的數字化、立體化新形態教材建設的研究尚處于起步階段。經調研,當前在信息類學科競賽培訓中常用的教材主要包含以下三種類型:①優秀競賽論文集和競賽案例分析;②競賽技能培訓相關的基礎教材;③競賽概述和備賽指南。這類教材的優點是內容客觀、適配性較強,但是也存在知識點籠統、不能按等級選材教學的缺點。以此類教材為核心的課堂教學可能會導致學生成為被動接受知識的容器,顯然已不能滿足知識快速更新迭代、體系交叉融合的新工科時代對學科競賽教材的要求。

現代教材的功能正由“為教服務”向“為學服務”轉化。許多新編的教材不僅將教材當作學習資源,更強調結合教學內容和學習過程,使課本同時成為學習的指南[2],數字化、多形態化是未來高校教材發展的方向。電子信息類學科競賽旨在培養學生的創新實踐能力,競賽類型豐富、參賽學生的專業和年級多樣化也增大了教學難度,因此,對面向電子信息類學科競賽的新形態教材的研究具有重要的意義。

2 新形態教材設計

根據分析,電子信息類學科競賽對學生培養需注重三點:①實踐能力:不僅需要掌握扎實的理論基礎,更需要具備較好的動手操作能力和豐富的實踐經驗;②綜合應用能力:具備應用所學知識和實踐技能,分析并解決實際問題的能力;③創新能力:具備自主設計并實現系統方案的能力。本文以此三點需求為基礎,針對當前競賽教材的短板,基于新工科建設下教育教學全面變革的形勢要求,合理設計項目、任務、案例等多樣化內容[7],提供包括文字、短視頻、長視頻等多種形式,融入實踐案例、訓練套件、指導書、應用代碼庫等多類工具,按照內在邏輯編排理論知識與實踐教學資源,構建“理論基礎知識強化、綜合應用能力培養、創新實踐能力提升”的新形態教材體系,為學科競賽教學的數字化轉型提供教材支持。新形態電子信息類學科競賽教材體系如圖1所示。

圖1 新形態電子信息類學科競賽教材體系

2.1 基礎理論強化

理論是實踐的基礎,熟練掌握基礎才能在實踐過程中游刃有余,得心應手。電子信息類學科競賽的學生來自相關學科不同專業和年級,具備一定的專業課理論基礎,但水平參差不齊,因此,完善并強化理論基礎是學科競賽培訓的首要任務。強化理論基礎一方面通過紙質教材+短視頻等手段解析創新實踐中涉及的理論知識和實踐經驗,另一方面通過題庫和驗證實驗等手段,使學生通過實踐進一步加深對基礎理論的理解。

1)知識點短視頻

圍繞競賽中所涉及的基礎理論知識點和實踐經驗,制作成3～5 min的Flash動畫或短視頻,并按學科內容、理論深度等維度建立視頻集。視頻內容以競賽實踐應用所需的知識點為主,將不易通過文字、圖表等傳統方式表達的內容,通過通俗易懂、生動有趣的形式進行講述。這一類視頻始終站在初學者視角進行理論講述,控制講解深度、視頻時長,使學生可以充分利用碎片化時間學習,提升自主學習的興趣和效率。短視頻教材的加入,不僅意味著教材的數字化,同時也為線上教學提供了便利。

2)基礎理論在線題庫

通過對競賽知識體系的梳理,設計一套以基礎為主,包含理論知識、程序設計和經驗技巧等類別的在線題庫供學生訓練用。其中理論知識包括電路系統設計中涉及的器件指標、電路結構原理、參數計算等內容。例如運算放大器的輸入失調電壓將會對運放的工作產生什么影響,在設計時如何計算失調電壓對電路造成的誤差,如何合理選擇滿足使用條件的運算放大器等;程序設計包括常見數據結構使用、算法實現、小型任務函數編寫等內容,例如常見的數值濾波算法、數據插入算法、器件驅動函數等;程序設計包括常見數據結構使用、算法實現、小型任務函數編寫等內容;經驗技巧類訓練題包括器件選擇邏輯、器件和電路容差、電路設計和布局布線原則等知識點。題庫會根據競賽動態及學生訓練情況反饋等信息不斷更新和優化。

3)實驗驗證電路板

基于信息類學科競賽教學的實踐性背景,實踐性學習材料的匹配也是需要考慮的重點之一。設計一批基礎實驗電路板,支持學生通過對電路板參數調整和實驗測試,對一些不直觀、難理解的知識內容進行實驗驗證。針對實驗板設計和編寫一套實驗教程,將實驗方案、測試流程、實驗結果和實驗結論等內容進行詳細闡述。實驗板要求具有一定的開放性,允許學生進行部分參數的設計,通過參數修改和調整,可以產生不同結果對比,用直觀的實驗現象加深對理論知識的理解。同時,驗證實驗是學生從理論學習到創新實踐的一個過渡,通過大量的驗證實驗,一方面提高了學生對理論知識的掌握程度,另一方面也給與學生豐富的實踐鍛煉,為下一步進行獨立設計實踐打下良好的基礎。

短視頻、在線題庫以及驗證性實驗套件三種形式的教材相結合,可以很好地滿足學生強化和鞏固基礎知識的需求。

2.2 綜合應用能力培養

培養學生的綜合應用能力是提升學生專業素質的重點之一,也是學科競賽的主要目標。教師在學科競賽的教學中,以探索性實驗項目開展教學,對經典系統模塊進行原理分析講解和實踐應用指導。學生可以通過分析和測試實驗套件的性能指標,使用實驗套件設計和搭建電路系統,完成指定的訓練項目,提高實踐能力和綜合應用能力。

1) 實驗項目解析

設計一系列探索性實驗項目,通過時長15 min左右的視頻對經典模塊或子系統的功能點、電路、實驗原理等進行解說,視頻內容以分享設計經驗及工程經驗為主,用生動有趣的視頻解說讓學生學習經典模塊的方案設計思路和經驗,具備初步的設計思維和實踐能力。15 min視頻的特點是內容簡短易懂、生動有趣,可以極大程度地調動學生的學習興趣,也不會因為內容冗長而加深學習難度。

2) 探索性試驗套件

通過將一系列實驗培訓項目進行合理分解,提煉出一批基礎性電路模塊,以此為基礎,設計以訓練板、例程、電路圖、指導文檔等為形式,以賽題部分方案中的經典模塊為核心內容的實驗套件。學生可以基于此套件進行模塊的功能驗證試驗,并通過視頻解說和擴展板等形式,引導并鼓勵學生進行多模塊綜合應用。探索性實驗是培養學生綜合應用能力最有效的方式之一,而實驗套件是不可或缺的輔助工具。

本階段的教材主要以指導性為主,視頻解析與實驗套件配合使用,可以讓學生通過學習具備初步的綜合應用能力。

2.3 創新實踐能力提升

傳統的課堂教學和教材普遍存在重理論、輕實踐的問題,而創新能力是在不斷地解決實際問題的過程中鍛煉、培養出來的[8],所以在學科競賽教學過程中,要重視實踐教學,通過擴展訓練套件和輔助資源為學生創造實踐綜合性、設計性實驗的條件,從而激發學生的興趣和探索欲,達到提升創新實踐能力的目的。

1) 拓展實訓平臺

拓展實訓平臺由設計案例分析、設計報告、單元電路模塊、驅動程序和實訓項目集這幾部分組成。通過長視頻+設計報告的形式進行經典案例解析,并在講解過程中通過提問引導學生對設計原理和設計思路進行思考,引導學生參與到方案的設計中。提供豐富的單元電路模塊和驅動程序有三個目的:①為學生提供學習和實踐資源,學生在進行子系統設計時,具備完善的輔助資源,可以專注于功能實現和參數指標優化,例如在進行ADC采集單元硬件設計時,學生可使用驅動程序庫對單元電路進行控制和數據采集,只需專心設計電路單元,優化ADC的采集指標即可;②作為學生拓展訓練的學習模板,通過分析經典單元電路模塊和驅動程序的設計原理,測試其性能指標引導學生設計實現性能指標接近,或者更好的子系統模塊,促進學生對系統結構、工作原理和實踐方案的深刻理解;③學生在進行綜合實訓過程中,通過設計實現系統中核心的模塊,再配合使用部分已有的電路模塊完成完整的系統設計,集中精力解決項目中的關鍵問題,提高學習和訓練的效率。通過收集整理歷年經典競賽項目,以及當前技術發展熱點問題,提煉出設計實踐課題,形成實訓項目集,學生可以根據課題類型選擇合適的項目進行綜合訓練,培養系統設計、實現和調試的能力。

2) 設計資源庫

將競賽培訓中積累大量的設計資源,通過收集和整理歸類,構建設計參考資源庫,包含常用的器件庫、設計說明文檔、電路設計文件、實驗測試程序等。引導學生充分利用設計資源庫進行拓展訓練或綜合項目設計實現,可有效減少重復設計工作,提高訓練效率。設計資源庫的建設還支持和鼓勵參訓學生將自己設計的優質資源加入進去,一方面豐富設計資源庫的內容,另一方面鍛煉學生的成就感和集體榮譽感,提升學生自主設計的能力和規范性,促進學生創新能力培養。

3 新形態教材建設展望

在新工科建設的形勢下,電子信息類學科競賽作為實踐類人才培養的重要學科之一,其教材的改革已勢在必行。本文研究的教材旨在改變當前面向電子信息類學科競賽的數字化、立體化新形態教材短缺的現狀,同時也期望促進學科競賽培訓資料的系統化和規范化。本教材建設完成并投入使用后,預期可取得如下成效:①提高學生學習效率和效果:短視頻、Flash動畫等教程支持學生利用碎片化時間進行學習,豐富的線上資源支持學生多次學習加深理解;②提升學生創新實踐能力:本教材以實踐教學為核心,圍繞實踐教學設計的實驗套件、案例分析、資源庫等都為創新型人才的培養創造了條件;③提升學生自主學習能力:在線題庫、資源庫、實訓項目等教材內容都是以引導為主,為學生提供自主學習的資源、創造條件,旨在培養學生學以致用等能力;④未來可將線上資源整合成數字化教學平臺,促進信息類學科競賽教學的數字化轉型,培養出更符合新工科建設的人才培養目標設定的應用型人才。

4 結語

在新工科建設的要求下,針對電子信息類學科競賽教學新形態教材缺乏的現狀,以推動教育教學數字轉型,建設高水平新型教材為目標,結合現有的學科競賽教學體系,建設包含文檔、短視頻、長視頻、實驗平臺、實訓套件、實踐案例、設計資源庫等形式和內容的新形態教材,可為線上教學和學生自學提供豐富的學習資源和實踐指引,期望實現促進學科競賽教學,提升高素質應用型人才培養的目標。