面向應用型人才培養的電信類實踐課程教學設計

摘要：實踐教學環節在高校培養應用型人才的過程中有不可替代的作用，圍繞復雜工程問題進行教學案例設計有利于培養學生的工程能力，基于CDIO模式和項目情景模擬設計教學模式可實現綜合素質的提升，最終，將學生培養成具有工程意識、工程實踐能力和團隊協作能力的應用型人才。

關鍵詞：應用型人才培養；實踐教學；復雜工程問題；CDIO；項目情景模擬

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A

項目基金：沈陽航空航天大學教學改革項目（JG240209D1）、遼寧省教育教學改革項目（SJG2021007）、遼寧省教育廳重點公關項目（LJKZZ20220031）

目前，國內很多本科院校將自己的辦學目標定位于培養具有工程實踐能力的應用型人才。以沈陽航空航天大學（以下簡稱我校）為例，作為一所辦學特色鮮明的地方本科院校，我校提出將為航空航天領域和遼寧省地方經濟建設培養高素質的應用型人才作為辦學定位。與研究型人才相比，應用型人才的主要特征為實踐能力和專業素養的均衡發展，能夠利用所學的專業知識解決工程中遇到的各類實際問題，特別是復雜工程問題[1]。實踐類課程是四年制本科大學生重要的教學環節，以電子信息類專業為例，在專業課之后學生通過實踐課程中搭建較復雜的電子系統并完成工程項目的調試，將所學的知識應用于實踐。實踐課是提升學生工程實踐能力的必經途徑，是應用型人才培養中不可或缺的一個環節。

1 當前實踐課程設計存在的問題

1.1 教學案例與復雜工程問題特征關聯小

具有解決復雜工程問題能力是畢業要求中的核心指標點。實踐教學環節的主線任務應當是圍繞一個恰當的教學案例展開的，然而傳統的實踐教學往往是針對一門課程知識的實踐，缺乏學科之間的關聯性，系統復雜程度低。

1.2 教學模式與企業環境、社會環境關聯小

受限于教學環境，實踐課程的項目實施與企業有很大不同，一般只保留設計環節和開發環節，對前期的產品功能構思、后期的產品運作、全流程的項目管理和成本控制都鮮有涉及，這樣就造成了教學與企業和社會環境的脫節，理論和實踐結合不夠充分。

2 緊扣解決復雜工程問題進行教學案例設計，實現工程能力培養

2.1 復雜工程問題對應用型人才培養的意義

工程教育專業認證是應用型人才培養的重要指南。在工程認證教育的12項標準中，有8項與培養復雜工程問題能力有關[2]。電子信息專業學生的畢業要求中，具備解決復雜工程問題的能力是核心指標點，從支撐工程專業認證和培訓學生應用能力的角度來說，教學案例的設計必須具有復雜工程的特征。

2.2 圍繞復雜工程問題進行教學案例設計

2.2.1 案例的設計

電信類專業的學生一般要求具備電子系統的設計能力，且一般具備嵌入式系統、傳感器技術的先修知識。作為一所航空航天特色院校，衛星導航定位技術是我校的重點學科研究方向。因此本案例結合社會實際需求、學生的知識體系和專業辦學特色，設計一種基于單片機、衛星導航技術、物聯網技術的環境監測數據采集與傳輸系統作為教學案例。通過設計、調試這一復雜系統的過程，進一步加強學生對所學專業知識的理解和掌握，培養學生運用所學專業知識解決實際工程問題的能力。

該案例利用傳感器技術實現對溫濕度、氣體、煙霧等參數的測定，利用北斗衛星導航系統實現定位，利用顯示模塊對環境參數和定位信息進行顯示，利用物聯網模塊實現數據打包發送到上位機。方案的系統結構如圖1所示。

根據學生自身能力情況可以選擇完成基礎任務或者選修任務，對于能力一般的同學僅要求完成基礎任務：設計一個環境監測裝置，實現對溫濕度、氣體、煙霧等參數的監測和顯示，并可將相關信息通過串口發送至PC機，如圖1中無背景部分。對于基礎較好，有過相關設計經驗的同學可完成選修任務，增加對定位模塊和物聯網模塊的學習和使用，如圖1中帶背景部分，設計一個環境監測裝置，實現對溫濕度、氣體、煙霧等參數以及當前位置信息的監測和顯示，并可將相關信息通過物聯網傳輸發送至PC端OneNET平臺。

2.2.2 案例分析

工程教育認證標準中的復雜工程問題具備的特征包含7個方面[3]，該教學案例緊扣復雜工程問題特征進行任務設計，以期在完成產品設計的過程中培養學生解決復雜工程問題的能力。

（1）項目需要用到理論知識涉及多門專業課程，包括數字電路、模擬電路、單片機技術與原理、C語言、導航原理等，需要對專業課程具有較為扎實和深入的理解，并能夠在實踐過程中通過分析并綜合應用，具備“復雜工程問題”特征1：必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決。

（2）完成項目的過程中學生需綜合考慮硬件成本、國產化率等多方面的非技術因素，具備“復雜工程問題”的特征2：需求涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定的沖突。

（3）系統包括傳感器數據采集、位置信息獲取、數據顯示、數據的有線傳輸、數據的無線傳輸等模塊，可以視為環境檢測系統、北斗定位系統、物聯網系統的綜合系統，學生要解決幾個子系統關聯的問題。具備“復雜工程問題”的特征7：具有較高的綜合性，包含多個相互關聯的子問題。

3 基于CDIO模式和項目情景模擬設計教學模式，實現綜合素質的提升

3.1 CDIO模式和項目情景模擬對應用型人才培養的意義

CDIO工程教育理念由麻省理工學院于2004年創立，“CDIO”是四項工程項目實施內容的縮寫，它們分別是：構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運行（Operate）[4]。這四項內容是以一線的產品實際研發為基礎的，包含了一套完整的生命周期。CDIO模式將一個完整的產品研發過程作為主線，以實施一個項目的任務作為教學載體，以培養學生實踐能力作為教學目標。在這個過程中，不但能夠促進學生對工程知識的理解，還能提升學生的專業技能和職業素養。

項目情景模擬是一種利用仿真場景進行培訓的方法，是指教師根據教學目標和教學內容，設計一種與實際工作場景類似的情景，師生在該情景下完成各自角色的扮演，將學習活動變成探索活動，讓學生在類似真實工作的場景中獲取知識、培養實踐能力。

利用CDIO理念設計任務流程、利用項目情景模擬設計沉浸式課堂體驗能彌補傳統教學方法的不足，促進學生對理論知識的掌握和對企業實際項目流程過程的熟悉，盡量讓人才培養過程接近真實的工作場景，利用場景的模擬激發學習興趣，在過程中培養學生的實踐能力、溝通能力、合作能力和工程意識，實現培養具有實踐能力的應用型人才的培養目標。

3.2 課程任務流程設計

按照CDIO工程教育模式，以課程案例項目為主線、活動為載體、發展綜合素質為最終目標開展項目式學習。將主任務拆解出9個活動環節，分別是任務下發與分析、硬件設計培訓、硬件開發、硬件國產化率及成本分析、硬件驗收與優化、軟件設計培訓、軟件開發、產品經濟效益分析與報價、產品驗收及優化。分硬件線和軟件線，分別形成構思、設計、實施、運作四個CDIO環節，具體流程及情景模擬中師生角色扮演情況如圖2所示。

學生按照一個方向逐級遞進攻克項目任務，在不同的階段達成不同的素養培養，實現綜合素質的提升。在構思環節，師生針對項目展開分析和任務分解。在設計環節，以公司對新入職的工程師進行培訓的形式幫助學生掌握完成設計任務必備的技能，硬件方面包括EDA設計工具的使用、硬件電路設計規范的理解，軟件方面則通過一些簡單引導項目，幫助學生復習編程語言、掌握調試手段，最終培養學生能夠基于硬件設計方案進行軟件開發的能力。在實施環節，學生獨立按照項目要求進行硬件和軟件的開發和調試。在運作環節，學生對自己設計的硬件進行國產化率分析和成本核算，根據產品整體設計成本及經濟效益完成模擬報價單的制作，以4-5人為一組模擬競標，并判斷中標情況，教師對學生的硬件設計、軟件程序及樣機進行驗收，并引導學生進行優化反思。

通過構造虛擬的工程職業環境，將教學案例模擬成一個科技公司的真實項目進行實施，通過項目情景模擬與角色扮演，把教學活動組織成師生對該項目的共同研究活動。每個學生獨立地完成開發與設計，體驗項目開發的各個環節、各個角色的分工。教師扮演甲方提出需求以開展項目，同時也扮演乙方的指導人員，保證項目的順利實施。教師角色由課堂的主導者轉變為引領者，學生的角色由知識被動接受者轉變成主動探究者。形成以教師為主導，以學生為主體的共同探究教學模式。

4 實施效果

從實施效果看，在2022—2023年通過該方案進行課程設計的實施，學生學習熱情高漲，課堂氛圍良好，課堂滿意度在90%以上。學生的實踐動手能力得到了提升，在參加全國大學生智能車競賽中，獲得全國二等獎2項，賽區一等獎2項，賽區二等獎3項，賽區三等獎2項。電子設計大賽獲得省級一等獎5項，二等獎2項，3等獎12項。在后續的綜合課程設計和畢業設計中，指導教師表示能感受到整體學生能力有所提升。

5 總結

當前實踐課程的教學設計還存在著教學案例設計與“復雜工程問題”特征關聯小，教學模式與企業環境、社會環境關聯小的問題。圍繞復雜工程問題進行教學案例設計，結合社會實際需求、學生的知識體系和專業辦學特色，設計一種基于單片機和衛星導航技術的環境監測數據采集與傳輸系統，利用解決這一具有復雜工程問題特征的教學案例的過程培養學生的工程能力。基于CDIO模式和項目情景模擬設計教學模式，將教學打造成企業、社會真實項目場景，實現綜合素質的提升。通過本研究提出的教學改革，可將學生培養成具有工程意識、工程實踐能力和團隊協作能力的應用型人才。教學改革實施效果較好。

參考文獻

[1]杜燦誼，周周，鐘慧多等.新工科背景下應用型本科人才實踐智慧養成策略[J].中國現代教育裝備，2023（407）：93-95.

[2]石飛，周燕云，陳娟，郭磊.面向解決復雜工程問題能力培養的單片機實踐教學案例設計[J].實驗科學與技術，2022，20（5）：66-70.

[3]趙世偉，張鵬，樊智勇.工程教育認證背景下項目式課程教學改革與研究實驗室科學.2018，21（6）：125-129.

[4]李佳怡，劉東旭，辛瑞昊，等.面向新工科CDIO模式自動化專業實 踐教學體系改革與實踐[J].教育教學論壇，2020，472（26）：186-187.