新工科背景下“光機電算一體化”挑戰(zhàn)性實驗課程的設(shè)計

漆 強， 劉 爽

(電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610054)

“挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)”(challenge based learning，簡稱CBL)是一種創(chuàng)新的教學(xué)模式，在具體的教學(xué)實踐中，采用以學(xué)生為中心，以項目為導(dǎo)向的教學(xué)思路。所選項目來源于實際的工程實踐和競賽題目，具有一定的趣味性和實用性，如光電導(dǎo)航智能小車、無人機尋跡投球等。教師在教學(xué)時只需要講授必要的基礎(chǔ)知識，同時引導(dǎo)學(xué)生進行方案的選擇和設(shè)計，具體實現(xiàn)則是由學(xué)生以團隊形式，通過親手設(shè)計和制作的方式完成項目，在項目的實施過程中掌握知識，培養(yǎng)實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力以及團隊協(xié)作能力[1]。

1 課程建設(shè)背景

1.1 “新工科”建設(shè)要求

“新工科”是基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新經(jīng)濟領(lǐng)域背景而提出的，是相對于“傳統(tǒng)工科”的新概念。目前教育部倡導(dǎo)全國高校積極開展“新工科”的研究和實踐，從而深化工程教育改革，推動“新工科”的建設(shè)與發(fā)展。 “新工科”除了增加一些新的工科專業(yè)以外，更多的是對原有工科專業(yè)的新要求，這就需要建設(shè)一批體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展的新課程、建設(shè)一批跨學(xué)科的實踐平臺、培養(yǎng)一批工程實踐能力強的高水平專業(yè)教師?；谶@樣的背景，設(shè)計了“光機電算一體化”挑戰(zhàn)性實驗課程[2]。

1.2 依托多層次、全方位的學(xué)科競賽體系

光電科學(xué)與工程學(xué)院構(gòu)建了“校級”“省級”“國家級”3層次、全方位的學(xué)科競賽體系，學(xué)校層面的“京東方杯”電子科技大學(xué)光電設(shè)計競賽、省級層面的四川省光電設(shè)計競賽、國家層面的全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽，實現(xiàn)了“普惠性”的科技創(chuàng)新競賽體系。利用光電競賽平臺，可以促進光電知識的普及，加強學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力和團隊精神的鍛煉和培養(yǎng)。同時通過“以賽促學(xué)”“以賽促教”的理念，推動人才培養(yǎng)模式和實踐教學(xué)改革，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量[3-5]。

2 教學(xué)實施方案

在以學(xué)生為中心，以項目為導(dǎo)向的指導(dǎo)思想下，依托第四屆全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽的競賽題目“基于光電導(dǎo)航的智能移動測量小車”，設(shè)計了光電導(dǎo)航智能小車實踐教學(xué)平臺，并以該平臺為基礎(chǔ)，將教學(xué)目標分解到一個一個的小項目中，學(xué)生通過具體的項目設(shè)計，就可以完成教學(xué)目標、掌握相關(guān)的知識點[6]。

2.1 光電導(dǎo)航智能小車實踐教學(xué)平臺

光電導(dǎo)航智能小車實踐教學(xué)平臺的設(shè)計采用項目驅(qū)動的方式，要求學(xué)生設(shè)計一輛具有光電導(dǎo)航功能的智能車，從線路的指定點出發(fā)，沿軌道上鋪設(shè)的“8”字形導(dǎo)航條走完全程。在行駛過程中，測量并記錄沿途所通過的3段隧道各自的長度及沿途路邊樹木(用鉛筆代替)的總棵數(shù)。賽道的示意圖如圖1所示。

圖1 賽道示意圖

以該項目任務(wù)為基礎(chǔ)，將整個設(shè)計任務(wù)分解成各個功能模塊。光電導(dǎo)航智能小車實踐教學(xué)平臺的功能模塊如圖2所示。

圖2 光電導(dǎo)航智能小車模塊結(jié)構(gòu)圖

在實際的教學(xué)實踐中，由教師提供系統(tǒng)設(shè)計方案和功能模塊電路。各個功能模塊只給學(xué)生提供相應(yīng)的設(shè)計參考思路，如賽道中隧道長度的測量，可以利用反射型光電傳感器、激光傳感器和超聲波傳感器等多種傳感器實現(xiàn)；賽道的尋跡可以使用分離的紅外光電傳感器、線陣CCD和攝像頭等多種模塊完成。學(xué)生需要查找相關(guān)資料、分析各個方案之間的優(yōu)劣、繪制模塊的電路原理圖、印制板圖、完成硬件的焊接和測試，并利用杜邦線和熱熔膠將各個功能模塊連接和固定，最終完成整個光電系統(tǒng)的設(shè)計[7-9]。最終的硬件實物如圖3所示。

圖3 光電導(dǎo)航智能小車硬件實物圖

2.2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計

光電導(dǎo)航智能小車是一個跨學(xué)科的實踐教學(xué)平臺，涵蓋了“光學(xué)設(shè)計”“機械構(gòu)造”“電路分析”“算法處理”等多個學(xué)科的相關(guān)知識，其包括的教學(xué)內(nèi)容如圖4所示。

圖4 光電智能導(dǎo)航小車實踐教學(xué)平臺的教學(xué)內(nèi)容

在具體的教學(xué)設(shè)計上，也注重和具體的工程實踐相結(jié)合，以項目為導(dǎo)向來講授相關(guān)的知識點。

以其中電路部分的微控制器設(shè)計為例，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，往往是先介紹某一款微控制器的基本框架，然后按照時鐘系統(tǒng)、通用輸入/輸出接口、中斷系統(tǒng)、定時器、串口通信和數(shù)模轉(zhuǎn)換等各個模塊逐一介紹。這種教學(xué)模式將課程分割為章節(jié)，每個章節(jié)介紹一個模塊，強化了各個模塊自身的學(xué)習(xí)，但是弱化了各個模塊之間的相互聯(lián)系。學(xué)生在學(xué)習(xí)時，僅僅是知道了相關(guān)模塊的使用方法，而對于這些模塊在實際工程項目中的具體應(yīng)用卻無法了解，更無法建立一個光電集成系統(tǒng)的整體設(shè)計概念[10]。

在使用光電智能導(dǎo)航小車實踐教學(xué)平臺進行教學(xué)時，每一個知識點除了介紹基本原理和用法以外，都有對應(yīng)的應(yīng)用項目與之關(guān)聯(lián)。比如學(xué)習(xí)了通用輸入/輸出接口后，就可以利用這個接口輸出高電平或者低電平去控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，進而控制小車的前進和后退；學(xué)習(xí)了PWM(脈沖寬度調(diào)制)后，可以利用它去控制舵機，進而控制小車轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)動角度；學(xué)習(xí)了定時器后，可以利用它的計數(shù)功能完成對賽道旁樹木的計數(shù)。這樣的學(xué)習(xí)模式做到了有的放矢、言之有物，可充分啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)目的[11]。

以微控制器設(shè)計部分為例，各個模塊所對應(yīng)的項目任務(wù)如圖5所示。

圖5 微控制器設(shè)計各個模塊對應(yīng)的項目任務(wù)

在完成所有知識點的學(xué)習(xí)后，將整個系統(tǒng)中的電源電路、驅(qū)動電路、光電傳感器、機械結(jié)構(gòu)等光機電算模塊整合，完成小車尋跡和測量任務(wù)。在這個復(fù)雜任務(wù)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不再是簡單地學(xué)習(xí)各個單一的知識點，而是發(fā)揮自身的主觀能動性和團隊合作精神，去探索和實踐。通過項目驅(qū)動的方式，將原來簡單的知識灌輸變成了知識探索，讓學(xué)生在完成一個個的任務(wù)過程中掌握了相關(guān)的知識和工程技能，同時對各個知識點的聯(lián)系和系統(tǒng)的整體設(shè)計也了然于胸[12-13]。

2.3 采用“以賽促學(xué)”“以賽促教”的全新考核方式

采用了“以學(xué)生為中心”“以項目為導(dǎo)向”的教學(xué)模式后，傳統(tǒng)的考試方式已經(jīng)無法測試學(xué)生對于相關(guān)工程實踐技能的掌握，需要采用一種新的考核手段來檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，結(jié)合光電科學(xué)與工程學(xué)院構(gòu)建的“校級”“省級”和“國家級”3層次、全方位的學(xué)科競賽體系，探索出一條“以賽促學(xué)”“以賽促教”的全新考核方式，即通過學(xué)科競賽檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

具體的做法是根據(jù)學(xué)生的不同年級鼓勵學(xué)生參與不同層次的學(xué)科競賽，大一的學(xué)生參與校級的“京東方杯”電子科技大學(xué)光電設(shè)計競賽，大二的學(xué)生參與省級的四川省光電設(shè)計競賽，大三的學(xué)生參與國家級的全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽。

在競賽的參與過程中，除了檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)效果以外，由于學(xué)科競賽的參與形式一般是3人一組，需要團隊協(xié)作，這樣也鍛煉了學(xué)生的團隊合作和協(xié)同學(xué)習(xí)的能力。同時學(xué)科競賽還要求學(xué)生提交設(shè)計報告和答辯報告，可以鍛煉學(xué)生的科技論文寫作能力、文獻查閱能力、口頭表達和自我展示能力(見圖6)[14]。

3 課程成效及創(chuàng)新點

本課程自2016年立項并實施，至今已經(jīng)開課4次，累計受益人數(shù)200余人，在教學(xué)改革、教學(xué)研究以及學(xué)科競賽獲獎方面都取得了一定的成效：申請校級教學(xué)改革項目2項、發(fā)表教研論文3篇、參與課程的學(xué)生獲2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽全國一等獎2項、2017年第一屆四川省大學(xué)生光電設(shè)計競賽一等獎1項及二等獎2項。同時課程的部分成果由學(xué)院整合后獲評2017年四川省教學(xué)成果一等獎，并申報2018年全國教學(xué)成果獎。

本課程還具有以下創(chuàng)新點：

(1) 全新的教學(xué)模式(教學(xué)方式、考核方式)。 “以學(xué)生為中心”“以項目為導(dǎo)向”的教學(xué)模式，發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，大部分學(xué)生在完成相應(yīng)的項目模塊后，都能獲得相關(guān)的工程實戰(zhàn)經(jīng)驗。以學(xué)科競賽為考核的模式，增加學(xué)生的團隊合作精神。同時學(xué)科競賽的題目難度對于課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容而言有一定的拔高，需要學(xué)生進行有一定深度的學(xué)習(xí)。

圖6 光電設(shè)計競賽的測試和答辯

(2) 契合“新工科”設(shè)計思想。在“光機電算一體化”挑戰(zhàn)性實驗課程中，構(gòu)建了光電導(dǎo)航智能小車實踐教學(xué)平臺，它涵蓋了光機電算各個相關(guān)學(xué)科的知識，是一個跨學(xué)科的綜合實踐平臺，契合了教育部在新工科背景下建設(shè)一批跨學(xué)科實踐平臺的要求，具有一定的示范作用。

(3) 競賽題目的落地。學(xué)科競賽中的競賽項目，一般都結(jié)合工程實際，又貼合行業(yè)熱點，把與生產(chǎn)生活相關(guān)的實際問題轉(zhuǎn)化為競賽題目。在課程的建設(shè)中，將這些競賽題目進行課程化、項目化，既可以借助競賽平臺提高競賽指導(dǎo)水平、培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[15]。

4 結(jié)語

“光機電算一體化”挑戰(zhàn)性實驗課程是實施人才培養(yǎng)改革中做出的一種探索，它從學(xué)生的角度出發(fā)，以學(xué)生為中心，以項目為導(dǎo)向，針對每個知識點設(shè)計相關(guān)的項目任務(wù)，并整合所有任務(wù)，最終完成一個光電系統(tǒng)的整體設(shè)計。本課程經(jīng)過兩年來的實踐，取得了一定的成效，但還存在很多需要改進的地方，比如項目指標的細化、加強學(xué)生制造工藝方面的介紹等。