電子信息應用型專業(yè)新工科實踐教育體系

鄭佳春，蔡偉清，吳一亮，黃長斌，曹長玉

(1.集美大學信息工程學院，福建 廈門 361021；2.集美大學教務處，福建 廈門 361021)

隨著中國經(jīng)濟高速高質量發(fā)展，高等教育已經(jīng)進入新時代，依據(jù)“新時代高教40條”，教育部正深入實施高水平本科教育的總體目標，實施 “雙萬計劃”，大力推進一流專業(yè)建設，一流課程建設，打造 “金?！迸c“金課”，全面夯實本科教育基礎[1-2]?！靶鹿た啤钡穆氏忍岢鰹楦叩裙こ探逃母母锾剿魈峁┝艘粋€全新視角和“中國方案”[3-4]，新工科研究與實踐是為應對科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，主動服務國家創(chuàng)新驅動發(fā)展、“一帶一路”、“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略實施，加快工程教育改革創(chuàng)新，培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉型升級而開展的項目。為了培養(yǎng)高素質的電子信息工程技術人才，集美大學從2015年啟動電子信息專業(yè)群建設，2016年獲得福建省的建設立項。在電子信息專業(yè)群建設和改革創(chuàng)新過程中，通過初步調研、對比分析、與電子信息行業(yè)領袖及標桿企業(yè)積極研討與研究，發(fā)現(xiàn)電子信息專業(yè)群的實踐教學主要存在以下痛點問題[5-9]：(1)工程實踐教育主要還是沿襲傳統(tǒng)的課內實驗、課程設計、綜合訓練等模式，各教學環(huán)節(jié)多數(shù)為課程服務，比較獨立，不成體系；(2)缺少符合新工科創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)的訓練計劃；缺少創(chuàng)新設計、創(chuàng)意實驗、開放實驗等綜合性訓練；學生系統(tǒng)設計、開發(fā)能力普遍較低；(3)缺少創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學資源；缺少企業(yè)參與、校企共建、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實踐教學基地；利用網(wǎng)絡教學資源開展虛擬仿真實驗、在線實踐教學存在資源不足；(4)主動對接地方電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)技術創(chuàng)新需求不足；不能充分利用地方資源，尚未建立社會力量參與的共商、共建、共享的工程教育責任共同體；校企聯(lián)合制定培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方案、共同建設課程與開發(fā)教程、共建實驗室和實訓實習基地、合作培養(yǎng)培訓師資、合作開展研究等均需要加強；(5)借鑒國際先進理念和標準，引入國際工程人才培養(yǎng)質量標準，用國際實質等效的標準引導、改進和提高工程實踐教學質量存在不足；尚未建立具有中國特色、國際實質等效的工程實踐教育體系和評價標準，考核和評價欠缺量化，評價方法和指標也需要進一步優(yōu)化。針對上述痛點問題，本文作者結合集美大學電子信息應用型專業(yè)群建設及實踐教學改革的實際，以新工科為背景，以滿足工程技術學位項目認證委員會(ABET)對畢業(yè)生從業(yè)能力為要求，構建工程實踐教學體系，旨在培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型卓越工程技術人才。

一 工程實踐教學體系的構建

秉承“厚基礎、強實訓、重創(chuàng)新、富載體、促成效”的實踐教學理念，依據(jù)表1 所示的ABET認證標準要求，我們構建了如圖1所示的新工科實踐教學體系[10-14]。

表1 ABET認證標準

圖1 新工科工程實踐教學體系

(一)以厚基礎為目的，改革和強化基礎課程實驗教學

以“提高基礎認識實驗和設計能力”為目標，加強基礎實驗,實現(xiàn)能力1、2、3的培養(yǎng)。強調軟/硬件的關聯(lián)和協(xié)同，強調課程間的關聯(lián)，強調理論課與實驗課內容的關聯(lián)；以虛擬仿真實驗、口袋式系統(tǒng)實驗等為主要平臺，整合基礎實驗教學，提高學習效率，提升實驗教學質量；達到既能減少學習時間又能厚基礎的目的。

(二)以課程學習為主導，強化設計實訓，培養(yǎng)學生的基本能力

通過設計培訓、課程設計、綜合訓練等教學模式，讓學生在大學低年級就學習電路設計、軟硬件設計開發(fā)平臺，學會使用相應的軟硬件，能夠利用開發(fā)平臺實現(xiàn)一些基本功能，以此培養(yǎng)學生的興趣，觸發(fā)他們的創(chuàng)新神經(jīng)，孕育創(chuàng)新意識；實現(xiàn)能力1、2、3、4能力的培養(yǎng)。

以電子產(chǎn)品研制為目標，培養(yǎng)工程實踐技能，通過案例課程、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制作等實踐教學環(huán)節(jié)，對學生進行從產(chǎn)品規(guī)劃、系統(tǒng)設計、電路設計、器件選型、版圖設計、結構設計、封裝工藝、生產(chǎn)流程、檢驗檢測等全流程的訓練，以達到具備承擔工程項目的能力，實現(xiàn)能力3、4、5、6能力的培養(yǎng)。

(三)以創(chuàng)新意識培養(yǎng)為引導，重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

通過創(chuàng)新訓練、創(chuàng)意訓練、人文素養(yǎng)等實踐與理論教學，讓學生在大學低年級就建立創(chuàng)新思維、創(chuàng)新理念，通過人文社會科學知識學習積累創(chuàng)意素材，學會人文與工程的結合，以此觸發(fā)他們的創(chuàng)新神經(jīng)，孕育創(chuàng)新意識，提升創(chuàng)新能力，實現(xiàn)能力5、7、8的培養(yǎng)。

(四)通過豐富的實踐載體，培養(yǎng)高端復合型新工科人才

通過讓學生參加國家、省、校大學生創(chuàng)新性實踐教學計劃，參加校、院組織的學科活動，參加各種各類競賽，參與老師的科研項目，自己承擔企業(yè)課題項目或者承接協(xié)同開發(fā)項目等，培養(yǎng)學生的自主學習、合作創(chuàng)新、技術整合、匯報交流、洽談交易等綜合能力；以達成復合型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)；實現(xiàn)能力4、5、6能力的培養(yǎng)。

(五)以成果導向的教學模式，促進實踐成效

以培養(yǎng)成效為導向，通過讓學生參加競賽、展會，撰寫論文，申請專利，申報獎勵等促進成效；通過就業(yè)、創(chuàng)業(yè)訓練，學習工程管理，推進學生高端就業(yè)；通過引入國際工程認證標準，建立規(guī)范的實訓管理與職業(yè)能力認證評價機制，使畢業(yè)生獲得國際認可，實現(xiàn)國際就業(yè)；通過各種孵化園、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地引導學生創(chuàng)業(yè)；實現(xiàn)能力4、5、6、7、8能力的培養(yǎng)。

該新工科實踐教學體系具有以下特點：(1)系統(tǒng)性地整合了工程實踐教育的各教學環(huán)節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)化、體系化；(2)完善了訓練計劃，加強了創(chuàng)新設計、創(chuàng)意訓練、案例課程等創(chuàng)新性訓練；(3)以實際產(chǎn)品設計、制作為教學內容，主動對接地方電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)技術創(chuàng)新需求；(4)引入國際工程人才培養(yǎng)質量標準，加強了創(chuàng)業(yè)訓練、工程管理、就業(yè)實踐、人文素養(yǎng)等綜合素質的培養(yǎng)，具有應用推廣價值。

二 多維度實踐教學平臺

依據(jù)上述新工科工程實踐教學體系，我們建設了16個創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實訓平臺和配套實訓課程資源，3個實踐教學基地，實現(xiàn)校內創(chuàng)新基地24小時開放共享[15-16]。比較有特色的實踐教學平臺有：

(一)口袋式系統(tǒng)實驗平臺

該平臺在實踐教學體系統(tǒng)一的指導思想下，全方位、系統(tǒng)地構建相關課程的課程教學和實驗教學方案；實驗平臺基于方便、便宜的PYNQ-Z2口袋式系統(tǒng)，讓每個學生可以把實驗平臺隨身攜帶，不限于只能在實驗室做實驗，有效地解決了實驗場所不足問題。該平臺為ARM+FPGA體系架構，其上開發(fā)了《計算機組成原理》《VLSI設計》《嵌入式系統(tǒng)設計》《PYTHON》以及《數(shù)字圖像處理》等課程的實驗項目。我們將現(xiàn)有的《VLSI設計》與《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及其應用》兩門課程進行整合成《嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計》課程，用于培養(yǎng)電子信息類學生的軟硬件協(xié)同設計能力；主要講授Verilog HDL設計語言，可綜合電路設計、功能驗證、復雜數(shù)字系統(tǒng)設計、嵌入式體系結構、嵌入式開發(fā)及應用程序設計、接口應用以及驅動程序編寫等內容；同時，引入開放實驗，讓學生自主選題設計，學生自行設計了貪吃蛇、碰撞的球、控制過障礙等游戲；使學生能夠主動、全面、深入地理解信息系統(tǒng)，一步一步學會完整的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，從而具備解決復雜工程問題及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的能力。

(二)基于機器人的可視化實踐平臺

該平臺是一個與美國亞利桑那大學的陳以農(nóng)教授合作研制的編程控制智能小車。利用陳以農(nóng)教授開發(fā)的可視化機器人編程環(huán)境VIPLE(Visual IOT/Robtics Programming Language Environment)，學生可通過繪制應用程序的流程圖實現(xiàn)編程，用開發(fā)環(huán)境中的編譯軟件將其轉換為可執(zhí)行程序、下載運行；讓沒有程序設計經(jīng)驗的人員也可以很快完成自己的機器人應用程序開發(fā)。

基于該平臺，針對一年級新生我們開設了《基于機器人實踐的信息科學導論》課程。大一學生通過學習該課程，自己完成智能小車的安裝并編寫出較復雜的智能程序，指導機器人探索迷宮并走出迷宮。學生通過理論學習和系統(tǒng)實際的設計和編程，理解系統(tǒng)的結構、組成和程序開發(fā)，為后續(xù)課程的學習打下必要基礎；同時，獲得了成就感，從而激發(fā)學生的學習熱情，有效的提高了學生的專業(yè)認識和學習興趣。

(三)高速PCB設計與訂單式培養(yǎng)平臺

當前教師的教學、實訓大都是使用PROTEL等軟件，而國內外大中型企業(yè)普遍采用Cadence Allegro軟件(市場占有率70～80%)，造成教學內容不適應產(chǎn)業(yè)需求，學生較難實現(xiàn)高薪、高端就業(yè)，特別是難以進入國際化企業(yè)。為此，我們通過與深圳邁威科技有限公司開展深度合作、產(chǎn)教融合，引入該公司“快點PCB學院”的課程資源；該教學資源是邁威科技有限公司高速PCB設計的一線高級工程師和專家研發(fā)的創(chuàng)新課程體系；它基于Cadence Allegro軟件開發(fā)，并將企業(yè)案例引入實踐教學，從電子產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)全周期流程出發(fā)，形成從產(chǎn)品設計、制造、組裝、測試等全過程的PCB設計與實訓平臺，使學生既能得到電子產(chǎn)品設計、開發(fā)全面的訓練，又能與國際接軌，取得很好效果。

我們正在試行的高速PCB/SOC設計訂單式人才培養(yǎng)模式如圖2所示。依托高速PCB/SOC設計實訓基地，開展校企合作、產(chǎn)教融合，讓企業(yè)深度參與，根據(jù)企業(yè)需求提出訂單式培養(yǎng)計劃，對口培養(yǎng)；可開展初級、中級、高級工程師培養(yǎng)，為優(yōu)質電子信息企業(yè)提供高水平人才。

圖2 高速PCB/SOC設計訂單式人才培養(yǎng)模式

(四)電子產(chǎn)品研發(fā)平臺

通過引入企業(yè)實際的研發(fā)平臺、生產(chǎn)設備作為實踐教學平臺，建設校外實踐教學基地，縮短實踐教學的“最后一學里”[17-18]。該研發(fā)平臺主要由電子產(chǎn)品創(chuàng)新設計中心、電子產(chǎn)品創(chuàng)新制造中心及教學跟蹤與評測系統(tǒng)組成如圖3所示。

1.電子產(chǎn)品創(chuàng)新設計中心：依托全球市場占有率70～80%的Cadence Allegro軟件，可進行原理圖設計，高速、高頻、高密印制電路板PCB設計，集成電路設計，SOC系統(tǒng)設計；涵蓋電子產(chǎn)品需求分析，硬件電路開發(fā)，集成系統(tǒng)研制等內容；主要設計與分析項目如圖4所示。平臺教學可采用線上線下實訓模式，為學生提供較大的學習自由度；也可工程師晉級提供培訓和服務。

2.電子產(chǎn)品制造中心：搭建電子產(chǎn)品制造系統(tǒng)，實現(xiàn)從元器件到完整電路自動板焊裝貼片、安裝調試等電子產(chǎn)品制造的全流程，讓學生掌握電子產(chǎn)品制造的流程、工藝、測試等工程及規(guī)范。

3.電子產(chǎn)品創(chuàng)新評測中心：通過檢驗、檢測軟件開發(fā)，智能儀器、軟件對設計的產(chǎn)品進行測試，做出性能評價；同時，進行實踐教學的全程跟蹤、記錄、評鑒。通過調查、分析、研討，形成反饋意見，修正實踐教學的各個環(huán)節(jié)，持續(xù)改進。

在工程實踐能力訓練中，注重綜合智力與非智力因素，在課程設置中涵蓋知識、能力以及素質3個維度，儲備交叉學科領域知識、培育多學科研究能力與跨 學科合作精神，使培養(yǎng)的人才具有多學科思維、復合型知識、創(chuàng)新性能力與工程型素質。在經(jīng)典教材基礎上不斷融入多個學科的新知識、新技術，以“思維導圖”視角優(yōu)化課程內容；以工程問題為線索，建設電子信息交叉學科專業(yè)課程群模式，擴大電子信息學科的專業(yè)課程修讀覆蓋面。開展面向工程能力培養(yǎng)為核心的多維度、多學科交叉與融合教學。

圖3電子產(chǎn)品研發(fā)平臺 圖4電子產(chǎn)品創(chuàng)新設計項目結構圖

三 實踐教學平臺的實踐與成效

利用建設的新工科創(chuàng)新實踐平臺，以指導教師的科研項目為載體，通過大學生創(chuàng)新性實踐教學計劃、參加各種競賽、參加老師課題項目、學生自己承擔課題項目或者承接協(xié)同開發(fā)項目等，讓學生在老師指導下或者自己進行課題項目的創(chuàng)新研究開發(fā)，培養(yǎng)學生的自主學習、合作創(chuàng)新、技術整合、匯報交流、洽談交易等綜合能力；以達成復合型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。2013年以來，指導學生完成科研選題超過100項，其中獲得國家級省級大學生創(chuàng)新項目立項52項；參加各類學科競賽獲省級以上獎169項，學生發(fā)表學術論文20多篇，申請專利10多項，注冊公司5家。通過引入IEET工程認證，電子信息工程專業(yè)獲得認證。可見，該實踐教學體系的建設與實踐，吸收了企業(yè)意見與建議、引進國際化先進教育理念，學生自主創(chuàng)新成效凸顯，個性化創(chuàng)新能力培養(yǎng)目標初現(xiàn)，形成了實現(xiàn)工程性、創(chuàng)新性的培養(yǎng)模式，且具有較大的推廣價值。

四 結束語

電子信息應用型專業(yè)新工科實踐教育體系已經(jīng)在集美大學電子信息應用型專業(yè)群應用于2年多。實際應用結果表明：該實踐教育體系在培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力、思維能力、合作能力、科研能力、管理能力和工程意識等復合型高級工程技術電子信息類創(chuàng)新人才所采取的理念、方案、技術、方法、措施是科學的、合理的、有效的；可促使培養(yǎng)適應“新經(jīng)濟”發(fā)展的應用型、創(chuàng)新型電子信息人才的目標落到實處；以下幾點可供其他高校借鑒或者推廣應用。

(一)工程實踐教育體系應以地方電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)技術創(chuàng)新需求為導向，通過校企聯(lián)合制定培養(yǎng)目標、培養(yǎng)方案，共同建設課程與開發(fā)教程，充分利用地方資源，建立社會力量廣泛參與的共商、共建、共享的工程教育共同體。

(二)實踐教學平臺建設，既要自主研發(fā)，又要引入優(yōu)勢教學資源。我們開發(fā)的創(chuàng)新實踐教學平臺：基于機器人實踐的信息科學導論、基于Python的FPGA實踐、MIPS嵌入式系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)，覆蓋大一到大三年級，從大一激發(fā)低年級學生對本專業(yè)的學習熱情，并掌握一定技能，到高年級解決復雜工程問題的能力培養(yǎng)，形成體系。

(三)課程體系增加了培養(yǎng)學生具備整合能力、全球視野、領導能力、實踐能力、人文科學、工程技術倫理等素質教育，加強學生與國際一流企業(yè)的高效對接，實現(xiàn)畢業(yè)生的高薪高端就業(yè)。

(四)以國際工程認證標準，規(guī)范職業(yè)能力評價認證，可培養(yǎng)符合行業(yè)、國際需求的人才。