“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”的創(chuàng)新與探討

胡 云 陳彥輝 許衛(wèi)東 康 槿

(西安電子科技大學(xué) 通信工程學(xué)院， 西安 710126)

現(xiàn)如今，第四次工業(yè)革命正如火如荼地展開。我國積極推動新經(jīng)濟發(fā)展，搶占工業(yè)4.0、人工智能等科技革命的制高點。在新工科背景下，制造業(yè)急需培養(yǎng)具有工匠精神的高素質(zhì)高技能人才[1-2]。當(dāng)前全國高校的工科教學(xué)雖然已經(jīng)加大了工程實踐類課程的比重，但仍然存在一些“短板”，例如：實踐教學(xué)內(nèi)容和要求，與行業(yè)需求有一定差距，缺乏靈活創(chuàng)新的設(shè)計思維培養(yǎng)[3]。實踐課程評價標(biāo)準(zhǔn)單一，評價方式依然是圍繞“一個標(biāo)準(zhǔn)答案”，缺乏資源受限下的多目標(biāo)綜合優(yōu)化的工程思維。在工程管理，團隊合作，交流宣講等活動中，學(xué)生往往把自己置于學(xué)生的固定角色中，總是希望教師和書本給出正確答案，缺乏批判性思維。因此，改革通信類工科教學(xué)思維與方法，迫在眉睫[4]。

1 “微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”的改革與創(chuàng)新

“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”課程是通信工程學(xué)院“線上+線下混合式金課”建設(shè)項目，是一門符合新工科精神的通信類專業(yè)課程，將集成產(chǎn)品開發(fā)的實踐教學(xué)融入其中[5-6]。該課程包括課內(nèi)32學(xué)時的理論教學(xué)和課外14周的創(chuàng)新實踐，適合通信工程專業(yè)、信息工程專業(yè)和空間科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的老師教學(xué)，開課時間為大學(xué)第4學(xué)期。

根據(jù)新工科人才培養(yǎng)定位和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育目標(biāo)要求，要求學(xué)生自主參與設(shè)計一個覆蓋模擬和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計理論的實踐平臺，深刻理解實際產(chǎn)品的完整創(chuàng)作過程，培養(yǎng)多維能力與解決復(fù)雜工程問題的能力?；谪S富的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程資源，構(gòu)建與新工科建設(shè)課程模式相融合的通信類工程綜合型課程模式，有利于學(xué)生在工程技術(shù)環(huán)境中發(fā)展團隊合作能力。

1.1 實驗教學(xué)模式改革

實驗中心從產(chǎn)業(yè)發(fā)展和學(xué)生自身發(fā)展角度思考，基于項目管理理念，結(jié)合中外合作教學(xué)項目的經(jīng)驗和優(yōu)勢，根據(jù)集成產(chǎn)品開發(fā)理念，對目前通信類工科教育進行嘗試性改革[7]。

微控制系統(tǒng)項目設(shè)計以“產(chǎn)品開發(fā)”為主線，要求學(xué)生設(shè)計并制造一個小型智能設(shè)備樣機，并在模擬環(huán)境下實現(xiàn)功能。學(xué)生團隊設(shè)計和制造的智能設(shè)備可以識別不同的用戶，具有各種傳感器獲取外部信息，并通過聲音、LCD觸摸屏與用戶交互。其中，ARM Cortex-A微控制器及LCD觸摸屏構(gòu)成上位機用來處理各種業(yè)務(wù)；ARM Cortex-M微控制器作為控制核心處理實時信息；FPGA進行高速數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動機械結(jié)構(gòu)。為了保證系統(tǒng)的完整性和實用性，要求設(shè)備提供兩種工作模式：一種是維護模式，它允許設(shè)備維修工程師測試和診斷機器；另一種是正常操作模式，系統(tǒng)接收到開始指令后，就自動工作。學(xué)生作品如圖1所示。

該項目設(shè)計在通信工程學(xué)院進行試點教學(xué)改革，參與學(xué)生約796人/年，分為108組。項目實施過程中，來自不同專業(yè)的6～7名學(xué)生組建一家公司，學(xué)生們承擔(dān)不同的職位。產(chǎn)品樣機采用業(yè)界通用的構(gòu)架，即計算機、嵌入式軟件及數(shù)字技術(shù)進行有機結(jié)合，包括人機交互模塊、微控制器模塊、數(shù)字系統(tǒng)模塊和機械模塊，培養(yǎng)學(xué)生的“創(chuàng)新與技能的組合應(yīng)用”“分析與綜合的能力”[8]。課程要求學(xué)生迅速把自己的角色轉(zhuǎn)換為一位專業(yè)工程師，按照真實公司運營、產(chǎn)品開發(fā)和項目管理的方式進行，并能夠提供相關(guān)項目管理整套文檔作為支撐。

1.2 考核評價體制創(chuàng)新

“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”的考核改革旨在通過解決一個實際工程需求，來評價學(xué)生對所學(xué)課程的能力掌握情況[9]。項目團隊教學(xué)評估著重圍繞“信息化”和“過程評價”進行了大膽的創(chuàng)新和實踐。與傳統(tǒng)的卷面考核相比，更側(cè)重“新工科”所強調(diào)的實際解決問題的能力評價。

為了提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識，將實驗課程教學(xué)方式改為“入門教-中間導(dǎo)-最終驗”的方式。在教學(xué)質(zhì)量考核與評價手段上，將實驗考核成績占總成績的比例從20%擴大到50%，包括以下內(nèi)容：作品介紹，功能演示，技術(shù)答辯，問題解答，報告書寫。采用了教師、專家、學(xué)生共同評價的新方法，并使用微信、網(wǎng)絡(luò)投票等信息化手段進行課程項目的展示和評比。圖2所示為專家評委現(xiàn)場為小組項目設(shè)計成果評分。

圖2 專家評委現(xiàn)場為小組項目設(shè)計成果評分

2 “微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”的探討與分析

“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”通過對實踐課程的內(nèi)容設(shè)計加強對學(xué)生設(shè)計思維與工程思維的培養(yǎng)；通過實踐課程產(chǎn)品開發(fā)流程著重鍛煉學(xué)生工程綜合素養(yǎng)以及批判思維，獨立思維的能力；通過引導(dǎo)學(xué)生使用線上資源，差異性自學(xué)，利用行業(yè)辦公管理軟件模擬企業(yè)運營等手段，加強數(shù)字化思維，在一定水平上彌補了現(xiàn)有的工科實踐與創(chuàng)新不足[10]。

以2017級通信工程專業(yè)的796名學(xué)生為樣本，對本課程的實踐實施方面進行課程情況問卷調(diào)查，對于充分了解學(xué)生對“微控系統(tǒng)項目設(shè)計”課程的認(rèn)知與把握起到很大的幫助。

在學(xué)生團隊組建自己的工程技術(shù)公司中，為了讓每一位學(xué)生充分、全面地了解產(chǎn)品設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基本知識及其工程分析、設(shè)計的方法和手段，共設(shè)立9個職位。每位學(xué)生可根據(jù)自己的特長與喜好選擇擔(dān)任其任一職位，并按照真實公司運營方式進行產(chǎn)品開發(fā)和項目管理。

圖3給出了2017級所有學(xué)生在項目設(shè)計中所擔(dān)任的公司職位分布圖。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，工程專業(yè)的學(xué)生會優(yōu)先選擇工程類的職位，與學(xué)生自己的專業(yè)屬性息息相關(guān)，管理崗位的選擇人數(shù)相對較少。調(diào)查結(jié)果說明，學(xué)生更容易在業(yè)務(wù)上進心鉆研，對于工程管理的認(rèn)識有所欠缺，重視程度不夠。

圖3 公司職位總體分布圖

圖4總結(jié)了796名學(xué)生對本項目設(shè)計課程的難易程度打分情況，1分為最易，5分為最難，3分為其他課程的平均難度?！拔⒖刂葡到y(tǒng)項目設(shè)計”的難易程度平均分為4.4分，位于其他課程平均難度以上，表明該課程設(shè)計是精心設(shè)計的項目里程碑計劃，可為學(xué)生以后的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提前進行系統(tǒng)化訓(xùn)練。

圖4 項目設(shè)計的難易程度打分情況

“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”的實施過程共14周，根據(jù)項目進展，可分為7個內(nèi)容逐步實施：第1-2周確定小組人員職位與項目計劃列表；第3-5周完成第一個項目計劃；第6-7周設(shè)計一套機械圖紙；第8周通過微控制器讀取傳感器；第9-11周完成圖形用戶界面、機械原型和Web演示；第12-13周演示PC程序控制下的分揀機；第14周撰寫實驗報告。

從表1和圖5所列出的項目設(shè)計的難易程度與學(xué)生收獲打分情況可以看出，在第12周前，隨著項目進度的推進，學(xué)生所體驗到的難度也在不斷增加，隨后又難度下降。課程設(shè)計難度與學(xué)生在課程中所收獲知識的感受是呈正比的。對于學(xué)生來說，要完成一個實際產(chǎn)品的完整設(shè)計過程，需要設(shè)計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維的共同作用，難度從容易到困難逐步提升，最后再下降，項目設(shè)計過程完善且合理。

表1 項目設(shè)計的難易程度與學(xué)生收獲打分情況

圖5 項目設(shè)計的難易程度與學(xué)生收獲打分情況

3 結(jié)語

“微控制系統(tǒng)項目設(shè)計”課程旨在建立與新工科專業(yè)教育有機互融的通信類專業(yè)工程綜合型課程新模式。該項目的設(shè)計思路滿足新工科背景下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐教學(xué)建設(shè)要求，能夠進一步提升畢業(yè)生的工程素養(yǎng)，增加人才競爭力。同時該課程也可以在電子信息類工科院校相關(guān)專業(yè)廣大推廣，對改進工科實驗教學(xué)的教學(xué)模式、評價方式和質(zhì)量監(jiān)督方式具有積極作用。