電子設(shè)計(jì)類課程工程化教學(xué)模式的實(shí)踐

張德鳳 劉學(xué)觀 周鳴籟 楊歆汨 鄒 瑋

(蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院， 蘇州 215006)

電子信息類專業(yè)面向高年級(jí)學(xué)生通常會(huì)開設(shè)電子綜合設(shè)計(jì)類課程以提升學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，但如何做好課程的頂層設(shè)計(jì)并有效實(shí)施，一直是近年來學(xué)者們的研究重點(diǎn)[1-2]。以教學(xué)成效為導(dǎo)向的工程教育理念為設(shè)計(jì)規(guī)劃實(shí)施課程改革指明了方向[3-4]。以學(xué)生為中心，面向全體學(xué)生的培養(yǎng)，并根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)置合理的課程體系，細(xì)化課程的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)策略，以持續(xù)改進(jìn)的態(tài)度，不斷提升課程教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，最終達(dá)到提升專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成度的目的。由此構(gòu)成了工程教育的閉環(huán)運(yùn)行如圖1所示。其中，課程教學(xué)是工程認(rèn)證的基礎(chǔ)，抓好每一門開設(shè)的課程是專業(yè)建設(shè)的關(guān)鍵。

蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院通信工程專業(yè)一直十分注重工程教育專業(yè)認(rèn)證理念的落實(shí)，積極探索課程體系合理化布局，認(rèn)真梳理每一門核心課程，明確教學(xué)目標(biāo)，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，使其更加契合工程教育理念，并取得了良好的成效。從2016年工程教育認(rèn)證專家組首次入校考察到2019年二次入?？疾欤半娮酉到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程均得到了入校專家的認(rèn)可。

圖1 工程教育的閉環(huán)運(yùn)行

“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”是一門重要的專業(yè)實(shí)踐類課程，經(jīng)過四年來認(rèn)真體會(huì)“面向工程、面向未來、面向社會(huì)”的工程教育理念，思考學(xué)生的技術(shù)與非技術(shù)能力同步培養(yǎng)策略，分析課程特點(diǎn)，做好頂層設(shè)計(jì)，2016年提出了“目標(biāo)導(dǎo)向、一主多輔”教學(xué)模式，并在實(shí)踐中不斷完善，圍繞選題如何體現(xiàn)面向工程、教學(xué)過程如何有效組織、課程考核如何合理全面等基本問題，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等全面規(guī)劃，最終形成了“目標(biāo)驅(qū)動(dòng)、一主多輔、縱橫組隊(duì)、綜合考量”的教學(xué)新模式。

1 工程化教學(xué)模式的改革與實(shí)施

“華盛頓協(xié)議”中本科工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是基于產(chǎn)出導(dǎo)向的教育模式，即通過確立清晰明確的學(xué)習(xí)成果來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[5]。對(duì)于實(shí)踐教學(xué)來說，基于產(chǎn)出導(dǎo)向的最有效的教學(xué)模式之一——“項(xiàng)目式教學(xué)”，因其目標(biāo)明確、組織形式靈活、利于提升學(xué)生綜合能力等特點(diǎn)依然是實(shí)踐教學(xué)的主流模式[6]。對(duì)于如何有效地實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)法，許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究與探索[7-8]，綜合學(xué)者們的大量研究成果及我院教師多年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了四個(gè)實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)的關(guān)鍵要素：①教案的設(shè)計(jì)。其核心是課題來源，只有來源于工程才具有實(shí)際意義，但又不能照搬工程要求，否則可能導(dǎo)致部分學(xué)生因無法完成而失去學(xué)習(xí)積極性。②專業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)。完成項(xiàng)目所需技術(shù)覆蓋面較廣，而“術(shù)業(yè)有專攻”，每個(gè)老師所“?！钡念I(lǐng)域不盡相同，因此依據(jù)項(xiàng)目實(shí)施需要建立一支分工明確的專業(yè)化的教師團(tuán)隊(duì)。③教與學(xué)的角色分工。不能僅僅強(qiáng)調(diào)如何改革“教”的問題，而忽略了“學(xué)”的因素，教學(xué)過程應(yīng)以學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，通過引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立地分析、探索、實(shí)踐、質(zhì)疑、創(chuàng)造來實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。④考核的方式?？己藨?yīng)是驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)成果的最直觀體現(xiàn)，但由于項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施過程較為開放，難免會(huì)出現(xiàn)有些學(xué)生代做、抄襲等現(xiàn)象，因此如何設(shè)置行之有效的考核方法一直是項(xiàng)目式教學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。

綜合以上分析，以“電子綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程為試點(diǎn)，從課題的選題到最終的考核方式進(jìn)行全面的教學(xué)改革，并形成了“目標(biāo)驅(qū)動(dòng)、一主多輔、縱橫組隊(duì)、綜合考量”的教學(xué)模式如圖2所示。

圖2 目標(biāo)為中心的教學(xué)模式

1.1 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)是學(xué)生根據(jù)教師制定的教學(xué)目標(biāo)，利用各種學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行自主的探究和嘗試。教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生制定問題解決的思路、步驟和方法，讓學(xué)生邊學(xué)習(xí)邊動(dòng)手，從而提升學(xué)生的綜合能力[9]。為了完成課程教學(xué)目標(biāo)，曾經(jīng)嘗試了不同的課程選題方式。2015年采用“自由選題”，學(xué)生可選范圍廣，可基于興趣選題或者根據(jù)自身?xiàng)l件選擇難易程度，該方法優(yōu)點(diǎn)是選題靈活，可以兼顧所有學(xué)生，但因選題難度的不一，工作量的不同，導(dǎo)致評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較難統(tǒng)一。為此，2017年改為“基本要求+自由選題”，學(xué)生必須完成規(guī)定的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，再根據(jù)自身實(shí)際能力自由選擇提高項(xiàng)目部分。該方法強(qiáng)化了所有學(xué)生的專業(yè)基本能力，且對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)有提高的空間。但由于此次課題的設(shè)計(jì)是分基本要求部分和自由選題部分兩個(gè)階段進(jìn)行，大部分學(xué)生的課題這兩部分幾乎沒有關(guān)聯(lián)。而且因課時(shí)限制，兩部分課題都相對(duì)較為簡單，無法達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。經(jīng)過前兩年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)積累，2018年，采取了“基本要求+命題”的形式。給定設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出必須完成的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上按照要求聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)揮想象和專業(yè)技能，提出創(chuàng)新。以“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程為例，將一個(gè)企業(yè)用于種植大棚環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)際工程項(xiàng)目，綜合學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力、成本、工作量、學(xué)校條件等問題，最終簡化為基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由太陽能電池管理模塊、CPU模塊、無線傳輸模塊、傳感器(光照、溫度、濕度)模塊組成。學(xué)生設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮給定的功能指標(biāo)、成本、功耗、外觀及結(jié)構(gòu)合理性等多方面因素。設(shè)計(jì)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段為功能部件設(shè)計(jì)，包括傳感器電路設(shè)計(jì)、太陽能供電電路設(shè)計(jì)和無線傳輸電路設(shè)計(jì)三個(gè)子課題；第二階段，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，在第一階段的基礎(chǔ)上，聯(lián)合設(shè)計(jì)調(diào)試，最終形成作品。該項(xiàng)目以電子系統(tǒng)作品為導(dǎo)向，運(yùn)用學(xué)生所學(xué)多學(xué)科的基本原理，綜合傳感、信息處理、信息傳輸、電源管理以及仿真等技術(shù)，通過調(diào)研確定設(shè)計(jì)方案并合理選用現(xiàn)代工具，通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、原理樣機(jī)制作，由此全面提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

1.2 一主多輔

在項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)施過程中，教師作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，需要在引導(dǎo)學(xué)生，提供課題解決思路的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充、修正和加深每個(gè)學(xué)生對(duì)當(dāng)前問題的解決方案。為了在項(xiàng)目的每一步實(shí)施過程(硬件電路的搭建、制版到軟件仿真等)中都能有專業(yè)的指導(dǎo)，建立了一支專業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)，在教學(xué)過程中采取“一主多輔”聯(lián)合指導(dǎo)，形成多名指導(dǎo)教師分工協(xié)作方式指導(dǎo)的新模式，團(tuán)隊(duì)由課程負(fù)責(zé)人、硬件電路設(shè)計(jì)責(zé)任指導(dǎo)教師、軟件設(shè)計(jì)責(zé)任指導(dǎo)教師、仿真設(shè)計(jì)責(zé)任指導(dǎo)教師、研究生助教等多人組成。在課程負(fù)責(zé)人的主導(dǎo)下，全體教學(xué)團(tuán)隊(duì)成員分工協(xié)作，指導(dǎo)學(xué)生的作品設(shè)計(jì)與調(diào)試。在分階段，以相關(guān)責(zé)任教師為主，其他教師為輔，完成階段任務(wù)的實(shí)施。在課程實(shí)施過程中，增派一名研究生助教，輔助教師與學(xué)生完成問題匯總、資料整理、器件購買等日常工作，并在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間，負(fù)責(zé)學(xué)生及實(shí)驗(yàn)室的安全事宜。聘請(qǐng)的企業(yè)專家有豐富的項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生在項(xiàng)目的技術(shù)性文檔、項(xiàng)目說明書等的規(guī)范化撰寫方面可以提供專業(yè)性的意見。

1.3 縱橫組隊(duì)

團(tuán)隊(duì)合作不僅能夠在一定程度上提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，而且可以有效提升設(shè)計(jì)效率和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，也為復(fù)雜工程問題的團(tuán)隊(duì)協(xié)作提供有效訓(xùn)練，提升學(xué)生的工程意識(shí)[10-11]。為提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，目前很多課程在實(shí)施過程中都會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組[12]。分組的方式一般有學(xué)生自由組合和指定分組兩種方式。在以往的教學(xué)過程中，兩種方式都曾進(jìn)行過嘗試與研究：自由組合方式學(xué)生選擇余地大，不易產(chǎn)生矛盾，但會(huì)造成組與組之間能力差距較大，最終導(dǎo)致有些分組無法完成整個(gè)工程而導(dǎo)致無法全部完成教學(xué)目標(biāo)。指定分組可以較好地解決分組不平衡問題，但可能因同組的成員之間的溝通問題而導(dǎo)致系統(tǒng)聯(lián)調(diào)出現(xiàn)問題時(shí)不能得到及時(shí)解決。經(jīng)過幾年的分析總結(jié)，提出了“縱橫組隊(duì)”的新模式。以項(xiàng)目“基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)”為例，設(shè)計(jì)采用兩階段進(jìn)行，第一階段為縱向分組，組內(nèi)成員采取自由組合方式，主要進(jìn)行功能部件設(shè)計(jì)，包括傳感器電路設(shè)計(jì)、太陽能供電電路設(shè)計(jì)和無線傳輸電路設(shè)計(jì)，根據(jù)這三部分功能部件將學(xué)生分為三個(gè)子課題組，每個(gè)學(xué)生承擔(dān)一個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)并完成要求的電路方案設(shè)計(jì)、電路版圖設(shè)計(jì)及作品調(diào)試，并提交階段工作報(bào)告。組內(nèi)成員可以在需求分析的基礎(chǔ)上，查詢資料，通過集中討論形成設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)方案應(yīng)包括模塊功能、構(gòu)成、性能指標(biāo)、預(yù)算等。

第二階段橫向分組，指定每三人一組(可根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況微調(diào))，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，將在第一階段的基礎(chǔ)上，組隊(duì)聯(lián)合三個(gè)子模塊，討論系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)子模塊之間的接口與性能指標(biāo)、團(tuán)隊(duì)分工、計(jì)劃進(jìn)度等內(nèi)容，最終形成系統(tǒng)成品?！翱v橫組隊(duì)”分組管理方式如表1所示?？v橫組中均設(shè)立組長，負(fù)責(zé)整個(gè)分組中的協(xié)調(diào)工作。

表1 “縱橫分組”協(xié)作模式

1.4 綜合考量

多樣化的考核方式是本課程教學(xué)模式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，很好地解決了考核方式單一、重知識(shí)輕能力等缺點(diǎn)。在教學(xué)過程中教師組將設(shè)置各考核檢查環(huán)節(jié)，以定時(shí)指導(dǎo)、集中檢查、分工協(xié)作的指導(dǎo)模式，確保教學(xué)任務(wù)的完成。課程考核主要有教師評(píng)價(jià)與學(xué)生評(píng)價(jià)兩部分。

1)教師評(píng)價(jià)

總評(píng)教師評(píng)價(jià)為主，聯(lián)合了四種考核方式按照比例進(jìn)行最終評(píng)價(jià)。主要包括：版圖設(shè)計(jì)能力現(xiàn)場考核、部件設(shè)計(jì)與調(diào)試考核、射頻專題考核、綜合設(shè)計(jì)考核。其中，電路版圖設(shè)計(jì)和射頻技術(shù)仿真設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)，是為了強(qiáng)化學(xué)生的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能力。課程開始前的上個(gè)學(xué)期末，對(duì)學(xué)生進(jìn)行總動(dòng)員，并進(jìn)行基礎(chǔ)能力的培訓(xùn)，要求學(xué)生利用假期通過完成指定任務(wù)掌握基本能力，并在開學(xué)兩周內(nèi)分別進(jìn)行現(xiàn)場考核。部件設(shè)計(jì)與調(diào)試考核主要針對(duì)第一階段的功能部件設(shè)計(jì)，根據(jù)給定的性能指標(biāo)，學(xué)生的方案設(shè)計(jì)過程、焊接、調(diào)試完成的情況。綜合設(shè)計(jì)能力是以橫向分組為單位進(jìn)行的考核。主要包含各組的系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告、完成情況、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、項(xiàng)目管理，并在課程結(jié)束時(shí)各團(tuán)隊(duì)進(jìn)行系統(tǒng)的展示和匯報(bào)。

2)學(xué)生評(píng)價(jià)

總評(píng)以學(xué)生評(píng)價(jià)為輔，包括學(xué)生自評(píng)、小組成員內(nèi)部互評(píng)、班級(jí)小組之間互評(píng)三種。學(xué)生自評(píng)是指在課程結(jié)束時(shí)，學(xué)生對(duì)自己在整個(gè)課程實(shí)施過程中的表現(xiàn)及學(xué)習(xí)效果、收獲等進(jìn)行評(píng)價(jià)與反思，以便在今后的學(xué)習(xí)中能有所提高。小組成員內(nèi)部互評(píng)是指橫向小組之間就每個(gè)成員的學(xué)習(xí)成果、對(duì)團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)及與小組成員內(nèi)部之間的合作情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)小組成員之間的互相監(jiān)督。班級(jí)小組之間互評(píng)是根據(jù)每組的系統(tǒng)完成情況、匯報(bào)情況及縱向分組期間每個(gè)成員的表現(xiàn)情況，對(duì)每個(gè)小組的評(píng)價(jià)。除了學(xué)生自評(píng)，其余均采用匿名形式進(jìn)行，教師團(tuán)隊(duì)對(duì)學(xué)生的有效打分進(jìn)行整理，用于輔助每個(gè)學(xué)生的總體評(píng)價(jià)。

2 取得的成果

為了能全面地了解本次課改模式的效果，采取了多種評(píng)價(jià)機(jī)制。

2.1 學(xué)生評(píng)價(jià)

課改的終極目標(biāo)是提高學(xué)生的綜合能力，學(xué)生是課程實(shí)施過程中的直接體驗(yàn)者，其評(píng)價(jià)最具說服力。從課題的選擇、課程的組織形式及考核方式等多個(gè)方面進(jìn)行了滿意度綜合調(diào)查，根據(jù)18年學(xué)生匿名調(diào)查統(tǒng)計(jì)，約90%的學(xué)生認(rèn)為課程的組織形式讓他們的綜合能力得到很大提升，在考核方式方面，超過90%的學(xué)生對(duì)課程的多樣化考核方式持肯定態(tài)度。

2.2 教師評(píng)價(jià)

電子綜合設(shè)計(jì)類課程需要培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，所以在傳統(tǒng)的課程形式中，教師的備課任務(wù)較為繁重，進(jìn)行課改之后，根據(jù)17年和18年課程組的教師的反饋來看，所有教師一致認(rèn)為課程的組織形式既有利于學(xué)生能力的培養(yǎng)，又能讓教師各自發(fā)揮所長，從以往電子綜合設(shè)計(jì)類課程的繁重備課、上課及大量試卷批改中解放出來，達(dá)到雙贏的效果。

2.3 校外專家評(píng)價(jià)

在2016年，工程教育認(rèn)證入校考查時(shí)，專家組長——中國科技大學(xué)衛(wèi)國教授對(duì)該課程的教學(xué)改革模式作了充分的肯定；

2017年教師團(tuán)隊(duì)的課程負(fù)責(zé)人在第五屆全國高校電子信息類課程“系統(tǒng)方法”教學(xué)研討會(huì)大會(huì)報(bào)告并介紹“雙導(dǎo)學(xué)”機(jī)制——“一主多輔”教學(xué)模式，得到了專家的一致認(rèn)同。

2019年，本課程在第六屆“鼎陽杯”全國電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競賽中獲得“一等獎(jiǎng)”和“最佳工程獎(jiǎng)”，并在競賽期間得到很多一線教師的關(guān)注。

3 結(jié)語

經(jīng)過四年的探索，形成了“目標(biāo)驅(qū)動(dòng)、一主多輔、縱橫組隊(duì)、綜合考量”的教學(xué)模式，并取得了一定的成效，為該類課程的開設(shè)提供了參考。“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程最大特色是課題來自于實(shí)際工程項(xiàng)目需求，強(qiáng)化技術(shù)能力的同時(shí)注重成本核算、團(tuán)隊(duì)合作等非技術(shù)能力的培養(yǎng)，并實(shí)現(xiàn)了“三個(gè)轉(zhuǎn)變”：教學(xué)方法以半開放的模式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課堂的轉(zhuǎn)變；以時(shí)間節(jié)點(diǎn)和分類考核促使學(xué)習(xí)方法轉(zhuǎn)變；以“引導(dǎo)、指導(dǎo)、督導(dǎo)”模式實(shí)現(xiàn)教師工作的轉(zhuǎn)變。

三輪教學(xué)實(shí)踐積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)諸如課題如何每年更新、縱橫組隊(duì)如何更加合理、如何使前后兩階段任務(wù)分解更加規(guī)范、考核如何更加標(biāo)準(zhǔn)化等值得進(jìn)一步關(guān)注的問題，也期待更多的同行分享其成果。