面向解決復雜工程問題的電子信息類專業(yè)實踐教學改革與實踐

劉忠富，李厚杰，石立新，施 展，陳宏巍

（大連民族大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600）

目前，隨著我國對應用型人才和創(chuàng)新性人才的需求不斷增加，“有效提高工科類本科學生解決復雜工程問題的能力和創(chuàng)新能力”已成為應用型高校面臨的重要問題。近年來，教育部開展了工程教育認證、新工科建設、一流專業(yè)建設等多項工程教育實踐改革，都重點強調培養(yǎng)學生解決工程實際問題的能力。

在電子信息類專業(yè)新工科建設、一流專業(yè)建設中，以工程教育專業(yè)認證為重要著手點，對于加快推進各類工程教育實踐改革和提高人才實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)有重要的意義。

工程教育認證對本科學生畢業(yè)時提出了12條畢業(yè)要求，畢業(yè)要求分別從學生畢業(yè)時應掌握的專業(yè)知識、應達到的綜合能力、應具備的綜合素養(yǎng)做出了規(guī)定。12條畢業(yè)要求中有8條是與解決復雜工程問題相關聯，圖1是8條畢業(yè)要求之間的遞進關系。圖1中，圓圈內層的5條分別為工程知識、現代工具使用技術、問題分析能力、系統(tǒng)設計/開發(fā)能力、研究能力。這5條畢業(yè)要求在考核能力要求上逐步遞進，共同組成了解決復雜工程問題的核心要求。圓圈外層的3條分別為社會責任意識、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展意識、溝通交流能力，構成解決復雜工程問題的綜合素質要求，內層和外層能力相互配合，共同完成專業(yè)面向復雜工程問題的解決[1]。

圖1 解決復雜工程問題的畢業(yè)要求遞進關系示意圖

根據工程教育認證的標準，通過工程教育認證要明確并掌握本專業(yè)的“復雜工程問題”的內涵，在教學體系構建及教學過程實施中要融入“復雜工程問題”，提高學生解決復雜工程問題的能力。

大連民族大學（以下簡稱“我?！保╇娮有畔㈩悓I(yè)自開辦以來，緊緊圍繞“應用為主、服務民族”的辦學理念，始終致力于培養(yǎng)各民族高素質應用型電子信息類人才，強化對學生綜合素質和工程實踐能力的培養(yǎng)。經過多年的建設，形成一套相對完整的教學體系，取得不少的成績。就專業(yè)認證對能力的要求而言，目前課程體系相對比較完整，而實踐教學體系未能完全體現成果導向，各實踐環(huán)節(jié)教學目標與所支撐的畢業(yè)要求指標點關聯度不夠緊密，針對提升復雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)項目偏少，實踐環(huán)節(jié)課程缺乏形成性評價，未能與學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結合。實踐教學改革與實施質量在一流專業(yè)建設中還需要不斷的提升。

國內學者們對工程教育改革及如何提高本科學生解決復雜工程問題能力提出自己的看法。杜威提出“從做中學”的教學模式，在做中學，在學中做，促使學生思考，從而學到知識。燕山大學胡正平等[2]認為提高學生解決工程問題能力的關鍵在于畢業(yè)設計。大連理工大學李志義[3]提出基于成果導向教育的高等工程教育教學改革，著力實現以學生為中心，以持續(xù)改進實現理論和實踐環(huán)節(jié)教學改革。胡正平等[4]認為工科教學中提高解決復雜工程問題能力的重要途徑是采用三級項目。夏秀峰等[5]提出一種以復雜工程問題為牽引的校企協(xié)同育人機制，詳細論述了校企協(xié)同育人機制的諸多關鍵問題，提出了相應的解決方案。

本文剖析了專業(yè)的復雜工程問題內涵，提出了以面向復雜工程問題能力培養(yǎng)的多層次實踐教學培養(yǎng)體系，并在不同實踐環(huán)節(jié)中規(guī)劃了相應的復雜工程項目，合理設置項目內容要求，引入多樣化實踐教學形成性能力考核評價標準，逐步提高電子信息類專業(yè)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

一 電子信息類專業(yè)復雜工程問題的界定

根據復雜工程問題特征[6]，結合學校辦學定位、專業(yè)特色及人才培養(yǎng)要求，剖析并確定了電子信息類專業(yè)的復雜工程問題的7個特征。

特征1：能夠運用電子信息類專業(yè)相關的信息檢測、信息處理、信息傳輸、信息存儲等多學科知識分析、解決復雜工程問題。

特征2：問題的解決要能夠綜合考慮電子信息相關的技術、工程等各方面的矛盾和沖突。

特征3：解決電子信息類專業(yè)復雜工程問題必須通過對信息、通信系統(tǒng)進行建模，要突出解決問題的創(chuàng)新性。

特征4：復雜工程問題的解決要依托電子技術、信息、通信及新一代信息技術等多學科技術、方法和手段的綜合應用。

特征5：復雜工程問題中涉及到因素包括工程倫理、生態(tài)安全、經濟發(fā)展等，已有標準、規(guī)范不能完全解決。

特征6：復雜工程問題涉及到不同的利益訴求，要重視并具備協(xié)調處理各方不同的利益訴求。

特征7：復雜工程問題要以實現整體目標要求為出發(fā)點處理好局部之間的關系[7]。

電子信息類專業(yè)實踐教學環(huán)節(jié)包括各類實習、課程設計、畢業(yè)設計等。目前，校內課程設計多側重于知識而非工程；各類實習中學生也大多是走馬觀花，培養(yǎng)學生對復雜工程解決能力所能達到的層次較低。另外，畢業(yè)設計內容及實施過程與復雜工程問題解決能力培養(yǎng)要求差距也較大。

綜上所述，目前電子信息類專業(yè)實踐教學中融入復雜工程問題，并在不同的實踐環(huán)節(jié)中有效實施，對于專業(yè)認證和一流專業(yè)建設具有重要的意義。

二 實踐教學改革與探索

（一）多層次實踐教學培養(yǎng)體系的構建

我校電子信息類專業(yè)實驗實踐類課程在第2到第8學期開設，針對面向解決復雜工程問題的需求，基于成果導向原則，構建了“四年不斷線、多層次一體化”實踐教學培養(yǎng)體系，如圖2所示。

圖2 實踐教學體系架構圖

按照學生畢業(yè)應掌握的能力目標遞進分解，一體化設計電子信息類專業(yè)多層次實踐教學體系。第一層次為各類專業(yè)基礎課程及專業(yè)課程實驗，貫穿到第1學年到第3學年，通過綜合性實驗的設計實施，提升學生知識應用能力、現代工具的使用能力、方案設計能力及研究設計能力，為解決復雜工程問題提供一定的基礎準備；第二層次為工程認知實習、校內實訓、電子技術課程設計，通過產學融合的育人模式，共建實習基地和校內實訓基地，提升學生工程素養(yǎng)、團隊合作，跨學科知識應用能力，在這一階段可以解決相對簡單的復雜工程問題；第三層次包括生產實習、電子信息工程建模與仿真、單片機系統(tǒng)課程設計、各類創(chuàng)新競賽等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生工程創(chuàng)新能力、分析能力、系統(tǒng)設計能力、溝通能力，解決較復雜工程問題；第四個層次為新一代信息技術工程實踐、畢業(yè)設計，把新工科背景下的人工智能、智能控制、機器人技術等新一代技術融入傳統(tǒng)的實踐教學內容中，培養(yǎng)學生的文獻綜述能力、工程能力、工程素養(yǎng)和解決實際問題的能力。

按照實踐教學體系3個層面，重組實踐教學內容，合理安排不同類型實驗比例，加強綜合性、設計性和創(chuàng)新性實驗，按照從簡單到復雜，從小規(guī)模到大規(guī)模，循序漸進的復雜工程問題規(guī)律。

工程認知實習引入了圖形化編程的智能車項目（圖3），以3～5個同學為一個團隊，對復雜工程項目的技術和非技術因素形成初步的認知；同時，與企業(yè)共同舉辦智能車競賽，使全體學生都參與到創(chuàng)新比賽。

圖3 圖形化編程的智能車項目

電子工藝實習引入超外差收音機虛擬仿真平臺，如圖4所示，建設了校內虛擬仿真網站，實現電子工藝實習的虛實結合的新的方式。

圖4 超外差收音機虛擬仿真平臺

單片機課程設計、專業(yè)綜合實踐課程設計以2～3名同學為一個團隊，利用一學期的時間，完成一個復雜系統(tǒng)設計。課程從資料查閱、方案設計、方案論證、硬件制板、軟件實現、驗證測試、系統(tǒng)調試、課程設計報告撰寫、實物驗收、答辯等多方面對學生進行訓練。通過課程設計的實施，學生對復雜工程項目有了深刻的認識。

面向新一代信息技術，設置不同的實習方向，生產實習按照電子產品設計與生產方向、物聯網系統(tǒng)軟件開發(fā)方向、智能硬件系統(tǒng)設計方向、通信網絡搭建與測試、人工智能應用等不同的方向，依托不同的企業(yè)完成。將復雜工程項目、企業(yè)實習、就業(yè)實習一體化。

（二）基于復雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)實施

以“閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)”“智能車控制系統(tǒng)”等工程項目為依托，重新設計集中性實踐環(huán)節(jié)內容，有效地促使學生掌握深入工程原理，結合工程實際，在技術及非技術能力上得到訓練。

基于復雜工程問題，對實踐環(huán)節(jié)教學組織、實施、重新規(guī)劃。

以單片機系統(tǒng)課程設計中“閉環(huán)電機控制系統(tǒng)綜合”項目為例，說明基于“復雜工程問題”實踐環(huán)節(jié)綜合項目教學實施進程圖，如圖5所示。項目內容圍繞單片機控制直流電機，涉及到傳感器技術、電子技術、單片機技術、無線通信技術、PID控制技術等多學科綜合知識，考核學生的知識應用能力、問題分析能力、設計與開發(fā)能力、使用現代工具能力、團隊合作能力、交流溝通能力、終生學習能力等綜合能力。

圖5 閉環(huán)電機控制系統(tǒng)綜合項目教學實施圖

在項目完成過程中，學生自行組建團隊，根據課題的技術指標要求，通過資料檢索，設計系統(tǒng)軟硬件方案，設計系統(tǒng)硬件電路、完成系統(tǒng)下位機軟件、上位機軟件開發(fā)、對搭建的系統(tǒng)進行測試，對測試數據進行處理。通過實踐環(huán)節(jié)的設計，學生在技術和非技術方面得到訓練，完成一個復雜工程問題[8]。

單片機課程設計結束后舉辦面向全體學生的電子系統(tǒng)設計競賽，以課賽結合的實踐環(huán)節(jié)課程聯動貫穿于整個科技競賽活動中，探索以各類不同層次的科技競賽為載體、面向全體學生的工程實踐創(chuàng)新能力提升路徑。

（三）基于OBE模式的實踐環(huán)節(jié)多元化教學評價機制

面向解決復雜工程問題的實踐環(huán)節(jié)，以OBE成果導向理念為基礎，評價過程采用形成性評價機制[9-10]。

將“復雜工程問題”分解到不同的畢業(yè)要求指標點中，在各類實驗、實踐教學環(huán)節(jié)中，建立畢業(yè)要求與實踐課程體系的對應關系，重新修訂實踐環(huán)節(jié)課程大綱，建立實踐環(huán)節(jié)考核標準。

表1為單片機系統(tǒng)課程設計課程目標2的考核標準，課程目標2從日?？己恕④浻布炇湛己?、課程設計報告考核、答辯考核4個方面進行評價，分別給出了課程目標2的優(yōu)秀、良好、中等、及格與不及格的評分標準。

表1 單片機系統(tǒng)課程設計課程目標2考核評分標準

三 結束語

本文以我校電子信息類專業(yè)為例，提出了以面向復雜工程問題能力培養(yǎng)的多層次實踐教學培養(yǎng)體系，設計了復雜工程項目，并在多個實踐環(huán)節(jié)中實施并取得較好的教學效果。近三年來，學生參與大創(chuàng)項目190余項，在國內學科競賽中獲得國家級獎項200余項，學生發(fā)表論文30余篇，學生的實踐能力在各環(huán)節(jié)中逐步得到提升，電子信息工程專業(yè)2020年獲批國家級一流本科專業(yè)建設點。

本文提出的實踐教學體系對于提高學生解決復雜工程問題的實踐能力發(fā)揮了重要的作用，為培養(yǎng)學生綜合運用專業(yè)知識解決電子信息類專業(yè)“復雜工程問題”的能力提供了新思路。