工程教育專業(yè)認(rèn)證下電子信息類綜合實(shí)踐教學(xué)改革

王軍芬，李明亮，宗佳泰

河北地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)更加重視培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和技術(shù)手段解決復(fù)雜工程問題的能力[1]。采用國際化標(biāo)準(zhǔn)各高校積極在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)中開展了很多有益的改革實(shí)踐。鄭紅偉等提出了植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實(shí)踐課程體系建設(shè)構(gòu)想，構(gòu)建了基于成果導(dǎo)向理念的實(shí)踐課程體系[2]；張進(jìn)等圍繞復(fù)雜工程問題的基本特征，對(duì)網(wǎng)絡(luò)專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)施過程進(jìn)行精心設(shè)計(jì)[3]；李擎等基于工程認(rèn)證持續(xù)改進(jìn)理念，搭建了自動(dòng)化專業(yè)的“云景”互動(dòng)實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)[4]；王進(jìn)峰等以解決復(fù)雜工程問題為核心設(shè)計(jì)了綜合性切削實(shí)驗(yàn)[5]。大量改革實(shí)踐表明，綜合實(shí)踐環(huán)境是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的有效途徑[6]。本文以電子技術(shù)實(shí)踐為例，基于復(fù)雜工程問題，依據(jù)工程認(rèn)證理念，設(shè)計(jì)和實(shí)施綜合實(shí)踐的教學(xué)與考核評(píng)價(jià)體系，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為工程教育背景下綜合實(shí)踐教學(xué)改革打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)思路

依據(jù)工程教育認(rèn)證的理念，即“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進(jìn)”，反觀電子技術(shù)實(shí)踐的教學(xué)，主要存在以下問題：(1)教學(xué)目標(biāo)籠統(tǒng)，不能有效支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)；(2)學(xué)生缺乏創(chuàng)新意識(shí)，綜合應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力較弱；(3)考核評(píng)價(jià)體系不完善，不能充分調(diào)動(dòng)考核評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的激勵(lì)作用。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中存在的問題，依據(jù)工程教育認(rèn)證理念，對(duì)電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革的設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 綜合實(shí)踐設(shè)計(jì)思路Fig.1 Comprehensive practical design ideas

(1)以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，設(shè)定教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況、目前綜合實(shí)踐教學(xué)中存在的問題、學(xué)情分析及實(shí)踐項(xiàng)目本身的邏輯關(guān)系，設(shè)定合理、明確的教學(xué)目標(biāo)。

(2)以解決復(fù)雜工程問題為核心，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

以解決復(fù)雜工程問題為核心，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，從綜合性、工程性、創(chuàng)新性出發(fā)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容。通過對(duì)科研或生產(chǎn)過程的真實(shí)模擬，以學(xué)生為中心，構(gòu)建教學(xué)情景和實(shí)施過程，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，提高綜合應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力。

(3)全過程監(jiān)控，評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況

針對(duì)不同的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)合理、有效的考核方式，從學(xué)生實(shí)踐態(tài)度、工程實(shí)踐能力、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等多個(gè)方面進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，構(gòu)建考核評(píng)價(jià)體系，充分調(diào)動(dòng)考核評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的激勵(lì)作用。分析考核數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況，根據(jù)反映出的問題，提出改進(jìn)措施，進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

2 實(shí)施過程

2.1 教學(xué)目標(biāo)

產(chǎn)出導(dǎo)向教育是指教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)實(shí)施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。電子技術(shù)實(shí)踐在電子信息類專業(yè)第4學(xué)期開設(shè)，為綜合性實(shí)踐課程，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁性課程，是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)開發(fā)能力、研究能力、形成邏輯思維方法等工程實(shí)踐能力重要階段。依據(jù)電子信息工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，電子技術(shù)實(shí)踐對(duì)畢業(yè)要求能力支撐情況如表1所示。結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、對(duì)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況、目前綜合實(shí)踐教學(xué)中存在的問題、學(xué)情分析及實(shí)踐項(xiàng)目本身的邏輯關(guān)系，設(shè)定如下教學(xué)目標(biāo)：(1)以團(tuán)隊(duì)的形式，完成實(shí)踐項(xiàng)目的構(gòu)思，提出可行性的設(shè)計(jì)方案，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、團(tuán)隊(duì)合作與創(chuàng)新精神；(2)運(yùn)用電路相關(guān)理論，進(jìn)行實(shí)踐項(xiàng)目的電路設(shè)計(jì)與實(shí)施，培養(yǎng)學(xué)生的工程研究與現(xiàn)代工具的使用能力；(3)總結(jié)歸納實(shí)踐項(xiàng)目，獨(dú)立撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力。

表1 電子技術(shù)實(shí)踐對(duì)畢業(yè)要求能力支撐度矩陣Table 1 Support matrix of electronic technology course design for graduation requirements

2.2 教學(xué)內(nèi)容

對(duì)于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)首先要理解什么是“復(fù)雜工程問題”。“復(fù)雜工程問題”是復(fù)雜的工程問題，而不是復(fù)雜工程的問題。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)在2022年7月15日最新發(fā)布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)“復(fù)雜工程問題”的定義如下：必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決的問題。同時(shí)具備表2所述特征的部分或全部[1]。

表2 “復(fù)雜工程問題”特征Table 2 Characteristics of "complex engineering problems"

必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決的問題是“復(fù)雜工程問題”的本質(zhì)；第a)到第f)條特征為“復(fù)雜工程問題”的表象[7-9]?；趯?duì)“復(fù)雜工程問題”的理解，綜合考慮設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目及內(nèi)容，以符合“復(fù)雜工程問題”的特征。該課程的實(shí)踐項(xiàng)目有籃球競(jìng)賽倒計(jì)時(shí)器、智力競(jìng)賽搶答器、數(shù)字頻率計(jì)等，學(xué)生可以根據(jù)興趣進(jìn)行選擇。教學(xué)內(nèi)容為：(1)方案設(shè)計(jì)，即根據(jù)實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，分析其功能需求，綜合考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并考慮項(xiàng)目實(shí)施對(duì)社會(huì)、環(huán)境等因素的影響；(2)原理設(shè)計(jì)，即根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行單元電路、整體電路原理設(shè)計(jì)、功能仿真測(cè)試、參數(shù)測(cè)定；(3)焊接調(diào)試，即根據(jù)電路原理、實(shí)驗(yàn)板大小等進(jìn)行元器件布局、電路的焊接與調(diào)試，記錄實(shí)施過程，收集相關(guān)數(shù)據(jù)；(4)撰寫報(bào)告，即對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行分析總結(jié)，根據(jù)分析的結(jié)果提出優(yōu)化與改進(jìn)措施，并按照設(shè)計(jì)報(bào)告要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。

學(xué)生完成綜合實(shí)踐的過程中，需要運(yùn)用深入的工程原理，通過查閱資料、需求分析，并考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并建立合適的原理模型；需要綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將“復(fù)雜工程問題”從抽象問題建模為具體的電路模型；實(shí)踐項(xiàng)目及內(nèi)容具有較高的綜合性，包含相互關(guān)聯(lián)的多個(gè)子問題，學(xué)生需要利用電路仿真軟件，快速搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行單元電路、整體電路的設(shè)計(jì)、功能測(cè)試與參數(shù)測(cè)定。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)具備“復(fù)雜工程問題”的本質(zhì)特征，又很符合“復(fù)雜工程問題”特征a)、b)、e)、f)，如表3所示。

表3 教學(xué)內(nèi)容“復(fù)雜工程問題”特征分析Table 3 Characteristics analysis of "complex engineering problems" in teaching contents

2.3 教學(xué)實(shí)施

圖2為電子技術(shù)實(shí)踐的實(shí)施方案。實(shí)施過程以學(xué)生為中心，按照電子產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)周期來創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，包括項(xiàng)目構(gòu)思、項(xiàng)目設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施和項(xiàng)目改進(jìn)四個(gè)階段，以培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，自由選擇實(shí)踐項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生組隊(duì)完成綜合實(shí)踐。下面以“籃球競(jìng)賽倒計(jì)時(shí)器”為例，說明具體的實(shí)施過程。

圖2 電子技術(shù)實(shí)踐實(shí)施方案Fig.2 Implementation scheme of electronic technology practice

(1)項(xiàng)目構(gòu)思

學(xué)生選定項(xiàng)目后，根據(jù)項(xiàng)目要求進(jìn)行需求分析，查閱文獻(xiàn)資料，按照模塊化思想進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)與選擇?；@球競(jìng)賽倒計(jì)時(shí)器題目確定后，學(xué)生分別需要查找籃球競(jìng)賽相關(guān)規(guī)則，理解倒計(jì)時(shí)器應(yīng)用場(chǎng)景，分析其功能需求，查閱組成倒計(jì)時(shí)器的基礎(chǔ)資料，包括秒脈沖生成電路、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路等；然后組內(nèi)進(jìn)行討論、綜合考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與選定，并同時(shí)考慮項(xiàng)目實(shí)施對(duì)社會(huì)、環(huán)境等因素的影響。最后學(xué)生制作方案設(shè)計(jì)PPT，進(jìn)行匯報(bào)答辯，主要包括功能需求、方案設(shè)計(jì)、芯片選擇等，由教師團(tuán)隊(duì)對(duì)方案進(jìn)行論證。在此過程中學(xué)生自主學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作展開討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)，理解分析復(fù)雜工程問題并提出解決方案的能力。

(2)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案通過后，學(xué)生進(jìn)行籃球競(jìng)賽倒計(jì)時(shí)器原理電路的設(shè)計(jì)，利用Multisim進(jìn)行秒脈沖生成電路、計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路等單元電路仿真與參數(shù)測(cè)定，然后整合為倒計(jì)時(shí)器原理電路。最后學(xué)生進(jìn)行原理講解與功能演示，由教師團(tuán)隊(duì)對(duì)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行審核，確保設(shè)計(jì)正確合理。在此過程中學(xué)生自主設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新意識(shí)。

(3)項(xiàng)目實(shí)施

學(xué)生分工合作，統(tǒng)計(jì)元器件，列出元器件清單，根據(jù)電路原理圖、實(shí)驗(yàn)板尺寸，進(jìn)行元器件布局、焊接，利用電子技術(shù)實(shí)踐平臺(tái)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試與測(cè)量；記錄實(shí)施過程，尤其是實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題及解決方法，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，錄制驗(yàn)收視頻，進(jìn)行電路講解、功能演示。在此過程中，學(xué)生自主實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力和解決問題的能力。

(4)項(xiàng)目改進(jìn)

分析實(shí)踐收據(jù)，根據(jù)分析的結(jié)果提出進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)方向；對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)行匯報(bào)總結(jié)，按要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，并分析項(xiàng)目的實(shí)踐對(duì)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展造成的影響；制作PPT進(jìn)行匯報(bào)答辯。在此過程中，學(xué)生獨(dú)立思考、歸納總結(jié)，正確表達(dá)自己的觀點(diǎn)和工作成果，培養(yǎng)學(xué)生溝通表達(dá)能力。

2.4 考核評(píng)價(jià)

對(duì)學(xué)習(xí)效果及時(shí)評(píng)價(jià)與反饋是教學(xué)中非常重要的一環(huán)，為教與學(xué)的持續(xù)改進(jìn)提供重要依據(jù)。依據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)機(jī)制，并貫穿項(xiàng)目實(shí)施的全過程，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和項(xiàng)目實(shí)施階段的內(nèi)容，設(shè)計(jì)了評(píng)價(jià)載體和評(píng)價(jià)方式，如圖2所示。評(píng)價(jià)主體由教師、學(xué)生以及助教組成，注重學(xué)生的自我評(píng)價(jià)和互相評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目的參與度、對(duì)實(shí)踐項(xiàng)目的貢獻(xiàn)度、實(shí)施過程中處理問題的態(tài)度，運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與解決問題的能力、工程研究與現(xiàn)代工具使用的能力，溝通交流、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新意識(shí)等多個(gè)方面評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)過程中，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)，注重形成性評(píng)價(jià)，多維度評(píng)價(jià)，項(xiàng)目實(shí)踐的四個(gè)階段有各自的權(quán)重，且不同的評(píng)價(jià)方式和評(píng)價(jià)內(nèi)容也有各自的比例系數(shù)，可動(dòng)態(tài)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，科學(xué)考核學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)論

從工程教育認(rèn)證理念出發(fā)，改革了傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，以產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，以解決復(fù)雜工程問題為核心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心實(shí)施教學(xué)過程，全過程監(jiān)控采集評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，很好的發(fā)揮了學(xué)生在綜合實(shí)踐中的主觀能動(dòng)性，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)、工程研究、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通交流以及現(xiàn)代工具的使用能力。為了達(dá)到更好教與學(xué)的效果，更好的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況評(píng)價(jià)，綜合實(shí)踐項(xiàng)目還將在教學(xué)實(shí)踐中持續(xù)更新和改進(jìn)。