強(qiáng)化工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的微機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳國(guó)定, 楊東勇, 陳 朋

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 杭州 310023)

強(qiáng)化工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的微機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

陳國(guó)定, 楊東勇, 陳 朋

(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院, 杭州 310023)

微機(jī)類課程是電氣信息類專業(yè)重要的支柱課程之一, 我校自動(dòng)化專業(yè)在注重學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法(即三基)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上, 落實(shí)產(chǎn)出導(dǎo)向(OBE)教學(xué)理念，結(jié)合大學(xué)生課外科技項(xiàng)目和科技競(jìng)賽活動(dòng)，構(gòu)建了基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性4層次組成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，轉(zhuǎn)化科研成果，研發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，開(kāi)展多樣化教學(xué)，強(qiáng)化工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，取得明顯的效果，有效提高了專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成度。

微機(jī)類課程； 產(chǎn)出導(dǎo)向； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系； 能力培養(yǎng)

0 引 言

微機(jī)類課程是電氣信息類專業(yè)重要的支柱課程之一[1]，它包括微機(jī)原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)、DSP原理及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等。這類課程對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)硬件和軟件的應(yīng)用能力起著至關(guān)重要的作用[2-9]。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微計(jì)算機(jī)日新月異，新技術(shù)、新架構(gòu)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，資源豐富又相對(duì)廉價(jià)[10]。為跟上時(shí)代發(fā)展，落實(shí)以學(xué)生為主體，培養(yǎng)應(yīng)用能力為導(dǎo)向的教學(xué)理念，我校在浙江省嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心、浙江省“十二五”優(yōu)勢(shì)專業(yè)和校重點(diǎn)教改等項(xiàng)目的推動(dòng)下，對(duì)微機(jī)類系列課程實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行綜合改革，以激發(fā)興趣、夯實(shí)基礎(chǔ)、強(qiáng)化綜合、突出創(chuàng)新為改革路徑，取得明顯的效果[11]。

1 以O(shè)BE為導(dǎo)向培養(yǎng)三基實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

工科學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)是要使學(xué)生具備將構(gòu)思和概念轉(zhuǎn)化成切實(shí)可用、能帶來(lái)效益的產(chǎn)品和服務(wù)的能力。因此，微機(jī)類課程實(shí)踐綜合改革在注重學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方法(即三基)能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，確定芯片功能使用、產(chǎn)品電路原理設(shè)計(jì)、應(yīng)用電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與硬件軟件開(kāi)發(fā)的全過(guò)程能力，確定預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，實(shí)施國(guó)際工程教育認(rèn)證的學(xué)生學(xué)習(xí)產(chǎn)出導(dǎo)向(OBE)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程；在以學(xué)生為主體的“有效教學(xué)”理念[12]引領(lǐng)下,通過(guò)增加密切結(jié)合電子技術(shù)發(fā)展和課程知識(shí)前沿的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,激發(fā)學(xué)生自主式、研究式地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，最大限度地使接受此系列課程教學(xué)的全體學(xué)生普遍受益,切實(shí)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

2 強(qiáng)化工程實(shí)踐能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

打破各課程實(shí)驗(yàn)自成體系的舊格局，微機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)按照“基礎(chǔ)→綜合→設(shè)計(jì)→創(chuàng)新”的能力順序遞進(jìn)關(guān)系，并結(jié)合學(xué)生課外科技項(xiàng)目立項(xiàng)和科技競(jìng)賽活動(dòng)，強(qiáng)化工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)，構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[12]，如圖1所示。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分層次、模塊化

實(shí)驗(yàn)類型分為基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性4個(gè)層次?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為芯片基本功能的驗(yàn)證、開(kāi)發(fā)平臺(tái)的使用；綜合性實(shí)驗(yàn)為芯片加適當(dāng)外圍電路構(gòu)成基本功能的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為芯片加傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為面向?qū)嶋H應(yīng)用系統(tǒng)的多模塊構(gòu)成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，如溫度控制、智能車控制、機(jī)器人控制等。設(shè)立必修、選修、自選等多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K,自選實(shí)驗(yàn)可由學(xué)生自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),或來(lái)源于大學(xué)生創(chuàng)新研究項(xiàng)目、科技競(jìng)賽項(xiàng)目等,諸如智能車、機(jī)器人、電子設(shè)計(jì)、挑戰(zhàn)杯等[13]。

微機(jī)類課程開(kāi)出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目43個(gè)，包括微機(jī)原理5個(gè)、單片機(jī)原理及應(yīng)用13個(gè)、嵌入式系統(tǒng)12個(gè)、DSP原理及應(yīng)用8個(gè)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)4個(gè)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大型實(shí)驗(yàn)1個(gè)，其中基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)10個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)16個(gè)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)12個(gè)，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)5個(gè)。

2.2 教學(xué)方式多樣化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程是實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教師、學(xué)生協(xié)同合作完成的，為達(dá)成目標(biāo)，教學(xué)方式可以多樣化。

(1) 實(shí)驗(yàn)室全天候向?qū)W生開(kāi)放，實(shí)踐過(guò)程全覆蓋。除大型實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1人一組，從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí))、實(shí)驗(yàn)過(guò)程到實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，獨(dú)立完成。指導(dǎo)教師全過(guò)程跟蹤，給各個(gè)環(huán)節(jié)評(píng)分，突出“三基”能力達(dá)成度。

(2) 個(gè)性化研究性實(shí)驗(yàn)和自主實(shí)驗(yàn)，列入自選實(shí)驗(yàn)?zāi)K。兼顧創(chuàng)新引導(dǎo)、課內(nèi)課外實(shí)踐一體。將國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目和學(xué)生課外科技活動(dòng)[14]作為課程實(shí)驗(yàn)的自然延伸，形成課內(nèi)課外一體化的實(shí)踐教學(xué)新體系。

(3) 必修選修相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)有必修、選修項(xiàng)目，設(shè)定選修項(xiàng)目最低要求。

(4) 課內(nèi)課外相結(jié)合。自主研發(fā)的Cortex-M4內(nèi)核的芯片的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[13]，學(xué)生可將最小系統(tǒng)帶在身邊，在寢室、教室等，利用個(gè)人電腦隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和自主性。

(5) 虛實(shí)結(jié)合、網(wǎng)上網(wǎng)下多方式的實(shí)踐體系。充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)格和圖像技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，形成由傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、虛擬實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)組成的新型實(shí)驗(yàn)體系[15]。

3 更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的先進(jìn)性和創(chuàng)新性的培養(yǎng)

優(yōu)化設(shè)計(jì)微機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，整合實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)簡(jiǎn)單重復(fù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性和研究探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使三性實(shí)驗(yàn)達(dá)到54%。

(1) 將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。新研發(fā)了37個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，這些來(lái)源于工程實(shí)際的項(xiàng)目，既具備研究性，也能提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣。

(2) 與時(shí)俱進(jìn)，同步更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為跟上時(shí)代發(fā)展，著眼于學(xué)以致用，單片機(jī)原理課程教學(xué)從51系列轉(zhuǎn)換為采用Cortex-M4內(nèi)核MCU[3,7,10]，為此，開(kāi)發(fā)了基于Cortex-M4的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目13個(gè)，包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)5個(gè)，綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4個(gè)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3個(gè)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1個(gè)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1。同步更新計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大型實(shí)驗(yàn)。嵌入式系統(tǒng)、DSP課程也一樣，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人綜合實(shí)踐和嵌入式ARM9平臺(tái)綜合開(kāi)放實(shí)驗(yàn)等綜合性、創(chuàng)新性開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(3) 與企業(yè)共建實(shí)驗(yàn)室。及時(shí)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供最新的芯片、實(shí)際應(yīng)用的解決方案，保持實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的持續(xù)先進(jìn)性，保證了一流的教學(xué)水平與質(zhì)量[16]。共建實(shí)驗(yàn)室有：INTEL嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、ALTERA公司EDA/SOP聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、Atmel公司AVR微控制器實(shí)驗(yàn)室、松下電器公司聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、INTEL多核技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、TI公司MSP430單片機(jī)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、DSP實(shí)驗(yàn)室等。

表1 單片機(jī)實(shí)踐課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Cortex-M4)

4 結(jié) 語(yǔ)

微機(jī)類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系年受益學(xué)生1 600余人，通過(guò)3年的實(shí)踐，學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到有效加強(qiáng)，提高了“三基”能力達(dá)成度，得到用人單位的高度肯定，同時(shí)涌現(xiàn)了一批優(yōu)秀的學(xué)生，如2015年度創(chuàng)新與科技競(jìng)賽國(guó)家一等獎(jiǎng)獲得者單列指標(biāo)保研中，接受本系列課程教學(xué)的學(xué)生占到了全?？萍几?jìng)賽單列名額的近32%。

3年來(lái)，學(xué)生完成國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目12項(xiàng)，完成浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目28項(xiàng)，獲得國(guó)家級(jí)科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng)3項(xiàng)、一等獎(jiǎng)30項(xiàng)、二等獎(jiǎng)28項(xiàng)，獲省級(jí)競(jìng)賽一二等獎(jiǎng)78個(gè)；這些項(xiàng)目與獲獎(jiǎng)都離不開(kāi)微機(jī)應(yīng)用能力的有力支撐。自主研發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲全國(guó)高等教育學(xué)校自制設(shè)備銀獎(jiǎng)，實(shí)驗(yàn)綜合改革獲浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究成果二等獎(jiǎng)。

[1] 張俊梅, 鄭一力, 王東林,等. 自動(dòng)化專業(yè)微機(jī)類課程群改革研究[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2015(2):85-88.

[2] 譚興國(guó).以工程案例開(kāi)發(fā)推進(jìn)微機(jī)控制技術(shù)課程改革[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2016,14(5):137-140,150.

[3] 閻 波, 林水生, 李廣軍. 基于SoC的研究型微機(jī)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2012, 10(4):257-258,323.

[4] 何樂(lè)生, 余鵬飛. 以“微機(jī)原理”為核心的嵌入式課程體系建設(shè)[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2015(12):61-64.

[5] 黃全振, 薛 鵬, 陳素霞. 基于建構(gòu)主義的微機(jī)類課程教學(xué)方法研究[J]. 科教導(dǎo)刊,2013, 27(4):112-114.

[6] 李社蕾. 基于電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的單片機(jī)教學(xué)改革方案探索[J], 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2013, 11(3):84-86.

[7] 吳 強(qiáng)，楊全勝，王曉蔚. 用Cortex-M0 ARM代替8051系列單片機(jī)的嵌入式教學(xué)[J]. 計(jì)算機(jī)教育,2015(8):52-54,61.

[8] 于海東, 李 彬, 蔣步軍，等. 電類專業(yè)微機(jī)類課程體系教學(xué)的改革研究與實(shí)踐[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2014(9):48-49,57.

[9] 張向鋒. “計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014,33(7):185-187.

[10] 陳 朋, 楊東勇. 面向創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的單片機(jī)原理教學(xué)改革探索[J]. 科技視界, 2015(20)：23.

[11] 李 敏,陳國(guó)定. 加強(qiáng)自動(dòng)化專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè) 提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013,32(11):469-471.

[12] 王曉東,朱 華. 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015,33(1):150-153.

[13] 伍華輝.基于Cortex-M4的模塊化綜合電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱研制[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2015.

[14] 陳 怡,陳國(guó)定. 論電源類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014,33(1):169-172.

[15] 李如春, 施朝霞. 基于協(xié)同機(jī)制的多元化課堂教學(xué)模式探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(2):70-71.

[16] 李如春, 沈永增. 電子信息類創(chuàng)新人才校企聯(lián)合培養(yǎng)新模式探索[J]. 高等理科教育, 2012(1):150-152.

Research on the Experimental Teaching System of Microcomputer Courses to Strengthen Engineering Practice and Innovation Ability

CHENGuoding,YANGDongyong,CHENPeng

(College of Information Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Microcomputer course is one of pillar courses for electric and information specialty. In attention to cultivating the student abilities of basic experimental principal, basic experimental technology, basic experimental methods (three bases), the output oriented (OBE) teaching philosophy is implemented. The experimental teaching system consisting of four levels of basic level, comprehensive level, design, innovation is constructed and combined with students’ science and technology projects and competition. Students' engineering practice and innovation ability is strengthened, the training goal reaching degree is effectively improved.

microcomputer courses; outcomes-based education (OBE); experimental teaching system; ability training

2016-09-19

自動(dòng)化浙江省”十二五”優(yōu)勢(shì)專業(yè)建設(shè)(浙教高教[2012]70號(hào))、浙江工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目(JG1303)

陳國(guó)定(1962-),男,浙江寧波人, 博士, 教授, 系主任, 從事自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)與科研工作。獲得浙江省教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

Tel.: 0571-85290585; E-mail: gdchen@zjut.edu.cn

TP 391.9; G 642.0

A

1006-7167(2017)04-0171-03