基于復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的嵌入式課程群體系改革

陶吉利,李林功，蔡衛(wèi)明，王 朗，王卓遠(yuǎn)

（1.浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.寧波工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315100）

一、引言

“中國(guó)制造2025”提出針對(duì)制造業(yè)創(chuàng)新能力總體不夠強(qiáng)等問(wèn)題補(bǔ)短板，打造新型產(chǎn)業(yè)體系，全力推進(jìn)制造業(yè)智能升級(jí)。制造業(yè)智能化，使得學(xué)科交叉加劇，前沿領(lǐng)域不斷延伸，迫切需要高校培養(yǎng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。2015年新版工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)特別強(qiáng)調(diào)工程類(lèi)本科對(duì)“解決復(fù)雜工程問(wèn)題”的要求[1]，由此可見(jiàn)，引入“復(fù)雜工程問(wèn)題”概念，培養(yǎng)學(xué)生具有解決本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域“復(fù)雜工程問(wèn)題”能力是工科專(zhuān)業(yè)教育的基本要求。針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題，浙江科技學(xué)院電氣學(xué)院將如何將培養(yǎng)學(xué)生解決"復(fù)雜工程問(wèn)題"的教學(xué)環(huán)節(jié)植入專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系[2]；重慶郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)出研究生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃總體方案，以到達(dá)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)目標(biāo)[3]；南京航空航天大學(xué)航空電源航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在原有的電機(jī)課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中進(jìn)行了針對(duì)性的擴(kuò)充和改進(jìn)，基本滿(mǎn)足了新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的要求[4]；清華大學(xué)工程教育研究中心從三個(gè)角度討論如何培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力以及如何考核評(píng)價(jià)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)效果[5]；湖南工程學(xué)院針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造綜合實(shí)踐探討如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、工程素質(zhì)、人際交往能力及在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮作用的能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力[6]。

目前，很多高校正在開(kāi)展工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證相關(guān)工作，應(yīng)用型本科高校如何在現(xiàn)有培養(yǎng)體系框架下培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力，仍有待深入探討。本文以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)為例，結(jié)合我校學(xué)生特點(diǎn)，在低頻電子線(xiàn)路、高頻電子線(xiàn)路、單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用專(zhuān)業(yè)核心課程框架下，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)課程群，重新梳理基礎(chǔ)理論知識(shí)，設(shè)計(jì)分層次實(shí)踐環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生建立工程項(xiàng)目的基本分析和設(shè)計(jì)思路，逐步達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)中界定的解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力。既滿(mǎn)足工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的要求，又適應(yīng)制造業(yè)智能化、信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)電子信息工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力要求。

二、改革思路

針對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題特征[7]和嵌入式課程群要求，該課程群主要培養(yǎng)學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)軟硬件復(fù)雜工程問(wèn)題能力。通過(guò)重構(gòu)嵌入式課程群知識(shí)體系，將解決復(fù)雜工程問(wèn)題所需的知識(shí)和技術(shù)納入新的教學(xué)大綱，并改革課堂教學(xué)方式方法，探索分層次實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和手段。通過(guò)知識(shí)學(xué)習(xí)和分層次實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生解決嵌入式系統(tǒng)問(wèn)題所需的知識(shí)和能力。

以掌握/設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)電子信息硬件系統(tǒng)解決方案所需的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)手段為目標(biāo)，選取低頻電子線(xiàn)路、高頻電子線(xiàn)路、單片機(jī)原理與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用四門(mén)專(zhuān)業(yè)課程構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程群，各課程開(kāi)設(shè)時(shí)間為 2-1、2-2、3-1、3-2，并增加第三學(xué)期無(wú)人機(jī)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，將“復(fù)雜工程問(wèn)題”能力分級(jí)為低、中、高三層次，并落實(shí)到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 分層次遞進(jìn)式嵌入式課程群教學(xué)體系

三、實(shí)施途徑

(一)根據(jù)復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)要求，重構(gòu)嵌入式系統(tǒng)課程群知識(shí)體系

低頻電子線(xiàn)路和高頻電子線(xiàn)路課程提供最基本的硬件設(shè)計(jì)和單元模塊分析、計(jì)算知識(shí)，單片機(jī)原理與應(yīng)用提供硬件編程知識(shí)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析基本概念，嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用則提供復(fù)雜的多功能嵌入式芯片的編程、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)分析知識(shí)。通過(guò)本課程群的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，構(gòu)建全面的硬件設(shè)計(jì)/分析知識(shí)架構(gòu)，逐步達(dá)到軟硬件知識(shí)的全面提升。所有課程都要落實(shí)如下四個(gè)目標(biāo)：課程目標(biāo)1是專(zhuān)業(yè)知識(shí)和數(shù)學(xué)、工程基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合，綜合應(yīng)用于課程的復(fù)雜工程問(wèn)題；課程目標(biāo)2體現(xiàn)給定的“標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范”未完全包含，學(xué)生需自己查閱資料，給出復(fù)雜工程問(wèn)題的解決方案；課程目標(biāo)3應(yīng)用MATLAB、Proteus、DXP軟件進(jìn)行原理分析、仿真驗(yàn)證、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)；課程目標(biāo)4團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)行論文撰寫(xiě)、PPT答辯，具備準(zhǔn)確呈現(xiàn)方案/設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)結(jié)果的能力。為此，每門(mén)課程都設(shè)計(jì)了較低層次的復(fù)雜工程問(wèn)題，且需要包含前一門(mén)課程的知識(shí)，如表1所示。

表1 單門(mén)課程復(fù)雜工程問(wèn)題設(shè)置

(二)針對(duì)能力目標(biāo)，分層次安排實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容和綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)

在單個(gè)課程的教學(xué)環(huán)節(jié)，包含了單元電路模塊的仿真和復(fù)雜工程實(shí)踐環(huán)節(jié)，并且后續(xù)課程的復(fù)雜工程問(wèn)題包含了上一門(mén)課程的至少一種單元電路，有利于通過(guò)知識(shí)的反復(fù)應(yīng)用，加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。此外，在第二學(xué)年和第三學(xué)年暑期設(shè)置綜合實(shí)訓(xùn)，進(jìn)行復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合實(shí)踐。實(shí)訓(xùn)1和實(shí)訓(xùn)2的具體要求如表2所示。

表2 暑期短學(xué)期實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)

實(shí)訓(xùn)1除了要求每個(gè)學(xué)生深入運(yùn)用低頻電子線(xiàn)路理論知識(shí)、分析音頻功放的實(shí)現(xiàn)原理，應(yīng)用Proteus軟件仿真分析電路原理，應(yīng)用DXP軟件完成線(xiàn)路板的設(shè)計(jì)布板。特別強(qiáng)調(diào)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，并給定經(jīng)費(fèi)進(jìn)行元器件采購(gòu)。在完成任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)功能增加，不僅元件成本增加，而且會(huì)使線(xiàn)路復(fù)雜，調(diào)試時(shí)更加麻煩，體現(xiàn)了各方利益的不完全一致性。同時(shí)，整個(gè)任務(wù)可分解成功能分析、原理分析、成本分析、PCB布板和電路調(diào)試相關(guān)子問(wèn)題，環(huán)環(huán)相扣，最終影響功放的實(shí)現(xiàn)和音響效果。

實(shí)訓(xùn)2在實(shí)訓(xùn)1的基礎(chǔ)上，考慮到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)更加復(fù)雜，以3人一組形成團(tuán)隊(duì)，要求學(xué)生除了進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)STM32、WIFI高頻電路的綜合應(yīng)用，還需要進(jìn)行姿態(tài)控制等算法分析和實(shí)現(xiàn)，此外還需考慮法律法規(guī)的制約、續(xù)航時(shí)間、成本核算等內(nèi)容。該實(shí)訓(xùn)內(nèi)容綜合，問(wèn)題復(fù)雜性較高，采用視頻拍攝等方式展現(xiàn)成果，形式上也很受學(xué)生喜愛(ài)。通過(guò)該實(shí)訓(xùn)，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了專(zhuān)業(yè)知識(shí)的應(yīng)用，還體會(huì)到理論和實(shí)踐的差距，團(tuán)隊(duì)協(xié)作的重要性以及其他非技術(shù)因素，如成本等，在項(xiàng)目成敗上的重要意義。

對(duì)于解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力，重點(diǎn)構(gòu)建了從基礎(chǔ)到綜合到工程，逐步提升的實(shí)踐教學(xué)體系。課內(nèi)項(xiàng)目主要加深對(duì)課程理論知識(shí)的理解，強(qiáng)調(diào)運(yùn)用本門(mén)課程的理論知識(shí)解決一般工程問(wèn)題。后期課程的綜合性項(xiàng)目將前期課程和本次課程的理論知識(shí)融合貫通，學(xué)以致用，解決較為復(fù)雜的工程問(wèn)題。工程實(shí)踐項(xiàng)目依托實(shí)際對(duì)象綜合運(yùn)用課程群知識(shí)解決復(fù)雜的工程問(wèn)題，提供學(xué)生真實(shí)的硬件開(kāi)發(fā)和軟件設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目。所有項(xiàng)目?jī)?nèi)容設(shè)置要求具有電路分析計(jì)算、方案對(duì)比、最終方案優(yōu)缺點(diǎn)分析等體現(xiàn)復(fù)雜工程問(wèn)題能力的要素。實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)從仿真到實(shí)踐合理布局，并側(cè)重學(xué)生基于掌握的基礎(chǔ)知識(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代工具和信息技術(shù)通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合靈活運(yùn)用多種思維對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)、分析、綜合、方案、執(zhí)行、評(píng)估6個(gè)方面能力訓(xùn)練。

(三)改革課堂教學(xué)，探究多樣性教學(xué)方法

為培養(yǎng)學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，需要學(xué)生把知識(shí)內(nèi)化，而不僅僅只是記住一些原理與公式，只有這樣才能在復(fù)雜的現(xiàn)象中清晰地把握主要矛盾，從而解決復(fù)雜問(wèn)題。目前，嵌入式系統(tǒng)課程群的每門(mén)課程都選了一個(gè)真實(shí)案例，課程知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)以案例中的某個(gè)功能導(dǎo)入學(xué)習(xí)。低頻電子線(xiàn)路以音頻功放為案例，高頻電子線(xiàn)路以電臺(tái)、收音機(jī)為案例，單片機(jī)以洗衣機(jī)為案例，嵌入式系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)為案例。單片機(jī)課程項(xiàng)目案例及知識(shí)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 單片機(jī)課程洗衣機(jī)知識(shí)點(diǎn)分解表

有了生動(dòng)易理解的案例，進(jìn)一步改革教師以講授為主的“灌輸式”傳統(tǒng)教學(xué)，在課堂講解知識(shí)時(shí)，采用基于問(wèn)題的啟發(fā)式教學(xué)法、案例教學(xué)等方法；知識(shí)點(diǎn)講解時(shí)，需要探索教學(xué)內(nèi)容的工程性和理論性的最佳契合點(diǎn)，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生的求知欲望，增進(jìn)教學(xué)效果。通過(guò)應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，如Proteus軟件、MATLAB軟件，觀察單元電路功能和分析數(shù)學(xué)原理；我們還構(gòu)建了電子信息工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)放教學(xué)環(huán)境，只需登記就能提供學(xué)生基本的單元模塊電路，讓學(xué)生隨時(shí)能學(xué)，方便地學(xué)，幫助學(xué)生逐步獲得解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

(四)探索多元化的考核方法

嵌入式課程群的每門(mén)課按照解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力要求，設(shè)置合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)學(xué)生復(fù)雜問(wèn)題能力解決進(jìn)行合理的分級(jí)評(píng)定。將考核標(biāo)準(zhǔn)分解為平時(shí)表現(xiàn)、基礎(chǔ)知識(shí)掌握與運(yùn)用、實(shí)踐操作、項(xiàng)目研究、表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)合作等細(xì)分項(xiàng)，并通過(guò)自評(píng)、互評(píng)等綜合評(píng)分得到最終考核成績(jī)。具體成績(jī)組成如表4所示。

表4 期末成績(jī)組成及占比

四、結(jié)語(yǔ)

在工程教育認(rèn)證的背景下，以浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院電子信息工程專(zhuān)業(yè)為例，探討了在現(xiàn)在課程體系框架下，通過(guò)構(gòu)建課程群，重構(gòu)課程體系和教學(xué)內(nèi)容，選定項(xiàng)目案例，設(shè)置分層次遞進(jìn)式的實(shí)踐環(huán)節(jié)；為每門(mén)課程的課程目標(biāo)、教學(xué)大綱、課程案例實(shí)施和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和研究；提出了針對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的課程群建設(shè)思路和具體策略。學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題實(shí)踐能力普遍得到了提升。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于繼承原有的課程體系，學(xué)生和教師額外負(fù)擔(dān)相對(duì)較少，有助于解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)和提高。