“1+2+3”創(chuàng)新教育模式提升學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力

張 晶 藍(lán) 天 譚筠梅

（蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州730070）

0 引言

2017年，教育部高教司發(fā)布關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知，組織研討，形成復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南等新工科建設(shè)指導(dǎo)意見。新工科人才培養(yǎng)新模式要求轉(zhuǎn)變?nèi)瞬排囵B(yǎng)方式，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的工程技術(shù)人才。加強(qiáng)新工科教育模式下大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

工程教育認(rèn)證和新工科教育模式倡導(dǎo)以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)三大教育理念，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。復(fù)雜工程問題能力的核心是建立系統(tǒng)觀，學(xué)生能以系統(tǒng)角度看問題，追求問題的系統(tǒng)求解，強(qiáng)調(diào)學(xué)生具有全局掌控系統(tǒng)的能力和完備的工程實(shí)現(xiàn)能力，使學(xué)生經(jīng)歷復(fù)雜工程問題的解決過程，完成基本系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，能基于模型進(jìn)行設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和分析[3-4]。

1 嵌入式課程教學(xué)存在的問題

在嵌入式課程的教學(xué)過程中，仍以教師講授理論知識(shí)為主，實(shí)踐環(huán)節(jié)較少，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣較低，學(xué)習(xí)效果差。這種現(xiàn)狀已不能滿足新工科建設(shè)和工程教育認(rèn)證的要求，采用以學(xué)生為中心，面向產(chǎn)出的教學(xué)方法已成為迫切需要解決的問題。

1.1 “1+2+3”創(chuàng)新教育模式

蘭州交通大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐，形成了一套完整的“1+2+3”創(chuàng)新教育模式，在學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練及學(xué)科競(jìng)賽等方面取得了顯著成果。

圖1 “1+2+3”創(chuàng)新教育模式

“1+2+3”創(chuàng)新教育模式：1個(gè)嵌入式實(shí)踐育人基地；2級(jí)實(shí)訓(xùn)：嵌入式基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、嵌入式應(yīng)用硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)；3級(jí)競(jìng)賽：校級(jí)競(jìng)賽、省級(jí)競(jìng)賽、國(guó)家級(jí)競(jìng)賽。

1.2 以點(diǎn)帶面，建立嵌入式實(shí)踐育人基地

為激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐熱情，蘭州交通大學(xué)成立了嵌入式實(shí)踐育人基地，以點(diǎn)帶面，發(fā)揮基地輻射作用，推動(dòng)嵌入式技術(shù)教學(xué)發(fā)展，提高學(xué)生嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。

基地為學(xué)生提供了良好的實(shí)踐環(huán)境和充足的實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材，每年組織學(xué)生申報(bào)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。依托基地成立了嵌入式協(xié)會(huì)，定期面向全體成員舉辦嵌入式相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，舉行各類嵌入式活動(dòng)，通過培訓(xùn)大大提高了成員對(duì)嵌入式技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生參加各類創(chuàng)新項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽奠定基礎(chǔ)，營(yíng)造良好的實(shí)踐研究氛圍。

1.3 以提升學(xué)生解決復(fù)雜工程能力問題為目標(biāo)開設(shè)實(shí)訓(xùn)課程

創(chuàng)新思維的產(chǎn)生需要有認(rèn)知基礎(chǔ)，以工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和新工科建設(shè)要求為依據(jù)，開設(shè)2級(jí)嵌入式實(shí)踐課程：嵌入式基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)和嵌入式應(yīng)用硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，著力提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力。實(shí)訓(xùn)以學(xué)生、項(xiàng)目、實(shí)踐為中心，學(xué)生在實(shí)踐中得到鍛煉具備解決嵌入式復(fù)雜工程問題的能力，從而培養(yǎng)出達(dá)到工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生[5]。

基礎(chǔ)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)：教師將嵌入式系統(tǒng)分解為不同模塊，指導(dǎo)學(xué)生從單一模塊開始逐步進(jìn)行集成，最終完成嵌入式系統(tǒng)。此過程培養(yǎng)學(xué)生模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)能力。

應(yīng)用硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)：以基礎(chǔ)硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，通過指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)直流電機(jī)、紅外遙控、藍(lán)牙、無線等復(fù)雜模塊，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)具有應(yīng)用價(jià)值的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)，如導(dǎo)盲機(jī)器人、水下監(jiān)測(cè)機(jī)器人等。引導(dǎo)學(xué)生將嵌入式技術(shù)與專業(yè)結(jié)合，協(xié)作完成復(fù)雜硬件系統(tǒng)開發(fā)。

兩部分實(shí)訓(xùn)相輔相成，教師利用中心的“私有云”平臺(tái)，可隨時(shí)跟蹤每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展?fàn)顩r，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)度及時(shí)調(diào)整。項(xiàng)目小組成員可隨時(shí)在線進(jìn)行討論。

1.4 以學(xué)促賽，以賽促學(xué)

堅(jiān)持以學(xué)促賽，以賽促學(xué)的競(jìng)賽教學(xué)相互促進(jìn)模式，建立“校級(jí)競(jìng)賽—省級(jí)競(jìng)賽—國(guó)家級(jí)競(jìng)賽”三級(jí)競(jìng)賽平臺(tái)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。通過該競(jìng)賽平臺(tái)能夠使學(xué)生在增強(qiáng)信心、提高競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)、加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作等方面得到有效的鍛煉[6]。

校級(jí)競(jìng)賽：每年舉辦校內(nèi)嵌入式設(shè)計(jì)大賽以覆蓋大多數(shù)學(xué)生為主，積極鼓勵(lì)各年級(jí)學(xué)生跨專業(yè)組隊(duì)，側(cè)重學(xué)生作品設(shè)計(jì)的理念，以提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣為主，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的熱情和積極性。

省級(jí)競(jìng)賽：經(jīng)過校級(jí)競(jìng)賽選拔出的優(yōu)秀隊(duì)伍將參加各類省級(jí)嵌入式競(jìng)賽，在項(xiàng)目功能完善、設(shè)計(jì)報(bào)告規(guī)范性等方面進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練。

國(guó)家級(jí)競(jìng)賽：對(duì)省級(jí)競(jìng)賽中獲得優(yōu)異成績(jī)并獲得參加國(guó)家級(jí)競(jìng)賽資格的隊(duì)伍，進(jìn)行集訓(xùn)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行深度完善、包裝、轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。積極鼓勵(lì)學(xué)生參加“互聯(lián)網(wǎng)+”全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各類高水平國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽。

通過建立起三級(jí)學(xué)科競(jìng)賽平臺(tái)，學(xué)生在競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)下，通過不斷的解決工程問題，享受到自主學(xué)習(xí)的快樂，使學(xué)生專業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用能力及創(chuàng)新實(shí)踐能力得到不斷的提高，進(jìn)而具備解決“復(fù)雜工程問題”的能力[7-9]。

2 實(shí)施效果

通過該體系培養(yǎng)了大批嵌入式軟硬件設(shè)計(jì)人才，在“互聯(lián)網(wǎng)+”智能制造、智能家居等領(lǐng)域進(jìn)行了大量創(chuàng)新項(xiàng)目設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)，完成如基于ROV的水下監(jiān)測(cè)機(jī)器人，智能導(dǎo)盲機(jī)器人等作品，在“互聯(lián)網(wǎng)+”全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)大賽、“博創(chuàng)杯”全國(guó)大學(xué)生嵌入式設(shè)計(jì)大賽、“TI杯”全國(guó)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外作品設(shè)計(jì)大賽等競(jìng)賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)。

3 結(jié)語(yǔ)

依托嵌入式實(shí)踐育人基地和兩級(jí)嵌入式創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)，學(xué)生能夠獨(dú)立進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真編程、硬件調(diào)試及項(xiàng)目資料整理，完成復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。在競(jìng)賽驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生不斷迸發(fā)出新的創(chuàng)新靈感，完成更多具有實(shí)際意義的創(chuàng)新作品?！?+2+3”創(chuàng)新教育模式在培養(yǎng)學(xué)生嵌入式實(shí)踐能力、提升學(xué)生解決復(fù)雜嵌入式工程問題方面發(fā)揮了重要的作用，取得了良好的效果。