面向多維度教學目標的實踐教學案例設計
——以電子工程設計系列課程為例

高 新，張巖艷，司 農

（北京工業(yè)大學 信息學部，北京 100124）

工程類專業(yè)實踐教學的目標始終應當緊隨產(chǎn)業(yè)形態(tài)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并努力吸收現(xiàn)代工業(yè)最新的工程經(jīng)驗，應體現(xiàn)以學科交叉和多學科集成的形態(tài)展示工程設計的最佳面貌。這種目的性要求實踐課程的教師吸收真實工程師的角色經(jīng)驗，按照項目邏輯而不僅僅以學科知識體系設計教學內容并開展教學工作。通過設計教學目的明確的實踐環(huán)節(jié)，幫助學生建立面向行業(yè)的知識體系，培養(yǎng)學生能夠運用不同學科的知識協(xié)同解決復雜工程問題的能力［1］。

一、實踐教育是面向產(chǎn)業(yè)應用全程的教學設計

近年來，信息技術飛速發(fā)展，特別是在電子信息相關產(chǎn)業(yè)中，即便是處于同一學科領域的工程建設和產(chǎn)品設計，如電子產(chǎn)品設計、電子系統(tǒng)開發(fā)等，也常常在設計、測試、生產(chǎn)等不同環(huán)節(jié)中呈現(xiàn)出對于不同專業(yè)知識和能力的側重，這往往要求參與項目的工程師除了在自己專業(yè)領域內具備較強專業(yè)能力外，還需對產(chǎn)業(yè)上下游相關領域具有一定深度的理解。在新工科一體化教學設計中，人才的培養(yǎng)也要從企業(yè)需求的角度出發(fā)，在著力提升學生專業(yè)實踐能力的同時，培養(yǎng)學生能從實際需求出發(fā)，建立理論知識和實踐應用之間的聯(lián)系，解決工程問題。這些要求都對培養(yǎng)未來工程師的高等學校提出了更高的挑戰(zhàn)［2-4］。

基于工程類學科實踐教學應面向產(chǎn)業(yè)應用的基本原則，同時兼顧企業(yè)對于專業(yè)人才的需求，電子信息類專業(yè)的實踐教學應針對行業(yè)特定和發(fā)展趨勢設計教學內容，在強調專業(yè)性的同時，也應為學生熟悉行業(yè)生態(tài)創(chuàng)造機會。對于綜合設計類大型實踐課程應當選擇實際工程項目作為課程案例，開展開放性、真實性、全流程的實踐教學，將實踐的內容從知識“點”擴展為產(chǎn)業(yè)“鏈”。通過全程參與項目開發(fā)，切實幫助學生在實踐本專業(yè)知識、技能的基礎上，熟悉整個設計開發(fā)流程；在明確各個環(huán)節(jié)設計目標和技術特點的基礎上，建立更為完善的知識架構。另外，讓學生有機會了解行業(yè)內各設計崗位的特點，根據(jù)自身興趣和專長，提前規(guī)劃職業(yè)發(fā)展路線。

同時需要考慮到，由于課程迫使學生站在項目開發(fā)的宏觀角度，以總體設計工程師的視角開展實踐活動，設計思路區(qū)別于專業(yè)課程中原理驗證類的課內實驗，容易讓學生陷入無從下手的困境。為了消除實踐內容與專業(yè)課程知識存在的距離感，教學內容應從項目開發(fā)的宏觀角度出發(fā)，將設計、開發(fā)、制作等問題逐步分解為學生較易接受的技術問題，減少理論與實踐的隔閡，便于教學工作順利開展。

二、以主動實踐的教學形式激發(fā)學生創(chuàng)新意識

主動實踐是大學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的關鍵，要讓學生盡可能真正作為主體參與到實踐教學活動的各個環(huán)節(jié)［5］，在實踐教學內容設計中，應根據(jù)實驗環(huán)節(jié)盡可能地為學生提供自主設計的空間，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識。目前，多數(shù)項目開發(fā)類實踐教學課程均要求以統(tǒng)一的考核評價標準對學生的學習效果進行評價，但“統(tǒng)一的考核評價標準”往往容易限制學生的創(chuàng)造能力，限制學生自我發(fā)揮的空間。因此，教學內容的設計應在學生具備了基本設計能力的基礎上，依據(jù)實驗環(huán)境條件，實現(xiàn)多樣化的考核制度，鼓勵學生開展“自由命題”的設計型實踐活動。這對于促進大學生自主學習、研究性學習和合作學習，提高學生的創(chuàng)新意識、團隊協(xié)作精神和實踐能力具有重要的意義［6-8］。

總的來說，電子信息類實踐教學內容設計應遵循以下幾個維度來開展：水平維度上，以覆蓋整個設計流程的實際項目為背景，指導學生實踐體驗產(chǎn)業(yè)全流程或行業(yè)中盡可能多的技術環(huán)節(jié)；縱深維度上，從項目需求入手，層層深入，將實際建設項目解構為學生可以操作的技術問題，跨越實際應用與實現(xiàn)技術之間的隔閡，提升學生對于復雜問題的處理能力；擴展維度上，為學生創(chuàng)造自主設計的空間，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情和個性化發(fā)展。

三、依“多維”目標對實踐課程教學內容的設計

本文針對以上幾方面的要求，綜合各方需求，對“電子工程設計系列課程”教學內容進行了如下設計。

（一）面向電子產(chǎn)品項目設計為背景

本系列課程中的“電子工程設計-1”和“電子工程設計-2”課程以“智能溫度控制系統(tǒng)設計”項目為背景，以學生為主體，按照項目開發(fā)的基本流程開展教學活動，并覆蓋了電子產(chǎn)品設計、開發(fā)的所有必要環(huán)節(jié)。在訓練學生專業(yè)技能的同時，引導并著重培養(yǎng)學生產(chǎn)品設計和工程項目建設的思想，使學生能夠以更高的視角，體會“專業(yè)知識”到“工程實踐”的轉化。

項目內容如框圖1所示，學生按照“需求分析—方案設計—方案細化—軟、硬件設計與實現(xiàn)—系統(tǒng)聯(lián)調—測試”的步驟完成項目的設計和實施，并在項目進展的各個環(huán)節(jié)中按照項目需要，實踐多種設計技能。

圖1 課程內容的模塊化框圖

教學內容突出項目開發(fā)流程，學生通過參與項目開發(fā)的所有環(huán)節(jié)，體會工程設計思想，并根據(jù)項目各環(huán)節(jié)的需求開展對應技術的實踐活動，真正做到“按照項目邏輯開展工作”。

（二）面向跨專業(yè)，多學科的綜合知識應用

電子信息類專業(yè)集數(shù)學、物理、電子學、通信技術、計算機科學技術、控制理論以及智能科學技術于一體，呈現(xiàn)出軟硬兼顧、跨學科、復合性強、發(fā)展速度快、企業(yè)對專業(yè)人才實踐創(chuàng)新能力要求高等特點［3］。因此，如圖2所示，在課程的項目案例中要求學生綜合利用多門專業(yè)課程所學到的知識、技術，具體涉及電路板EDA設計、模擬電路、數(shù)字電路、C語言、嵌入式微控制器應用、自動控制理論等知識。

圖2 課程內容的教學知識要點

（三）面向技術解構，建立工程應用與專業(yè)知識鏈

學生在開展綜合設計實踐前，已經(jīng)通過專業(yè)課程掌握了基本的專業(yè)知識，如電路分析，程序設計等。但面對實際的應用需求，通常缺乏選擇技術、應用技術的能力，相當數(shù)量的同學缺少綜合應用所學知識解決復雜工程問題的能力。

因此在教學過程中，實踐教學團隊的教師要努力指導學生梳理項目需求，并提出解決方案，根據(jù)學生的能力，繼而將解決方案轉化為學生在理論課程中學習的知識點，幫助學生完成從理論知識到工程應用的飛躍。

在電子工程設計系列課程中，教學內容的設計采用層層深入的方式，從頂層設計（需求分析、方案設計）開始，細化至功能模塊設計，在模塊設計中又按步驟開展細節(jié)設計（電路設計、程序設計等）。教學、實踐內容根據(jù)項目各環(huán)節(jié)特點進行細化、拆分，是將復雜問題梳理為學生便于理解、實踐的技術單元，引導學生逐步掌握設計開發(fā)的相關技能，建立工程設計思想。

這樣的教學內容設計是為了在兼顧項目設計的整體流程的同時，又能夠突出實踐要求中的專業(yè)知識訓練、實踐技能的提升。

（四）面向自主設計開發(fā)

本系列課程中“電子工程設計-3”課程的內容是在“電子工程設計I-1、I-2”完成的“智能溫控控制系統(tǒng)”項目基礎上，進行系統(tǒng)升級和功能擴展?？紤]到學生在完成“電子工程設計I-1、I-2”的過程中，已經(jīng)積累了必要的工程技能和項目設計、實施經(jīng)驗，“電子工程設計I-3”將以學生為主體，由學生提出設計思路和方案，指導教師則通過與學生的討論，提出必要的方向性指導。

“智能溫控控制系統(tǒng)”升級和擴展的具體內容基于實驗室條件和實施難度，在一定范圍內自主選擇，包括：處理器升級、測控技術升級、短距離通信功能擴展等十余個方向，如圖3所示，涉及傳感器測量技術、嵌入式操作系統(tǒng)、現(xiàn)場總線技術、分布式測控技術和FPGA設計等技術領域。

圖3 拓展設計過程中所涵蓋的知識點

“電子工程設計I-3”在培養(yǎng)學生“解決電子技術領域中復雜工程問題”能力的基礎上，鼓勵學生拓展創(chuàng)新意識，并將學生的視野提升至電類專業(yè)工程技術市場化的產(chǎn)品設計和項目組織的高度，以培養(yǎng)未來的“卓越工程師”。

結語

電子工程設計系列課程從覆蓋項目全流程的“水平維度”，滿足需求、技術解構的“縱深維度”，激發(fā)學生創(chuàng)新精神的“擴展維度”等方向上開展教學案例設計，在指導學生實踐專業(yè)知識的基礎上，拓展學生眼界，拉近了實踐教學與實際工程應用的距離，同時滿足貼近產(chǎn)業(yè)形態(tài)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展最新成果的要求。課程建設十余年來不斷創(chuàng)新，在培養(yǎng)實踐能力方面受到多方好評。