工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新系列課程的實(shí)踐

張士文，張 峰，殳國(guó)華，鄭益慧

(上海交通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，上海 200240)

卓越工程師計(jì)劃十分重視提高大學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［1］。如何設(shè)置合理的實(shí)踐課程，提高他們的動(dòng)手能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力是高校面臨的挑戰(zhàn)［2-4］。工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新(簡(jiǎn)稱科創(chuàng))系列課程是我校面向電類專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的以工程實(shí)踐及創(chuàng)新能力培養(yǎng)為主的課程，藉此可以改善學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

1 課程總體設(shè)置及特點(diǎn)

1.1 科創(chuàng)課程的四個(gè)階段

目前，工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新系列課程包含循序漸進(jìn)的四個(gè)階段。第一階段(“科創(chuàng)I”)面向大一新生。這是電類專業(yè)的必修課，主要進(jìn)行基本焊接和基本儀器的使用訓(xùn)練。同時(shí)，通過(guò)一定的競(jìng)技使學(xué)生產(chǎn)生較為濃厚的興趣，從而為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。第二、三、四階段(“科創(chuàng) II、III、IV”)的課程分別面向一、二、三年級(jí)開(kāi)設(shè)，內(nèi)容從調(diào)試局部電路或軟件，設(shè)計(jì)并完成包含硬件及軟件的小系統(tǒng)，到最終能夠自主設(shè)計(jì)并調(diào)試較為復(fù)雜的系統(tǒng)。

1.2 課程的運(yùn)行機(jī)制

在課程組整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，各系(中心)均可設(shè)計(jì)融研究、創(chuàng)新和實(shí)踐于一體并符合相應(yīng)階段要求的模塊，形成同一級(jí)別。多個(gè)方向的課程供學(xué)生選擇，極大的豐富了各階段的內(nèi)容。

每個(gè)新申報(bào)的課程模塊都須先經(jīng)課程組討論同意，并報(bào)學(xué)院及教務(wù)處批準(zhǔn)以后才能實(shí)施。各模塊均要有詳細(xì)的課程大綱和活動(dòng)計(jì)劃安排，包括:題目、學(xué)分、內(nèi)容、預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)、課堂講座的次數(shù)及主講教師、科技活動(dòng)的場(chǎng)所及指導(dǎo)人員、成果考核與驗(yàn)收形式等。

由此可見(jiàn)，科創(chuàng)系列課程既是一個(gè)整體，又是若干個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)的個(gè)體。各系(中心)在課程組的把關(guān)下設(shè)計(jì)、組織運(yùn)行不同的課程模塊，學(xué)生完全根據(jù)興趣愛(ài)好和個(gè)人規(guī)劃選課。這種在統(tǒng)一管理下的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制有效地調(diào)動(dòng)了參與教師的積極性，提高了系列課程的質(zhì)量。

1.3 科創(chuàng)課程的開(kāi)設(shè)情況

科創(chuàng)系列課程采用工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新“II-A”和“II-B”等形式的名稱。這里 I，II，III，IV 表示階段，A～F為各系(中心)設(shè)計(jì)的模塊編號(hào)。學(xué)生能夠通過(guò)課程名稱了解該課程的級(jí)別及開(kāi)設(shè)部門。模塊階段分布及對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)目標(biāo)如圖1所示。

圖1 科創(chuàng)系列課程體系時(shí)間分布及其能力培養(yǎng)目標(biāo)

2 各階段內(nèi)容實(shí)例

2.1 “科創(chuàng)I”的課程內(nèi)容

“科創(chuàng)I”是兩個(gè)學(xué)分的大電類專業(yè)的必修課，主要以作品焊接和組裝為主，提供了自動(dòng)小車的焊接與調(diào)試、萬(wàn)用表及無(wú)線話筒的焊接與安裝調(diào)試等課程項(xiàng)目。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐，可以對(duì)電路的焊接、零件組裝、常用工具的使用及基礎(chǔ)儀器的操作有一定的了解。在部分項(xiàng)目中，選用以貼片封裝為主的器件，對(duì)學(xué)生提出了較高的要求，使其能夠適應(yīng)今后的主流電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，這些課程也具有一定的實(shí)用性及趣味性，如在自動(dòng)小車的項(xiàng)目中，采用課程比賽等方式，促使學(xué)生思考，嘗試改進(jìn)電路參數(shù)，使性能達(dá)到最優(yōu)。針對(duì)電氣信息類試點(diǎn)班的學(xué)生，增加了單片機(jī)控制電動(dòng)小車運(yùn)行軌跡等內(nèi)容，在實(shí)踐課程實(shí)施“做中學(xué)”和“邊玩邊學(xué)”的教學(xué)理念。

2.2 “科創(chuàng)II-B”的課程內(nèi)容

“科創(chuàng)II-B”為我中心開(kāi)設(shè)的第二階段課程。我們?cè)O(shè)計(jì)了融圖像處理、軟件算法、單片機(jī)通信和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等知識(shí)于一體的題目:“計(jì)算機(jī)控制小車走迷宮”，內(nèi)容如圖2所示。該題要求學(xué)生還能夠在PC機(jī)上通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)迷宮(及小車)的圖像采集和小車定位，并生成控制指令，使小車順利走出迷宮。該題目偏重于用軟件算法解決小車的識(shí)別及控制，是小系統(tǒng)中的一部分。參與學(xué)生通常處于一年級(jí)下或二年級(jí)上，已修完高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(C或Java等)，能夠編寫簡(jiǎn)單的程序，但缺乏大型程序設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及自學(xué)能力。學(xué)生通過(guò)本課程的訓(xùn)練，可以提高軟件編寫與調(diào)試能力。同時(shí)，他們也可以學(xué)習(xí)單片機(jī)及電機(jī)控制電路，對(duì)硬件設(shè)計(jì)有初步的認(rèn)識(shí)。

圖2 “科創(chuàng)II-B”課程內(nèi)容示意圖

2.3 “科創(chuàng)III-C”的課程內(nèi)容

在“科創(chuàng)III-C”課程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)集手機(jī)編程、單片機(jī)和通信技術(shù)等知識(shí)的題目:“手機(jī)控制小車自主運(yùn)動(dòng)”。要求學(xué)生利用Android系統(tǒng)的手機(jī)或平板電腦實(shí)現(xiàn)小車的無(wú)線控制，整個(gè)題目是一個(gè)完整的小系統(tǒng)，包含嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)。本階段的學(xué)生處于二年級(jí)下或三年級(jí)上，通過(guò)第二階段的訓(xùn)練，學(xué)生將可具有較好的編程能力及一定的硬件設(shè)計(jì)調(diào)試能力，手機(jī)編程足以吸引他們深入其中。除此之外，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、藍(lán)牙通信技術(shù)和玩具小車的控制方法，使學(xué)生在玩中學(xué)到了先進(jìn)的技術(shù)，使其軟硬件水平又有了飛躍。

2.4 “科創(chuàng)IV-C”的課程內(nèi)容

第四階段是科創(chuàng)系列課程的最高階段，學(xué)生在這里可以大顯身手。我們借鑒“IEEE電腦鼠走迷宮”競(jìng)賽，將其適當(dāng)簡(jiǎn)化后引入課程，設(shè)計(jì)了這個(gè)小車自主走迷宮的題目。要求學(xué)生從零開(kāi)始，設(shè)計(jì)一部能夠自主走迷宮的小車。這個(gè)模塊融機(jī)械設(shè)計(jì)、加工、電路設(shè)計(jì)、調(diào)試、嵌入式系統(tǒng)和軟件算法于一體，集趣味性和挑戰(zhàn)性于一身，對(duì)參與學(xué)生提出了較高的要求，為后續(xù)的科技競(jìng)賽和畢業(yè)設(shè)計(jì)等工作打下良好的基礎(chǔ)。表1總結(jié)了各科創(chuàng)階段課程模塊涉及到的實(shí)踐內(nèi)容及難度。

表1 科創(chuàng)各階段模塊涉及到的內(nèi)容

3 課程的運(yùn)行保障及效果

科創(chuàng)系列課程具有內(nèi)容新穎、緊跟技術(shù)變化和提倡創(chuàng)新等特點(diǎn)。由于學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中往往缺乏理論課的支撐，(尤其是一、二年級(jí)的學(xué)生)，我們針對(duì)這種情況，提供若干次課程講座，講解涉及到的知識(shí)及常見(jiàn)問(wèn)題。同時(shí)提供課程網(wǎng)絡(luò)交流平臺(tái)及閱讀材料，安排專門的教師網(wǎng)上答疑，鼓勵(lì)學(xué)生自行查找資料，組織小組討論，共同解決遇到的問(wèn)題。通過(guò)這些措施，能夠保證絕大多數(shù)學(xué)生能夠順利完成實(shí)踐項(xiàng)目。

根據(jù)我校培養(yǎng)計(jì)劃，電類專業(yè)學(xué)生需在四個(gè)階段的科創(chuàng)系列課程中，根據(jù)興趣愛(ài)好自由的在每個(gè)階段至少選擇一門課程，從而獲得8個(gè)以上的綜合實(shí)踐類學(xué)分。其他專業(yè)的學(xué)生可以根據(jù)興趣及個(gè)人基礎(chǔ)選擇合適的課程。至今已經(jīng)有近6000名學(xué)生經(jīng)歷了系列課程訓(xùn)練，被學(xué)生認(rèn)為是“最有特色也最有價(jià)值的課程之一”。

我校科創(chuàng)系列課程是經(jīng)過(guò)多年積累、完善而形成的一系列實(shí)踐課程。課程組緊跟時(shí)代的腳步，不斷改進(jìn)課程模塊設(shè)置，以吸引更多的學(xué)生參與，為提高學(xué)生的綜合素質(zhì)做出積極的貢獻(xiàn)。

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