從美國賓夕法尼亞大學專業認知教育談本科生創新能力培養

馬 利, 張玉奇，李 鵬，牛 斌

(遼寧大學 信息學院，遼寧 沈陽 110036)

認知是人類個體認識客觀世界的過程，通過認知過程人們獲得知識或應用知識，實現對信息進行加工。在本科教學階段，專業認知教育可以根據專業特點，使學生對本專業進行系統了解，并具有接受、整合的能力。本科教育階段，專業認知的目的[1]是讓處于專業知識零認識階段的學生，能夠了解所學專業的培養目標、學習內容、學習要求，初探專業發展歷程和前沿，掌握基本的學習工具，培養學生對本專業的熱愛，為未來的專業學習打下良好的基礎。電子信息類專業需要學生掌握專業知識，能夠運用必要的工具進行系統設計、開發，具有較強的實踐能力和創新能力，所以在認知教育過程中不僅要了解本專業的相關知識，更應該初步培養學生的實踐技能、創新能力和專業熱情[2-3]。

美國的大學教育強調培養學生的學習能力、實踐能力和創新能力[4]，在專業認知教育方面尤其凸顯這一特點，在認知教育的選題、教學手段、實驗方式、考核方法過程中都充分保證學生各方面能力的培養[5]。本文以美國賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania，簡稱賓大)電子系統工程系的專業認知教育課程——電子系統工程介紹(Introduction to electrical and systems engineering)為例，探討美國大學電子信息類專業認知教育，學習有益經驗。

1 “電子系統工程介紹”課程簡介

“電子系統工程介紹”是賓夕法尼亞大學電子系統工程系為電子工程(electrical engineering)專業學生開設的專業認知課程[6]。該課程主要介紹電子系統工程中所涵蓋的電路設計、信號處理、網絡分析的基本概念及相應的復雜系統設計，并開設相關專題的實驗課程。課程主題包括電路的數學建模、半導體物理與加工技術、模擬信號和數字信號處理、網絡的分層組織、復雜系統的分析和抽象。

課程分為三大板塊：專題講座、認知實驗和項目設計。其具體內容如下。

1.1 專題講座

在專題講座板塊共包含5個專題講座，講座題目和內容為：

(1) 超大規模集成電路和微電子——信息革命的基礎。講座通過對超大規模集成電路和微電子發展歷程及應用的介紹，概述簡單模擬電路、數字電路的基本概念、原理，并介紹該專業的專業特點、培養目標及后續專業課程設置情況。

(2) 納米加工技術。講座圍繞電子元器件的制作，對納米加工技術進行了介紹，并引入后續課程相關內容，使學生了解該項技術的應用情況。

(3) 信號處理。主要介紹了信號、信號處理的基本概念及信號處理的典型應用，尤其是通過信號處理在圖像、語音技術中的應用，使學生了解專業知識的應用。

(4) 神奇的機器人。主要圍繞機器人技術的發展，實現機器人的硬件和軟件相關概念，以及機器人應用的相關領域，對機器人技術進行了介紹，并引入了“基礎電路分析”、“信號和濾波”、“機械設計”、“嵌入式系統”、“數據結構和算法”等后續相關課程。

(5) 如何實現器件到產品轉變。從市場的規律出發，介紹如何滿足客戶需求開發相應電子產品，并取得相應收益，通過這一講座使學生充分認識電子產品開發的過程。

1.2 認知實驗

認知實驗主要通過6個實驗由淺入深地使學生了解模擬電子技術、數字電子技術的基本概念及建模，掌握學習工具Matlab的使用，了解Arduino處理器的編程和XBees無線網絡的相關知識，實現基于Arduino處理器的小系統、復雜系統的設計、開發。具體實驗內容見表1。

表1 “電氣及系統工程介紹”課程實驗安排

1.3 項目設計

學生在課程學習過程中需要完成實踐項目、期中項目和期末項目3個項目設計題目。

實踐項目要求學生應用MAX756設計一個電池供電的便攜式USB充電器，要求學生完成參數計算、焊接、裝配[7]。

期中項目一般為撰寫科技報告，例如2013年秋季學期期中項目設計為：作為蘋果公司和三星公司的項目顧問，根據所學知識和提供的問題，撰寫三星Galaxy手機和蘋果iPad在硬件和軟件的相同點和差異。

期末項目是根據之前課程中所學到的電路、Arduino處理器、無線網絡的知識，由學生獨立設計完成一個基于ZigBee無線網絡的計步器，該計步器能夠與其他同樣處于無線網絡中的計步器共享數據。學生也可以根據自己的想法增加相應的模塊，使項目更具有特色。

2 賓夕法尼亞大學專業認知教育在學生創新能力培養方面的特點及啟示

近年來國內高校在人才培養過程中重視實踐教學環節，越來越多的高校開展專業認知教育、認知實習等課程，以提高學生專業認識及實踐能力、創新能力[8]。從賓夕法尼亞大學專業認知教育課程的課程內容、教學方法等方面來看，其目的是使學生在了解專業特點的同時，激發學生對本專業的興趣，并從淺顯的概念出發，結合實踐，培養學生的實踐能力和創新能力。通過對其課程開展情況的分析，結合我國國情，本文認為以下幾點啟示對于電子信息類人才的創新能力培養來說具有重要意義。

2.1 課程選題新穎，貼近實際

從賓夕法尼亞大學專業認知教育課程中內容選題可以看出，無論是講座題目、實驗題目，還是項目設計題目，都是與當前技術發展密切相關，是通過跟蹤技術發展形勢確定的，這是符合電子信息類學生培養要求的[9]。所以，在培養學生創新能力的時候必須注重追蹤科學技術的發展，把最新的實驗方法、測試技術和儀器設備引進實驗教學之中，把最新的科學研究成果和科學研究方式方法及時地帶到實驗教學中，引導學生去探索新的知識，體會科技的進步和競爭，培養其創新精神。而且，在題目設計過程中，要充分考慮到學生的認知過程，題目貼近實際，易于學生實踐。

2.2 內容由淺入深，分層次進行

賓夕法尼亞大學專業認知教育課程中首先從淺顯的歐姆定律開始，介紹學習的基本方法、基本工具，再引入容易實現的Arduino處理器的編程、系統設計，最后實現基于無線網絡的系統設計。其教學內容由淺入深，環環相扣，從基礎實驗的認知階段→理論向實際應用的轉換階段→學生綜合設計性實驗階段→自主選題開發階段，層次逐層升高。隨著層次越高，設計研究和學生獨立性的成分越多。這種分層次、漸進式的教學內容設置，有效地實現了學生從基礎常識到專業知識過渡，并初步引入工程性、應用性基礎教育。

2.3 實驗教學與開放式實驗相結合

在實驗教學過程中，賓夕法尼亞大學專業認知教育課程分為實驗課和項目設計2個模塊。實驗課是采用固定實驗時間、固定實驗內容的授課方式，學生在實驗過程中了解實驗室規章制度，熟悉使用實驗室設備，掌握基本實驗工具和手段，達到實驗內容教學的目標，為后續項目設計打下良好的基礎。在項目設計過程中，采取開放式實驗方式[10]，學生可以根據自身情況在開放實驗室進行項目的設計和實現。這種結合方式不僅達到了學生在專業認知階段必要的知識積累，還可以使學生充分利用實驗室資源，創造獨立學習的機會。通過開放實驗室，將課內與課外相結合，從而做到“優化課內，強化課外”的實驗效果。

2.4 采用任務驅動式教學，注重學生自學能力培養

課程項目設計主要采用任務驅動式教學方法[11-12]，通過建立任務，誘發、加強學生學習和完成任務的動機，激勵學生的主觀能動性。學生通過對給出的項目要求進行文獻檢索、資料整理，學會撰寫科技報告。為滿足實踐項目設計要求，學生需要自學相關硬件、軟件設計知識，動手完成系統的搭建、調試，并能夠抓住自身系統設計特點進行產品介紹講解。在學生項目設計過程中，教師給予相應的指導和總結，使學生對于專業的認知更加清晰和深刻，進一步提高學生對專業知識學習的興趣，形成比較穩定的學習動機。

2.5 良好的網絡教學平臺促進教學開展

賓夕法尼亞大學為每一門課程開設相應的網絡教學平臺，在平臺上教師可以對課程及學生進行有效管理，學生可以查閱課程的相關授課信息、下載教學軟件和參考材料、課程教學內容，實現作業上傳，并可以實現教師和學生的交流。網絡教學平臺的使用，不僅在資源上豐富了課堂教學的內容，而且推動了研究性教學的開展[13]，促進教師對于課程進行細化教學，加強了師生互動，使學生的自主性得到了充分發揮，探究的時間更充分，空間更廣闊，利于學生的個性化教育。

2.6 注重綜合能力的考核方式

在課程的考核方面，不僅僅注重項目作品的實現情況，還需要學生制作作品展示海報，進行作品口頭介紹。海報要求在設計、內容上具有獨特性，在展示過程中主題突出、語言流暢、體態適宜，同時如果作品具有原創點還會給予相應的加分。可以看出課程的考核方式不僅僅局限于專業特色和創新能力培養，還激勵學生培養獲取、篩選、加工信息的能力和語言表達能力。

3 結束語

通過對賓夕法尼亞大學專業認知課程“電子系統工程介紹”的研究，可以看出，良好的專業認知教育可以給學生的認知能力、專業技能、實踐能力和創新能力的培養打下良好的基礎，尤其是創新能力的培養，不僅僅局限在高年級學生的專業課教學中，而是應該在學生剛剛接觸本專業知識之初，就給予適當的引導及培養，這樣才能激發學生的專業熱情，提高專業學習興趣，推動專業學習的發展。同時，在專業認知教育開展過程中，在課程內容、教學手段、考核手段等多方面注重學生個性的發展，培養學生的創新意識和實踐能力，這為國內高校電子信息類學生的創新能力培養提供了良好的借鑒。

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[6] Dan Lee, Sid Deliwala. 美國賓夕法尼亞大學“電子系統工程介紹”課程主頁[EB/OL].http://www.seas.upenn.edu/～ese111/.

[7] Ladyada. 美國賓夕法尼亞大學“電子系統工程介紹”課程實踐項目主頁[EB/OL].http://learn. adafruit.com/minty-boost.

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[10] 陳巖，高先池，楊桂朋.大學生開放實驗教學的探討[J].實驗科學與技術，2012，10(3)：138-140.

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[13] 趙春青，姜詠芳，劉玉升，等.加強實踐教學資源建設，提高學生綜合實踐能力[J].實驗技術與管理，2012，28(11)：161-163.