以工程系統為導向的實驗實踐體系探索

王 茜

(電子科技大學 成都學院，四川 成都611731)

0 引 言

人才培養體系的構建是高校發展的重中之重［1］，是關系到學院生存和發展的大事，而實驗實踐教學是其中重要的組成部分［2］，如何在社會對人才需求不斷提高的今天，與時俱進地走出自己的特色之路、實現電子科技大學成都學院的可持續發展，成為四川省2014～2016 年高等教育人才培養質量和教學改革——以工程系統為導向的人才培養體系的研究與實踐課題研究的核心任務。近年來，我國高校工科類專業對原來工程實踐性教學環節的教學模式進行了較大幅度的改革，普遍加強了實踐教學環節，推進產學研結合的進程。經過我們認真地調研和分析，認為目前實驗實踐教學環節仍存在以下問題:實驗實踐教學雖有加強，但涉及課程較少;理論教學與實驗實踐教學雖有一定交融，但相互間仍缺少系統性聯系;工程觀念引入過少，實驗實踐課程更多地是針對書本習題的演練。

針對以上問題，本課題以國際流行的CDIO 模式為綱、以工程系統為導向進行實驗實踐體系的探索。

1 課題目標

我們對企業調查發現:就業市場要求畢業生具有符合崗位需要的實踐能力、符合行業需要的專業技能、符合職業發展的職業素養。從這些要求可以看出，實踐能力是企業首要看重的能力［3］，如何培養企業所需的實踐能力是進行實驗實踐教學改革的重要依據。

CDIO(Conceive Design Implement Operate，CDIO)是由麻省理工學院等四所大學建立的一種先進的工程教育模式，它以產品從構思、研發、運行到廢棄和再利用的全生命過程為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習和獲取工程能力，包括個人的科學和技術知識、終身學習能力、交流和團隊工作能力和在社會和企業環境下構建產品、過程和系統的能力。CDIO 的培養目標是把學生培養成能夠掌握深厚的技術基礎知識;領導新產品和新系統的開發和運行;理解技術的研究與發展對社會的重要性和戰略影響的應用型人才［4］。

CDIO 的培養目標與市場需求高度吻合，但CDIO的內容非常的繁多，不能完全照搬，必須根據本學院的特點對CDIO 進行應用、繼承和發展，以工程系統為主線，完整、有銜接地貫穿于整個本科四年實驗實踐教學階段，使學生系統地得到構思、設計、實現、運行(CDIO)的整體訓練［4］。通過基于工程系統的培養體系，可使學生受到工程和團隊工作的實際訓練，從而具備以團隊方式解決實際問題的能力，造就理論基礎扎實、實踐能力突出、職業素養優良的具有終身學習能力的應用型人才［5］。

2 實驗實踐能力體系

本課題參照CDIO 的思想采用魚骨圖的方式規劃整個實驗實踐能力體系。體系以工程系統為導向，以培養學生的七大能力為目的，其中，七大能力的內容如下:

(1)發掘能力。能從實際角度出發，發現設計中問題的能力;

(2)系統設計能力。從整體和全面的視角設計系統的能力;

(3)工程能力。在平衡產品性能和價格的基礎上，實現工程價值最大化的能力;

(4)創新能力。對已有的知識和技術進行創新和運用的能力;

(5)團隊協作能力。在團隊中能夠與他人進行溝通和技術協作的能力;

(6)交流能力。能夠對自己的累積進行表達和寫作的能力;

(7)職業素養。誠信、責任感和進取。

下面以嵌入式專業方向為例進行分析，其實驗實踐能力體系圖見圖1，整個體系按培養的深度劃分為三級:第一級為工程系統實踐級，內容為本專業相關工程能力的綜合應用，系統設置由簡到難，由硬件平臺到軟件開發，能力要求為高級，涵蓋七大能力的全方位培養;第二級為軟硬件綜合實踐級——本專業相關實驗課程群延伸的實踐應用，分模塊進行綜合實踐，能力要求為中級，培養部分綜合能力;第三級為專業課程實驗級——為增強專業課程的理解而設的實驗動手課程，能力要求為初級，完成單項能力的培養。

圖1 實驗實踐能力體系圖

2.1 專業課程實驗級

工科專業的理論課程通常具有專業術語多、推導過程繁雜、理解抽象困難等特點，實驗課程可以讓學生在短時間內對專業課程內容直觀、形象地理解和掌握，課題組根據具體專業課程的需要設置實驗課程，然后將所有的實驗課程根據內容、屬性和難度組成實驗課程群。例如，圖1 中的電路板設計實驗1、集成電路應用實驗和單片機實驗就是根據內容由淺入深地共同組成單片機硬件開發實驗課程群。其中，電路板設計實驗先教會學生運用PCB 制圖軟件;集成電路應用實驗將教會學生如何調試電路;單片機實驗將教會學生如何調試單片機硬件系統，以上三門實驗課程是硬件部分的基礎課程，可以幫助學生逐步累積動手經驗，為下一級綜合實踐級的開展打下基礎。課程群的劃分可以讓師生都明確課程之間的相互聯系和該門實驗在整個培養體系中所處的位置［6］，可以循序漸進地培養起學生對實踐學習的興趣，引導他們對實驗內容定性地進行思考。

實驗課程群是依據學生由淺入深、由點到面的實踐學習特點進行設置的，課程依據難易程度由淺入深的在實驗室中進行教授，教學方式區別于一般的理論教學，統一采用引導式教學［7］，帶領學生發現問題［8］、引導思考、指導解決。在筆者的教學班里發現，實驗課程群的劃分和改革不僅促進了學生以更積極主動的心態對理論課程的學習自我完善，還提升了學生發掘問題和解決問題的能力。

2.2 軟硬件綜合實踐級

實驗課程群針對的是單門課程，鍛煉的僅僅是某一個課程點的動手能力，在完成了一個實驗課程群的教學之后就需要進行能力的擴展和深化，即是軟硬件綜合實踐級訓練。

軟硬件綜合實踐級是對課程群中的知識進行綜合應用能力的拓展，例如圖1 中的ARM 系統開發，就是對ARM 系統的軟硬件綜合實踐。實踐課題主要來源于競賽，如循跡小車、四旋翼飛行器的制作等。實踐內容不再是單一的知識點，而是擴展到知識面，綜合實踐級的難度隨著學生年級的增長逐年增大，如ARM 系統開發的難度就高于單片機硬件開發。

綜合實踐級要求學生能夠對多門課程中的知識點靈活運用、融會貫通，提升學生的中級實踐能力。該級別由教師出題，學生組隊參與，在這一級教師不再手把手地指導，而是把大半的時間交給學生，由他們自主思考、合作完成競賽小項目。例如圖1 中的ARM 系統開發課題之一就是2013 年全國大學生電子設計競賽題——四旋翼自主飛行器，該課題是融入了電路板設計、ARM 實驗、C 語言課程實驗等一系列課程群的綜合項目。經過幾年的教學實踐，我們采用綜合實踐級的訓練模式指導學生參加電子設計競賽，取得了良好的效果，學生先后獲得了許多省級、國家級獎項，進一步培養了學生對綜合系統的設計能力、創新能力和團隊協作能力。

2.3 工程系統實踐級

工程系統實踐級是軟硬件綜合能力的工程應用訓練。能力要求為高級，要求學生能夠對已有的知識深入貫通、對未知的知識發掘專研，課題主要來源于科研和企業項目，能夠模擬在企業和社會環境中實際產品系統的構思、設計、實現和運行過程。

每個專業的一級體系中含三個工程系統實踐項目［9］，難度逐個增大，教師根據自己的專研方向組隊指導，每年制定的工程系統項目都需要引入工程概念［10］，涵蓋學生學過的專業知識，培養學生的系統設計能力、工程基礎能力、團隊協作能力、交流能力以及職業素養，同時我們還要求工程系統中一定要有學生沒學過的知識，給予學生足夠大的自學空間，培養學生對未知領域的發掘能力和創新能力［11］。例如圖1 中的嵌入式控制系統課題之一是基于RFID 的便攜式點檢設備設計，教師的角色轉變為挑剔的客戶，提出工程指標和結題時間，學生組隊承接項目，項目完成后，教師會以工程標準對學生作品進行考核:包括系統手持部分重量小于200 g、閱讀距離在125 mm 以內、符合ISO 18000-3 標準等。

學生在4 年的學習中至少要進行兩個工程系統實踐訓練，設計成績合格方能進行畢業答辯，經過幾年的工程系統實踐級教學，不僅提高了學生畢業設計的質量，更是縮短了學生能力和企業需求之間的距離，顯著提升了就業率。

3 質量保障體系

3.1 團隊承包制

按工程系統劃分指導團隊，團隊成員由專職教師、實驗教師、輔導員、教務、行政共同組成。每個團隊在工程系統開展前與系上簽訂任務協議書(含任務實施細則和任務分解表)，時間結點到時進行任務考核，對完成情況排名第一的進行獎勵，完成情況不達標的計入年終考核。通過團隊承包制，提升了教師的團隊意識，每一名成員各司其職，從學業到生活為學生提供全方位的指導。

3.2 畢業設計改革

工程系統設計的作品可用于畢業答辯，但需提前進行申請，難度達標的方可獲批準，從畢業答辯的情況可以對團隊建設質量進行評測［12］，同時可隨時根據反饋情況對整個實踐系統進行改進。經過實踐訓練的畢業設計不再是流于形式的抄襲和復制，而是教學成果的總結和呈現，反過來，畢業設計又可以指導我們不斷改進教學方法，進一步深化CDIO 改革的內涵。

3.3 實踐教學監控

每門實踐課程都需要書寫詳細的改革教案。教案不再延續舊的形式，而是引入CDIO 思想，重新構思課堂內容，讓學生成為教學活動中的主角，每次開學前都要探討教案，并讓教師相互進行聽課評分，同時定期召開教學反饋會，通過以上多種形式進行課堂教學質量監控［13］。通過對實踐教學質量的嚴格監控，避免了出現虎頭蛇尾的現象，讓整個教學實踐活動更加健康、穩健、扎實。

4 以工程系統為導向的實驗實踐體系的效果分析

以工程系統為導向的實驗實踐體系是基于CDIO培養模式的創新型實踐體系［14］，由淺入深地引導學生向工程師的角色轉變，通過三級體系的訓練完成對專業技能的綜合學習，提高學生發現問題、定性分析、整體思維、軟硬結合、性價權衡、整合研發、團隊協作的能力，以及良好的表達能力、寫作能力、職業素養等。①整個實踐體系大幅度的對核心課程增設實驗課，激發了學生動手實踐的主動性和積極性，將被動的理論學習轉化為主動的動手實踐，學生有更多的思考與融會貫通的時間去領悟學習要領;②實踐體系的逐級構建，不僅讓學生能夠循序漸進的完善專業系統的理解和學習，這種分層設置還滿足了不同層次、不同個性學生的需求，不同程度的提升了學生的綜合實踐能力;③工程觀念的引入使學生更加明白企業的需求，變“教師是演員學生是聽眾”為“教師是客戶學生是工程師”的教學方式確保學生以工程主體的角色參與教學過程［15］，不僅實現師生的良性互動，還讓學生在就業前得到工程實踐的訓練，從而縮短了企業需求與學生能力之間的距離。

5 結 語

實驗實踐體系是高校教育中非常重要的一個內容，隨著現代科技的不斷進步和發展，必須與時俱進。電子科技大學成都學院微電子技術系基于國際流行的CDIO 工程教育模式，提出了以工程系統為導向、以培養七大能力為目的的實驗實踐體系結構，并對其不斷地進行探索、創新和改革，最終希望通過實踐達到培養可持續性發展人才的目的［16］。

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