以工程教育專業認證為導向的信息工程專業實踐教學改革

張紅燕

(湖南農業大學 信息科學技術學院, 湖南 長沙 410128)

工程教育在我國高等教育中有著至關重要的地位,為提高工程教育質量,我國從2006年開始工程教育專業認證工作,并參照《華盛頓協議》要求制定了工程教育專業認證標準,明確提出學生畢業時應具備運用專業知識和科學方法進行分析、研究和解決復雜工程問題的能力,同時提出各專業應設置完善的實踐教學體系,并要求與企業合作開展實習、實訓,培養學生的實踐能力和創新能力[1],明確了高校實驗實踐教學環節的目的、意義和重要性[2]。

隨著經濟全球化的快速發展,以及信息技術在國防、通信、航空、生物、醫療等工程領域的廣泛應用,高校對信息工程專業本科生的培養目標越來越清晰。以工程教育專業認證通用標準和電子信息與電氣工程類專業補充標準為導向,結合我校信息工程專業建設的實際情況,從實踐教學體系構建、實踐教學內容規范、教學方法和教學手段多元化等方面進行了信息工程專業實踐教學改革,通過強化對學生工程實踐能力的培養來提升本專業的工程教育質量。

1 構建“模塊化+個性化”的實踐教學體系

根據通用標準中對畢業生實踐創新能力的要求,以及專業補充標準中對專業知識領域、課程體系和實驗條件的要求,結合我院辦學特色,構建了如圖1所示的信息工程專業“模塊化+個性化”實踐教學體系。一方面,通過統一安排的課程實驗、課程設計、校內外實習實訓等實踐教學環節,利用實驗教學平臺、實習實訓平臺對學生進行統一的模塊化實踐教學；另一方面,學生通過自愿參加教師科研項目、創新實驗室、大學生學科競賽和創新實驗項目,利用科研平臺和創新實踐平臺實現對學生個性化工程實踐能力的培養。

“模塊化+個性化”實踐教學體系包含了工程教育實踐教學的不同層次,從基礎層的實驗教學,到綜合層的實訓、實習和畢業設計,再到科研創新層,體現了厚基礎、重個性的教學要求[3]。

圖1 信息工程專業“模塊化+個性化”實踐教學體系

2 教學計劃內的模塊化實踐教學

“模塊化+個性化”實踐教學體系將教學計劃內的

實踐教學分為4個層次(模塊)：實驗教學、綜合實訓、校外實習和畢業設計,每個層次的實踐教學均以信息工程專業所要求的計算機、電子、通信3方面的知識能力為核心。

2.1 實驗教學

實驗教學主要指課內的通識基礎課、學科專業基礎課、專業核心課和選修課的課內實驗教學。鑒于學校對通識基礎課實驗有統一安排,我們只對3項專業實驗課教學進行規范。專業課程以計算機、電子、通信3方面的知識能力模塊為主線,旨在培養學生信息獲取、信息傳輸、信息處理及信息應用能力,如圖2所示。其中,計算機類課程實驗主要培養學生的計算機操作能力和軟件開發能力,電子類課程實驗主要培養學生的電子電路分析能力和硬件開發能力,通信類課程實驗則主要培養學生對通信信號的處理能力和通信網絡利用能力。當然,這種歸類只是相對的,遇到復雜的工程問題,往往需要融會貫通多學科能力，知識才可解決。

課內實驗一般設有驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。學生既可通過驗證性實驗鞏固課堂理論知識的學習,又可通過設計性、綜合性實驗培養拓展創新思維和提高解決問題的能力。

圖2 實驗教學模塊構成

2.2 綜合實訓

綜合實訓主要包括：(1)通信類的信號與系統綜合大實驗、通信原理課程設計,學生通過Matlab、System View等軟件構建通信仿真系統,并分析在通信系統傳輸過程中的波形與頻譜；(2)電子硬件類的微機原理課程設計,學生利用微機和接口芯片設計應用系統,完成系統中硬件電路的設計和程序編寫；(3)計算機軟件開發類的數據結構程序設計、軟件綜合實訓,學生利用C語言/Java語言進行項目開發,完成軟件開發過程中的問題分析、系統設計、程序編碼、測試等。

綜合實訓從計算機軟件系統開發、電子硬件系統設計到通信系統構建,全面培養學生的軟硬件系統設計能力、文獻查閱能力和創新思維。同時,依托校企合作資源,在實訓中適時引入企業實戰工程項目,進一步培養了學生分析解決復雜工程問題的能力。

2.3 校外實習

校外實習主要包括專業認知實習、社會調查、生產實習和畢業實習。專業認知實習是對校內認知實驗的補充,主要通過參觀電信機房和智能體驗廳認知大型通信設備和通信應用系統,通過參觀電子企業認知硬件系統設計與生產環節。社會調查是學生利用假期,對特定的社會現象進行實地考察,了解其發生的各種原因和相互關聯,提出解決對策,并撰寫調查報告[4]。生產實習讓學生走進校外實習基地,通過制作來電顯示電話機等簡單通信裝置、搭建小型通信系統、操作大型通信設備、測試優化網絡信號等實踐操作,提高學生將所學專業知識應用到生產實踐中去的能力。畢業實習讓學生走進企業,到信息類相關崗位實習,接觸最新的科技與管理知識,了解信息工程專業相關工作流程和專業發展趨勢。

通過校外實習,可拓寬學生視野,提高學生社會適應能力和組織協調能力等,使學生在實習中獲得初步的職業體驗[4]。目前,信息工程專業已在廣州訊聯通信工程公司湖南分公司、洛陽牡丹通訊有限公司、長沙電信等企業建立了多家校外實習基地。

2.4 畢業設計(論文)

畢業設計(論文)是指學生在教師指導下選擇一個與生產實際或科學研究相關的課題,綜合運用本專業有關課程的理論和技術,完成對實際問題解決方案的設計與研究。學生通過對課題的深入系統研究,可鞏固、擴展、加深已有知識,提升文獻查閱能力、文字表達能力和工程實踐能力,為將來走上工作崗位、獨立完成工作任務奠定基礎。

3 教學計劃外的個性化科研創新實踐

工程教育強調對學生創新意識和創新能力的培養。專業教學計劃內的模塊化實踐教學對培養和提高學生工程實踐能力的作用毋庸置疑,但個性化的工程創新能力培養還有賴科研創新實踐環節來補充,這主要通過教學計劃外的創新實踐平臺和科研平臺來實現。

3.1 創新實踐平臺

創新實踐平臺以創新實驗室為依托,如圖3所示。根據信息工程學科特點,從2006 年起先后建立了電子設計創新實驗室、ACM 創新實驗室、通信技術創新實驗室。創新實驗室定期面向在校本科生招新,并成立專門的創新教學團隊定期為學生進行培訓和指導,專注于對學生算法編程設計能力、電子創新設計能力和通信系統設計能力的培養。

圖3 信息工程專業創新實踐平臺

本著“以競賽促實踐,以創新拓能力”的教學理念,創新實驗室每年都組織學生參加各類賽事和申報各級創新實驗項目,促進學生創新實踐能力的培養。目前參加的競賽主要包括大學生程序設計競賽、電子設計競賽、嵌入式系統設計大賽、通信技術大賽等,申報的創新實驗項目主要包括：校大學生科研創新項目、校大學生創新實驗項目及國家級、省級大學生創新實驗項目等[5]。

3.2 科學研究平臺

科學研究平臺主要由專業教師提供。學生可在本科生導師的指導下,加入導師課題組,參與科研項目研究。鼓勵學生就取得的科研成果申請軟件著作權、發表科研小論文,促進對學生科研創新能力和學術表達能力的培養。

4 運用現代教育技術手段改革實踐教學

4.1 將在線評測系統引入實踐教學

將在線評測系統引入到“C程序設計”“計算思維與算法分析”和“數據結構”等課程的實驗教學中。學生在線提交答案就能看到系統的評判結果,不但知道自己答案的正誤與否,還可了解在全校的排名情況,大大提高了學生的編程興趣[6]。學生課后還可登錄在線評測系統進行作業練習,在此過程中,攻克作業挑戰所帶來的成就感,對學生不斷創新具有很好的激勵作用[5]。

這種基于競賽機制的任務驅動式學習,促進了學生自主學習模式的形成,使學生在你追我趕的競賽中不斷提高計算機編程能力。由于系統中的題目大多源于生活情境和工程實踐,因此對學生分析工程問題的能力也是一種磨煉。

4.2 將SPOC混合式教學引入實踐教學

信息工程專業的“信號與系統”“通信原理”“數字電路”等實驗課程知識點多、實驗操作繁瑣,因此將SPOC混合式教學引入到實驗課堂中,主要包括課堂講解、主題討論、提交實驗報告等模塊。課前,教師將實驗的基本原理、操作步驟、實驗儀器使用等內容做成講座視頻或文檔資料發布到課堂講解模塊,便于學生預習；課中,學生動手實驗,教師現場指導，學生遇到問題時,除了可以請教教師或其他學生外,還可重復聽取在線的課堂講解；課后,學生可通過提交報告模塊在線提交電子實驗報告并進行提問,教師則可在線評閱實驗報告，并為學生答疑[7]。

這種線上理論學習和線下實驗操作的SPOC混合實踐教學模式,加深了學生對實驗原理的理解,改變了傳統硬件類實驗課照著實驗指導書連線“走過場”的局面,教學效果良好。

4.3 建立“虛實結合”的專業實驗室

傳統實驗多受實驗地點、實驗室開放時間和實驗設備限制,無法滿足學生隨時隨地進行實驗操作的學習需求。將虛擬實驗引入到硬件類實驗課程教學中,能有效彌補硬件實驗的不足,并有助于培養學生的設計、分析和創新能力[8]。

對傳統的只有示波器和實驗箱的信號與系統、通信原理、移動通信技術等實驗室進行升級改造,在實驗室中新增計算機設備,并為每臺計算機安裝Matlab、System View等仿真軟件,供學生構建信號傳輸、通信系統的虛擬仿真實驗。

虛擬實驗操作簡單,不受時間和空間限制,但缺乏真實感,真實實驗操作可使學生熟練使用示波器等實驗儀器,但實驗操作相對復雜。構建“虛實”結合專業實驗室,將虛擬實驗與真實實驗優勢互補,能更好地提高實驗教學的效果和學生的綜合實驗能力[9]。

5 結語

以工程教育專業認證為導向的高等教育改革的核心工作是培養和加強學生的工程能力[10]。實踐表明,信息工程專業構建的“模塊化+個性化”的實踐教學體系,將教學計劃內的模塊化實踐教學和計劃外的個性化實踐創新有機結合,既系統規范地培養了學生的整體工程實踐能力,又因材施教地培養了學生的個性化工程創新能力。另外,充分運用現代教育技術手段創新實驗教學,將在線競賽機制、SPOC混合教學和虛擬仿真實驗等引入實驗課堂,激發了學生的學習興趣,提高了學生學習的主動性,取得良好的教學效果。今后還將持續更新和改進實驗項目和實驗內容,提升企業參與實踐教學的深度,將專業人才培養的實踐環節與行業的實際需求有機結合,進一步培養學生運用專業知識解決復雜工程問題的能力。