“電子系統設計與創新創業能力”培養體系的研究

張鵬輝, 張翠翠, 王中方

(西安交通大學 電子與信息工程學院, 陜西 西安 710049)

近年來,Alpha Go、自動駕駛汽車、無人飛機、黑燈工廠、甚至淘寶等影響人類生產、生活的重大科技發展和商業模式不斷涌現,與其說是科技的巨大進步和商業模式的巨大成功,倒不如說是創新創業的巨大成功。創新創業是我國從“中國制造”到“中國創造”戰略轉型的關鍵因素,“大眾創新、萬眾創業”不單單是一句凝心聚氣的口號,更不是一場運動,它將成為一種社會常態[1],社會和企業對工程技術人員的創新創業意識、能力提出了更高的要求,培養出掌握扎實的專業知識、具有積極的創新意識、能夠創造性地解決工程實際問題、滿足企業和社會需求的高科技人才,是關系到國家未來持續發展的大計,也是高等院校在人才培養過程中需要不斷解決的問題。

1 創新創業教育

目前大學生創新創業的熱情較高,但成功案例并不多。實際上大多數成功的企業也是創始人在社會上歷練了多年后成功創立的,這也說明高校現有的培養模式與創業者的需要還有相當大的距離[2]。創新創業教育不是一門課,也不是一個教學環節,而是要把這種理念、意識、內容融入到整個教學過程中,與本專業培養方案有機結合,形成扎扎實實的創新創業能力培養課程體系及強有力的學科支撐,以梯次遞進的方式,使學生逐步形成自主學習和自我完善要求、解決問題和勇于創新意識、工程實踐和科技研發能力、商業策劃和領導決策才能。

創新創業是理論聯系實際地解決問題、服務于國家、服務于社會的過程,創新創業需要在“全功能”的社會大環境中實踐、體驗、歷練,實現“人盡其才,才盡其用”,探索適合自己的成才之道。事實上,高校缺乏有創業經驗和管理經驗的指導教師,不具備創業的環境和條件,無法滿足大學生的創業訴求,甚至有可能使學生的創業活動處于“高危”狀態。而高新企業正是創新創業的高發地帶,以開放式的教學方式,與企業深度協作,借助于企業成熟的經營理念、創業經驗和橋梁作用,在走到企業中去的同時,引進創業導師,補足師資短板,凝聚成有效合力,共同打造創新創業教育實踐平臺。根據學生的創新創業愿望,每年派學生到企業去參與產品設計、生產、經營活動,去經歷、體驗和感受創業的過程、成就和魅力,獲得必要的創業知識并提高創業的意識。

創業離不開創新,創新是創業的基礎,創業也不一定是創商業,對大多數人來說更是創事業,沒有創新的創業注定不會長久。創新需要堅實的專業知識、較強的實踐能力和廣闊的視野,創新能力需要在不斷實踐中培養和激發。對于電子信息類專業的學生來說,電子系統是構成各種應用系統的核心基礎。電子系統設計需要對微控制器應用技術、模擬電子技術、數字電子技術、測控技術、信息處理技術、程序設計等進行學習和運用,是涵蓋大部分課程知識的綜合設計。電子系統的設計能力在很大程度上代表了學生的工程實踐能力和創新設計能力,因此電子系統設計能力培養是電子信息類學生實踐能力和創新能力培養的重要切入點和抓手。

2 國內外創新創業教育現狀

目前,國外高校基本是將創新能力培養的理念貫穿于整個培養體系中[3],特別是深入到與實踐有關的課程中,而且是從大學一年級學生開始。實驗項目普遍比較復雜,內容不局限于某門課程,強調自主實驗、創新發揮、解決問題。國外對創新人才的理解比我國要寬泛一些,在強調人的個性全面發展的同時突出創新意識、創新能力的培養。

例如,MIT把實驗課程分為公共課程中的實驗課和系級專業課程中的實驗課2部分。其中,公共實驗課為必修課程,是通識教育的一部分,面向所有學生,其主要目的是為學生提供早期解決一個或幾個實驗問題的機會,培養學生學習主動性,使學生具有類似專業人員那樣的主動性和應變能力。MIT電氣與計算機系在一、二年級設置的Instruction to EECS是一門以實驗為主的課程,包含2個6學分的必修實驗。該課程通過移動機器人實驗,揭示在自然界中通過工程手段實現人工行為所涉及的關鍵因素。

系級實驗課一般是綜合性、設計性的團隊實驗項目,重點是培養學生團隊協作、項目管理、溝通、計算機技能及實際動手能力。要求學生必修“預備本科生高級項目”和“本科生高級項目”課程,前者是基礎,后者主要是開展課題研究并完成學士論文。

國內高校也越來越重視創新創業教育,翻轉課堂和混合式教學已經在很多學校開展,學生可以在線學習,課堂成為教師與學生、學生與學生討論、互動的場所,互動的內容包括答疑解惑、知識應用、動手實踐等。教學方法的改變,有利于調動學生主動學習、思考和創新的意識。以南京大學創新創業課程為例,是由有創業經驗的教師開設,同時聘請了一批企業管理者、工程師作為課程校外導師。

此外,創客行動和創客空間[4-5]正在大規模進軍教室、實驗室和圖書館,這種“在實踐中學習”的理念,激發了學生的創造力,培養了學生不斷嘗試的科研精神。許多著名企業也參與到校園創客行動中來,如Google聯合樂高公司、國家地理、ScientificAmerican、Virgingalactic發起的Google科技博覽會,就是一個鼓勵校園創客的全球在線科技競賽平臺。ADI、Altera、TI等著名企業都贊助了各種形式的大學生創新設計競賽。

創新創業教育不僅得到了國內外高校的高度重視,也得到了企業、社會的重視。創新創業已經變成了全民、全社會的共同行動。作為以育人為本的高等學校,不僅要結合本專業培養目標制訂創新創業培養方案,更要結合社會各界力量補足短板,在培養理念、機制、方法上不斷創新。

3 “電子系統設計與創新創業能力”培養體系

3.1 研究思路與培養體系設計

實現電子系統設計能力和創新創業能力培養的總目標,不是一門課程、一個學期能夠解決的。要樹立以創新創業能力培養為核心的教學理念[6-7],將其作為一個系統工程,深入研究培養目標、課程體系、培養手段、學科發展、教師隊伍、實驗室環境、管理方式等各方面問題；要緊緊抓住電子系統設計這個抓手,破除專業教育與創新創業教育“兩張皮”現象,把創新創業能力培養融合到電子系統設計能力培養的各個環節；要解決在大一、大二學生中開展電子系統設計能力和創新能力培養的難點,使之與大三、大四的集中實踐環節、項目設計、ITP(信息新蕾計劃)、企業創新創業體驗、畢業設計等,整合形成貫通大學4年的電子系統設計能力和創新創業能力培養體系。借鑒國內外高校的一些做法[8-9],在圖1所示的研究思路的指導下,建立了如圖2所示的培養體系。

圖1 研究思路

信息工程專業原有實踐教學環節除了課程實驗以外,還有“電子系統設計”“數字系統設計”“單片機與嵌入式系統設計”和“射頻電路設計”等多門專題實驗,均在大三、大四年級開設。存在的普遍問題是學生的動手基礎比較差,知識面和實踐知識積累不足。又由于專題實驗必須從最基本的內容開始，且學時數有限,專題實驗內容的深度受到影響,效果不及預期。針對此問題,2014年在校級教改項目的支持下,利用小學期在大一學生中小范圍開設了“電子系統設計基礎”專題實驗,取得了較好的效果。在此基礎上,本項目增設了針對大二學生的電子系統設計訓練專題實驗,于2018年暑期開設,效果明顯。這樣就形成了從大一到大四不間斷的電子系統設計能力和創新能力培養體系。

圖2 貫通大學4年的培養體系

在該體系下,以創新創業能力培養為目的,重新調整已有的各專題實驗的教學目標。具體來說,針對大一、大二、大三學生的各自特點準確定位不同的教學目標,找準各種知識的支撐點和結合點,使各門課程、各種知識、各種技能有機結合并相互支撐,從零開始循序漸進地、系統性地培養學生的實踐能力和創新能力,力爭使學生的實踐能力和創新能力有一個較大的提高。對于大一學生,強調從零開始,按照先“認”后“知”、先實踐后理論、先操作后總結、先模仿后設計的基本原則,重點培養學生對專業的認知、興趣和對事物客觀規律的基本認識,使學生獲得“科技有趣,創意無限”的感受。對于大二學生,強調動手能力及獲取知識、運用知識的能力,使學生在學習各種理論知識的同時認識其對解決問題的作用,養成從解決問題角度出發思考問題使所學知識落地的習慣。通過在實踐中發現和解決問題,激發學生創新意識,增強學生創新能力,使學生體會“知識給力,創意實現”的魅力。對于大三學生,以案例教學為主,強調大工程觀念和解決實際工程問題的能力,通過將企業創業體驗和引入創業導師相結合,使學生從企業和工程師的角度考慮問題,取得“市場導向、實戰鍛煉”的成效。對于大四學生,通過項目設計、ITP計劃和畢業設計等,將學生分配到不同的導師或課題組,參與教師的研究課題,達到完成科研訓練的目的。

3.2 教學內容和實驗項目設計

電子系統設計能力和創新創業能力培養的具體實施依托項目展開,并且從大一延續下去,最終與大四學生的項目設計、畢業設計、ITP計劃對接,因此實驗項目的設立要有連續性、漸進性、特點突出、知識覆蓋、與后續接軌等特點。

對于大一學生,雖然他們的專業知識、實踐知識還很不夠,但就此開始對他們進行電子系統設計能力和創新能力的培養仍然是切實可行的。實際上很多電子應用系統都是基于基本物理原理的,許多里程碑式的發明也是從解決基本問題發展起來的,例如電燈、無線電通信、莫爾斯電報等。雖然在發明之初并沒有完善的理論體系或知識,但解決了實際應用問題。如果能對學生加以引導,他們完全有能力在大一就開始培養實踐能力。教學內容應從簡單的事、身邊的事做起,注重趣味性、實用性、易學性,突出電子技術應用的基本邏輯和對事物客觀規律的認識,學生在不完全了解理論知識的情況下,可以通過應用來體會基本的邏輯關系和思維方法。例如,通過“音頻功放”實驗項目,使學生不僅了解信號放大功能,同時了解能量轉換概念和受控源概念；再如,通過“簡單編碼”實驗項目,不僅體現編碼的實現與有序控制,還能展現開關、電平、邏輯、編碼、數據、信息之間的內在聯系等。

對于已有一定模電、數電、信號與系統等基礎理論知識的大二學生,可從MCU和嵌入式系統入手,并在此基礎上設計較為復雜的、具有某種功能的電子系統,重點學習目標設計方法,即學會根據應用背景提取設計目標,建立設計目標與電路之間的聯系,并通過解決電路實現、成本、工藝等問題后實現目標。要了解電子系統設計、制作的整個流程,學會各種軟件、工具的使用方法。使學生在解決問題的過程中積累經驗、擴展知識面、體會苦與樂,在不斷嘗試各種問題解決方法的過程中激發創新意識、增強創新能力。實驗項目將從生活、工業、科研等實際中抽取,理論上要概念清晰,能充分運用所學基礎理論知識,效果上要有一定的應用價值,即所謂使項目設計“頂天立地”。如智能小車項目,需要以多傳感器測量融合和多電機同步控制來實現多種運動功能,這同樣可擴展到掃地機器人、物流機器人等多種機器人,給學生很大的發揮空間和創新機會,同時還能引導學生關注市場同類商品的功能、價格、客戶定位和發展方向等。

對于大三學生,由于已經全面學習了基礎課程并接觸了部分專業課程,有一定的動手能力,應重點從“大工程”、工業應用、電子產品、完整電子系統的角度考慮問題,項目將涉及EMI/EMC、結構、熱阻、成本、工藝等知識,項目來源可以是科研項目、橫向課題、電子產品設計,也可以是學生自擬創新題目,如對數字示波器、數字頻率計、無線傳感網絡、數字紅外通信等的設計。這些題目強調應用背景、市場定位、先進性、創新性、完整性等,學生的設計作品必須在解決問題的同時有自己的設計特色和創新點,并為參加ITP計劃、電子設計競賽、大學生科技創新項目、項目設計、畢業設計等打下基礎。

3.3 教學方法和教學手段設計

在總結以往實踐教學經驗基礎上,研究各年級學生的自主學習能力、電子系統設計能力、創新能力情況,設計出有針對性的教學方法。

對于大一新生,由于長時間接受中小學應試教育,大學的專業課程也還沒有開始,創新能力、創新意識和想象力均不足,此時應重點培養學生對電子信息類專業的認知和興趣,正所謂“知之者不如好之者,好之者不如樂之者”。教學場地應安排在實驗室,講解、討論、實驗同步進行。實驗項目應比較簡單,且取自身邊的事、有趣的事。采取先“認”后“知”、先實踐后理論、先操作后總結、先模仿后設計的實驗方針,讓學生在解決問題的過程中逐漸熟悉電子應用系統,學會自己根據應用目標尋找解決方案,學會對應用電子系統進行測量和測試,學會從實際系統抽象出數學模型。

對于大二學生,由于已經學習了部分專業基礎知識,具有一定動手能力和實驗技能,應重點培養學生的自主學習、自主實驗、自主解決問題的能力及創新能力。講授內容以各種解決方案為主,項目內容以解決電子產品的核心問題為主,教師“引領”,學生“修行”,充分尊重學生的設計,允許學生花較長時間進行反復嘗試,逐步消除學生對“自主實驗”的不適應現象,培養學生嚴謹的科學態度、鍥而不舍的鉆研精神和較強的動手能力,在解決問題的過程中不斷嘗試對項目的改進,不斷尋找創新點。

對于大三學生,由于已經學習了專業基礎知識，具備了一定的解決問題的能力,課程講授應以案例分析為主,講透核心問題,指明設計方向,啟發和引導學生實踐,鼓勵學生在實驗中敢于提出不同思路和方法。學生可組成研究團隊,協作完成功能較為完整的電子產品的設計與制作。教師應對學生定期的設計情況匯報進行分析和點評,鼓勵學生發揮自己的創意和創新,使作品更完美。應鼓勵和幫助學生申報大學生科創項目和參加各種學科競賽[10-11],通過與其他院校學生同臺競爭,提高實踐能力、集體主義精神、榮譽感和自信心。應對實踐教學效果進行檢驗,并不斷改進。我校電信學院學生自1994年參加學科競賽以來,碩果累累,促進了對學生電子系統設計能力和創新實踐能力的培養。

3.4 校企協作,優勢互補

當前大學生創新創業成功的案例并不多,其主要原因是：創新創業能力培養的理念沒有貫徹到教育教學的各個環節,只是在現有教育體系下打補丁；缺乏具有企業視角的、有創業經驗的指導教師；“閉門造車”式的教學方法也使創新創業能力培養力不從心。為解決以上問題,擬聯合20家企業建立雙選機制,探索多元化合作模式[12]。這些企業包括ADI、IBM、TI、360、奇維、金亨等。通過走出去和引進來的方式與企業進行深層次合作,共同打造創新創業教育平臺,營造一個能使學生身臨其境、能得到有效指導、能激發學生創新創業愿望的大環境。

在走出去方面,在該平臺招募實習學生,企業根據學生的創新創業意愿和感興趣的發展方向,被派往不同公司的不同部門,參與企業的產品設計、生產、經營過程,親身體驗企業的創新、創業過程,學習創業知識,接受必要的指導和引導,感受創業過程的喜怒哀樂,體會創業之道與創業魅力,提高主動創業的意識。

在引進來方面,已經與Intel-ALTERA、RIGOL、TI、ADI、XILINX等多家公司建立了聯合實驗室。不僅要借助企業的物力,更要借助企業的智力,引入企業創業導師,聘請有經驗的企業管理者、工程師或校友,不定期地舉辦講座、授課和設計指導,從企業管理、市場、經營、產品、效益等角度對學生進行指導,使學生的實踐能力培養逐步與企業接軌。目前,已與ADI、TI等企業建立了穩定的校企合作模式,將來會仿照此模式與其他企業開展校企合作。

4 結語

校企協作貫通本科4年的電子系統設計能力和創新創業能力培養體系的研究突破了傳統的從大二才開始接觸電子電路、大三才能設計電子系統的傳統做法,使學生從大一就開始進行簡單的、來源于生活或實際應用的項目設計實踐,逐步過渡到大四的復雜電子系統、電子產品設計。同時,在此過程中融入創新創業能力培養目標和內容,旨在使學生形成解決實際問題的觀念和思想方法,有效提高學生的電子系統設計能力和創新創業能力。

該培養體系針對各年級電子系統設計能力和創新創業能力情況,設計了具有針對性的教學方法。大一學生從“認”到“知”,體會“科技有趣,創意無限”；大二學生側重能力培養,體會“知識給力,創意實現”；大三學生側重創新創業能力培養,體會“市場導向,實戰鍛煉”。通過適宜的教學方法和進度安排,逐次遞進地培養學生的實踐能力和創新能力。設計了完整的、適宜的電子系統設計能力培養的教學內容,能夠對學生的能力培養起到事半功倍的作用,有利于教學環節的安排和實施,有利于學生的快速成長和創新能力提升。此外,建立校企協作的創新創業教育平臺,充分利用校外導師這個重要資源,彌補校內導師經驗不足的短板,對學生創新創業能力培養意義重大。