信息類本科專業實踐教學體系改革方法研究

陳祖國 盧 明 吳亮紅

（1.湖南科技大學信息與電氣工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學電子與電氣技術國家級示范實驗室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

眾所周知，創業創新教育已逐漸成為我國高等教育發展的大趨勢。中國自主創新和學生創業教育是中國“十四五”總體規劃的重要組成部分，也是“十三五”規劃中國大學生自主創新計劃的拓展。申請和實施該項目的高校總數不斷增加，所包含的內容也逐漸擴大。主要分為自主創新培訓項目、創業培訓項目、創新實踐項目和創業實踐項目。這些項目以興趣為動力，促進學生發掘自身優勢條件，能讓他們在實踐中提升自我[1]。在實踐過程中，學生的自學能力和團隊協作能力應被高度重視。自主創新與團結協作可以使學生積極探索，在實踐中不斷進步，塑造和發展自己的創新與創業的實踐工作能力。信息類專業屬于典型的應用技術專業，人才培養的總體目標應準確地定位為優秀的技術型和實踐型人才。學生應該掌握全面的專業基礎知識，例如，電源電路、電子信息技術、自動控制原理和傳感器技術、C語言編程、通信技術和人工智能技術等。學生應該具備將這些知識靈活應用于解決實際問題的能力，擅長將學到的基礎理論應用于解決特定任務，可在智能控制系統、儀器儀表、智能控制系統、機電一體化、目標識別、項目集成等領域從事系統分析、硬件設計和軟件開發等方面的工作[2]。

1 改革信息類本科專業實踐教學體系，提升學生實踐創新能力

智能車比賽為優秀學生提供了學習，培訓和提升自我的平臺，但如何合理地擴大智能車比賽所帶來的“蝴蝶效應”，還必須依靠國家電子電氣工程實驗教學示范管理中心優良的實踐條件和高質量的實踐活動標準，以培養學生的自主創新能力為總體目標，構建多層次的階梯式實踐活動教學方法。并融入工程教育與產學研相結合的理念，以實踐教學內容、實踐教學模式、實踐教學方法為改革主線，高質量地完成信息類專業基礎課程的實驗。通過對智能汽車設計和制作過程中涉及的知識進行解析，其改革方案從基礎實驗層、綜合設計層、研究創新層三個層次進行改革[3]。

1.1 第一層次：基礎實驗層

大學會根據專業課程教學的需要給每門課開設基礎驗證性實驗。這些實驗目標是通過復現前人的實驗，以便學生能夠更好地理解教科書上的理論知識。主要以常用儀器儀表、基本電子器件和簡單系統的使用、基本控制原理和程序的驗證為主。基礎驗證性實驗教學主要是采用四步法模式，即課前預覽—講解—實驗—測試報告。整個實驗過程學生按教師設計的實驗方案按部就班完成。盡管有所收獲，但結果不是很明顯。將基礎實驗由被動式驗證改為啟發式驗證實驗，這樣，在基礎實驗層面上大大提高了學生的實際動手能力[4]。例如，在基本電子器件和基本原理應用實踐中，只給出實驗過程中主要的原理圖并提供一系列器件，由學生自行對器件選型培養學生理論與實踐聯系的能力。而對于相對簡單的部分只簡單的說明基本原理，而不提供相關的原理圖。由學生自行設計電路。學生在完成基礎實驗之后基本掌握了實驗過程中相關電路設計，以及具備對電路功能進行分析和對電路故障進行診斷的能力。而對于目標識別、智能控制與最優控制理論的驗證實驗，則只給出控制原理以及具體要求，由學生自行設計具體的原理圖和編寫仿真程序，然后再由教師對其分析可行性，并給出相關的改進建議[5]。對于C語言等驗證性實驗則只給出實驗的具體要求，使學生自行將相關的程序進行編寫和調試，培養學生解決實際問題的能力，為學生將理論算法結合實踐控制打下堅實基礎。這樣才能充分地發揮學生的主動性。

1.2 第二層次：綜合設計層

有了基礎型實驗的準備，學生已初步具備綜合設計的實驗能力。設計實驗是對電路原理、電子電工技術、圖像處理、自動控制原理等多學科知識的綜合運用，通過綜合設計型實驗，可以達到讓學生把理論知識融會貫通的目的，同時也是為了調動各層次學生自主學習的積極性、主動性和創造性[6]。智能汽車設計綜合實驗以智能汽車為研究對象，整個實驗包括：主控制模塊、電源模塊、路徑識別模塊、轉速檢測與控制模塊、舵機控制模塊等。每個實驗模塊對學生都只提出設計要求，不提供設計方案，完全由學生自己查閱資料進行方案設計、參數確定、傳感器等電子元器件選擇。通過這幾部分把常用的模電、數電、單片機、傳感器、模式識別及控制原理的知識點綜合起來。

1.3 第三層次：研究創新層

研究創新型實驗是實驗教學以及人才培養的最終目的，也是培養學生核心競爭力的關鍵一步。研究創新型實驗對學生提出了更高的要求，首先要求學生觀察生活，發現問題，發掘能夠滿足社會需求或者能夠達到科技創新目的的設計；其次要求學生自主學習課外（包括其他專業）知識，例如，多傳感器信息融合技術、模式識別、智能計算等，并注重積累編程和閱讀科技文獻等技能。在此期間，學生也可能遇到很多不懂的知識，學生可以通過查閱文獻自主學習來完成實驗內容。因此，設計實驗對學生的知識拓展、自主學習能力的培養也有更重要的作用。如可以讓學生設計一個兩輪自平衡的小車，通過傳感器陀螺儀以及加速度計得出小車的傾角，然后用PID控制小車電機前轉和后轉達到使小車在原地保持不動的狀態[7-8]。學生也可以運用Matlab仿真工具，先得出一組較為合理的PID參數，再用“試湊法”調試出合適的參數，達到小車自平衡的目的。同時還可以在平衡小車上增加攝像頭等識別傳感器，并將傳感器采集到的圖像信息進行處理，提取出有效的信息，并利用有效信息控制小車按照特定的賽道路線運行，提高了學生將課堂理論知識應用于實踐的能力，增強了學生自身的綜合能力。

除了上述實踐教學內容和模式的改革外，還對實踐教學方法進行研究。針對信息類本科培養方案和理論授課體系。基礎實驗層主要在學生大二階段實施，其實驗內容以智能汽車為依托可以設計如電源電路模塊、電機驅動電路模塊等，要求學生結合理論知識消化智能汽車設計的各個單元電路和基礎算法。綜合設計層和研究創新層主要在學生大三階段實施。實驗內容要求學生能結合模電、數電、單片機、傳感器、模式識別及控制原理等知識點完成智能汽車的組裝和初步調試。并學會使用相關輔助工具進行輔助設計。

2 結語

總而言之，在當前學生就業不容樂觀的社會中，大學應該逐漸改變以項目為導向改進教學理念創新創業教育。應該以學生自身的長處、喜好和興趣為基礎，挖掘學生技術創新的內在潛能，使他們能夠成為適應性強的人才，融入社會發展轉型，增強自己的社會競爭力。