新工科背景下個性化綜合實踐環節探究

丁 然 王 平 陳桂友

(山東大學 控制科學與工程學院， 濟南 250001)

習總書記在中國科學院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會開幕式上，明確指出“中國要強盛、要復興，就一定要大力發展科學技術，努力成為世界主要科學中心和創新高地”，再次把科技創新擺在至關重要的戰略位置。而在感受著科技進步為工作生活帶來便利的同時，瞬息萬變的國際形式也時刻提醒著自主研發創新技術的重要性，這為高等院校人才的培養方式和課程的設置提出了新的要求。

新工科的概念在2016年提出之后，教育部經過研究在2017年推出了新工科計劃，并先后展開工作，形成了被稱為新工科建設“三部曲”的“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”指導性工作文件，為我國高等工程教育的發展、高等工程人才的培養，開拓了新的路徑[1-2]。在教育部的組織倡導下，全國范圍內與工科相關的各類高校和教育工作者們都積極展開探索，為實施新工科教育做出了各自的貢獻，也從不同的角度提出了自己的觀點與做法。張璧教授等綜合分析了國內外新型人才的培養模式，指出國外主要以項目為載體，進行跨學科專業的協作培養模式。同時，以國內五所代表性高校為例，分析其工程人才的培養模式，指出國內高校開展新工科建設的主要目標是貼合產業需求，培養具有創新能力、專業素養和國際視野的工程人才[3]。張彥軍等提出了基于科研成果驅動式的電子綜合實踐教改方法，提升學生自主處理工程問題的能力[4]。郇正良等通過對大學生行為方式、思維方式和學習目標等多方面特點的分析，提出了一套軟件工業的個性化人才培養模式，并指出而個性化培養是發掘潛能、培養成才的有效途徑[5]。楊長生等運用“高階思維”的概念，以“數字信號處理”課程為例，提出了基于啟發式教學，提高學生創新能力的教學改革方案[6]。我國“國家中長期教育改革和發展規劃綱要”中也多次提到一定要因材施教，一定要把全面的發展與個性發展相互聯系并統一起來[7]。

教育學中認為，“個性”是人的獨特性、主體性、創造性與和諧性的集中體現[8]。關于個性化人才培養模式，文獻[9]給出了一個比較完整的定義，是指培養主體為了實現特定的人才培養目標，在一定的教育理念指導和一定的培養制度保障下設計的，由若干要素構成的注重提升培養對象獨特性、主體性、創造性與和諧性培養過程的理論模型與操作式樣。就具體教學過程而言，其中教學組織形式、教學管理模式、以及教學評價模式是大學個性化人才培養模式的重要構成要素。

要實現個性化的人才培養，必然對課程內容、規劃和實施提出新的要求，一成不變的、統一的課程模式不再適合，但內容過于寬泛則難以把握，也很難取得良好的教學效果。因此，新工科背景下，結合不同的發展和研究方向以及學生的個人興趣，研究和設置柔性的、開放性的、模塊化、層次化的課程內容，以學生為主體的教學模式，更為合理的評價方式，值得在理論研究與實際操作中反復打磨與嘗試。

“新工科”背景下，優秀的創新創業型人才，需要具有堅實的專業理論和實踐基礎，廣泛交叉的知識背景，對前沿科技信息的敏感性，以及濃厚的創新興趣，并兼具解決復雜問題的能力。以山東大學自動化專業計算機課程模塊綜合性實踐環節的改革為例，闡述新工科背景下實現個性化教學的設計與探索，努力在課程細節中體現這一培養目標。

1 課程設置概況

計算機技術在當前科技發展的過程中的發揮著不可替代的作用，是工科人才乃至理工結合型人才必備的知識和技能之一，并且不能單純只強調理論或者應用一個方面。全面理解當前計算機系統的基本工作原理、設計思路和發展方向，掌握基本的軟硬件知識，能夠在所學專業中靈活運用是計算機類相關課程設置的主要目的。

就控制科學與工程學院來說，計算機類相關課程內容豐富，主要包括“面向對象的程序設計”“單片機/ARM應用技術基礎”，“微機原理與接口技術”和“計算機控制系統”等。將其稱之為計算機課程教學模塊。每門課都有自己的實驗課時，與教學內容互相配合，每個實驗有相對獨立的內容，但缺乏綜合性的實踐環節。比如“微機原理與接口技術”包括40個理論課時和12個實驗課時，包括程序調試和接口實驗，以系統仿真為主。另外在“微機原理與接口技術”課程結束后，有一周的課程設計，但限于時間，無法展開更寬更廣的內容，一般的設計內容是利用單片機或者ARM系統實現一個簡單的控制功能，比如紅綠燈設計或者溫度檢測裝置等等，屬于簡單應用，不能完整的體現課程的教學目的，難以與專業深度融合，并且與學生的興趣方向關系不大，教學效果也非常一般。故，在學生已經掌握的專業知識的基礎上，設計一個綜合性的實踐環節，內容有趣,有一定難度但通過引導可以入手,便于擴展，又與相關專業方向和后期的課程密切相關的實踐環節，同時改進教學方法，提高實踐性教學的效果，是非常必要的。

智能車系統設計高度集成軟硬件應用，同時又包含檢測、信號處理、控制、車體機械結構以及傳動制動機構等多學科知識，學生在設計的過程中可以根據其專業背景以及興趣方向，在滿足課程基本要求的基礎上，充分利用網絡等各種途徑，發揮其最大的創造性，從不同角度制作屬于自己的創新產品，比如檢測系統，控制算法，機械改進設計等等，也就是說，其本身的完整性、與專業的相關性、交叉性和可擴展性,以及趣味性等特點，非常適合作為提高學生理論和實踐水平，融合專業知識，并培養創新意識創新能力的研究對象，完全適應新工科對課程的要求。

2 柔性的課程內容和實施方法

課程所依托的智能車系統包含檢測系統、控制系統、機械系統等幾大模塊，軟硬件結合，完整并相對復雜，所以課程內容的設置需要要求明確、模塊清晰、循序漸進、層次分明，以引導學生順利進入創新學習的狀態。在教學過程中也需要改變傳統的教學方法，開發學生潛能，翻轉課堂，適應其不同的知識背景和興趣方向。采用柔性的課程內容和實施方法，是實現個性化教學的基礎，并可以引領其一步步走進科研的殿堂。

2.1 柔性的課程內容設置

柔性的、模塊化的課程內容設置是實現個性化教學的基礎，可分為如下三個層次。

第一層:基礎部分功能介紹和模塊劃分，并帶領學生逐步實現。將系統設計按照功能和結構分成幾個必要的模塊，包含軟硬件模塊，每個模塊的基本功能和基本設計要求,以及合成系統后對系統的基本要求。并詳細介紹設計每個功能模塊需要的技術、方法、以及相關資料。明確這些內容是基本要求，必須實現，并指導學生，使其能夠相對順利的完成任務。

第二層:各模塊的擴展和興趣方向的引導。智能車系統高度集成且復雜，并隨著時代和技術的發展，不斷涌現新的功能和表現，這也是智能車吸引人的地方。這部分可以跟隨技術的發展，不斷擴展新的內容，對各個模塊提出新的要求，介紹各種處理方法和控制算法，引導學生自學，并提出有趣的想法。而且在各個模塊涌現的新功能都可以作為一個創新的產品雛形，學生們在日后的學習生活中可以不斷進行改進和完善。

第三層:柔性擴展功能的選擇和實現。對基本系統各個方面的改進或者創新在實踐環節內都被允許和鼓勵，但不需要面面俱到，因為時間和精力都有限，學生可以根據自己的專業方向自主選擇。教師運用所學知識幫助其實現。因此，課程的內容是柔性的，是可以擴展的，適用面廣泛，可以滿足個性化教學的需求。

2.2 柔性的實施方法

因為智能車系統設計包含的內容多又復雜，學生需要利用課余時間自主學習，并且根據自己的興趣和專業，選擇不同的擴展方向和方法，以學生為主的翻轉課堂式教學方法非常適合本課程。從基礎部分到擴展部分的教學過程中，教師需要設置問題，引導學生尋找方法。學生在自主的創新實現新功能時，問題不可避免的擺在他們面前，需要自己提出問題。

無論是采用翻轉課堂還是PBL(Problem Based Learning)教學模式，都以學生為主，但在不同的環節內容以及面對不同認知階段和知識方向的學生時，教師的參與度與參與形式是不同的，因此如何以采用一種柔性的工作方式參與到課程中，既可以夯實基礎知識基本概念，又可以引導應用和創新，提高課程效果。鑒于上述考慮，設計了四個實施環節：①基礎內容講解，以教師授課為主要形式；②擴展功能設計，采用翻轉課堂以及PBL的方式，啟發學生擴展新的功能，通過討論、答疑、和查找資料，逐步引導，完成方案設計，并購買器件，鋪設賽道，為調試做準備，同時請有參賽經歷的同學介紹經驗；③鋪設賽道進行軟硬件調試，采用以學生為主、教師為輔的答疑形式；④各組進行智能車競速展示和答辯。

課程所涉及的每一個層次模塊內容，都通過上述幾個環節有序進行。具體實施過程與課程內容之間的關系可見圖1：

圖1 課程結構示意圖

2.3 綜合的評價方式

由于課程內容豐富、層次分明，以學生自主學習、實踐、和創新為主，需要一種能夠綜合反映學生的學習過程和學習效果的更為公平的評價方式。所以我們按照如下方法計算總評成績：

總評成績=10%平時成績+60%競速成績+20%程序原創性+10%報告答辯成績

評價過程除了考慮平時課堂表現之外，速度是最主要的考核指標，這反應整個實踐課程的客觀效果；另一個考慮的較為重要的指標是軟件編寫的原創性，因為基本功能的軟件框架已定型，原創性最能夠體現其工作和理解的深入程度以及其擴展功能實現，另外還有對技術報告的評價。在驗收的過程中，學生會根據車輛調試中的具體問題，比如彎道、十字交叉路況等，提出復雜的傳感器配置方法和細節的控制算法，部分同學還通過查閱資料選擇如自適應PID、模糊PID等略微復雜的控制算法，表現得饒有興趣并略顯自豪。這些在程序的原創性，以及答辯過程中的體現非常明顯。這種評價方法基本上能夠反應學生在整個實踐課程中的表現和學習效果，并鼓勵其自由地選擇和創新實現的方式。

3 結語

李培根院士在文章“工科何以而新”中指出，當前工科之新要體現在工程教育的內涵上，包括工科人才的新素養、專業課程體系的新結構、以及教育教學的新方法[10]。落實到具體的教學模塊，如何設計教學內容和教學方法，能夠培養學生的科學素養，在引導掌握必備知識的同時，引發研究興趣，因人而異，孕育基于現實并超越現實需求的創新能力，是課程教學研究的出發點。

以上提出的實踐課程采用個性化的教學方法，柔性的內容設置分層次、分模塊，一方面兼顧不同層次、不同方向、不同興趣的學生進行選擇，另一方面設計內容難度可不斷延伸，如何把握，需要教師根據學生情況不斷調整。

在整個教學活動中，教師充分尊重學生的個體差異，鼓勵和引導學生利用自己的智力和學識優勢，發揮各自的專業特長。設計目標的綜合性，使得學生可以更為深刻地體會什么是不同學科之間的融合，并對已經學過的或者即將要學習的專業課加深認識，學生會不斷發現問題，自發地尋找新的解決方法，在實踐的過程中激發創新意識和能力。同時學生的團隊精神得到了培養，互相合作，互相補充，為培養創業能力和良好的科研素養提供了訓練途徑。

在以學生為核心的教學過程中，教師的參與方式更加彈性。在不同的教學環節階段，教師的角色不同，基礎階段詳細講解，創新階段鼓勵并開闊其視野，輔助學生尋找解決方法，并輔助學生將各類知識融會貫通，教師的科研水平和教學水平都可以得到一定程度的提高。

實踐環節經過近幾年的運行和改進，取得了良好的教學效果。針對2018級所有參加實踐課程的學生共329人設計了調查問卷并進行了數據分析，有效問卷320份，部分統計結果見表1所示：

表1 課程問卷調查結果

可見，學生對該實踐課程的總體的滿意程度較高，每個人都有在軟硬件方面實踐創新的機會，對專業的認識，對一個軟硬件結合的計算機控制系統的認識有所加深，對發現問題解決的能力的有所提升。更為重要的是，該課程寬泛先進的教學內容，靈活寬松的教學氛圍，去中心化的教學方法和全面鼓勵式的評價方式，給了學生自由的學習和發揮的空間，為幫助學生建立學科空間感，建立專業節點和知識點的關聯等，為滿足新工科背景下工程人才的科學素養的培養要求，提供了新的思路。同時這種柔性的教學設計方法，通過選擇不同的設計對象，也可推廣到工科的各類專業中，為“新工科”計劃的實施提供新的嘗試。