新工科背景下多模塊、自主式、多維度綜合設(shè)計(jì)課程群的探索與實(shí)踐*

王明偉 王奇 范山崗 趙來(lái)定

1 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003 2 南京郵電大學(xué)信息與通信工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 南京 210003

0 引言

工程教育中的“新工科”提出我國(guó)工程教育改革方向，需積極應(yīng)對(duì)變化，引領(lǐng)創(chuàng)新，培養(yǎng)能夠適應(yīng)時(shí)代和未來(lái)變化的卓越工程人才[1]。《華盛頓協(xié)議》《教育部辦公廳關(guān)于實(shí)施一流本科專(zhuān)業(yè)建設(shè)“雙萬(wàn)計(jì)劃”的通知》等一系列深化工程教育改革舉措的提出[2]，對(duì)高校培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才提出了新命題，是戰(zhàn)略發(fā)展需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)趨勢(shì)和立德樹(shù)人時(shí)代要求提出的深刻命題[1,3]，關(guān)系國(guó)家未來(lái)和民族振興。“新工科”建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入2.0階段，推進(jìn)范式已由理念倡導(dǎo)和頂層設(shè)計(jì)走向推進(jìn)落實(shí)和質(zhì)量提升階段[4]。

學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)體系中，要完成基礎(chǔ)層及綜合層實(shí)踐類(lèi)課程的學(xué)習(xí)，如圖1所示，實(shí)踐能力的培養(yǎng)始終貫穿在學(xué)生的培養(yǎng)過(guò)程中。

圖1 實(shí)踐能力培養(yǎng)體系

綜合設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力，解決復(fù)雜工程問(wèn)題的重要一環(huán)，能幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)體系，融合多門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)[4]，提高綜合分析能力，為學(xué)生進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)和繼續(xù)深造奠定良好基礎(chǔ)[5]。

如何提升實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，滿足“新工科”的要求是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。本文依據(jù)《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，結(jié)合學(xué)校電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)工程認(rèn)證和“雙一流”建設(shè)工作的具體實(shí)踐[2]，從綜合設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題、教學(xué)改革及實(shí)踐效果三個(gè)方面，介紹“新工科”背景下多模塊、自主式、多維度的設(shè)計(jì)課程群的探索與實(shí)踐。本文的設(shè)計(jì)群為軟件設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)中多模塊構(gòu)成的課程群，后續(xù)討論的綜合性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)僅限于軟件設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)。

1 綜合性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題

軟件設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)屬于綜合性設(shè)計(jì)，前者以軟件仿真為主，后者以硬件調(diào)試為主。旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的基本能力，鞏固學(xué)生基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，使其掌握常用仿真軟件、硬件開(kāi)發(fā)板或?qū)嶒?yàn)箱的使用方法，提高運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。該環(huán)節(jié)中存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.1 基礎(chǔ)薄弱

經(jīng)過(guò)前期的學(xué)習(xí)，不同專(zhuān)業(yè)的學(xué)生已經(jīng)掌握基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，但與“新工科”中“新質(zhì)量”的要求相去甚遠(yuǎn)。先修課程中以選修C、JAVA或Matlab等語(yǔ)言為主，學(xué)生基礎(chǔ)仍舊比較薄弱，難以應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)[6]。學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新意識(shí)仍處于萌芽狀態(tài)，如何使其成為應(yīng)用型和創(chuàng)新型人才，是一個(gè)重要問(wèn)題。

1.2 時(shí)間短

在培養(yǎng)方案中，軟件設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)分別集中安排在第六和第七學(xué)期，理論課停課。其中第七學(xué)期，不少學(xué)生準(zhǔn)備考研。由于考研壓力大，設(shè)計(jì)時(shí)間短，基礎(chǔ)弱等因素導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)質(zhì)量下降，如何保證教學(xué)質(zhì)量，切實(shí)提升學(xué)生實(shí)踐能力，也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

1.3 設(shè)計(jì)課題難度的把握不當(dāng)

從學(xué)生的角度來(lái)說(shuō)，課題的難度是相對(duì)的，簡(jiǎn)單的課題對(duì)基礎(chǔ)弱的學(xué)生同樣具有較大難度，學(xué)生的能力和基礎(chǔ)參差不齊。

短時(shí)，效率和質(zhì)量要求高是綜合設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)，要兼顧全部學(xué)生。在“新工科”背景下，緊跟技術(shù)發(fā)展，擬定課題任務(wù)要滿足新穎性、適度性、創(chuàng)新性的要求，要為學(xué)生適應(yīng)未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求打下基礎(chǔ)，這是教師需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

1.4 模塊內(nèi)容陳舊

綜合性設(shè)計(jì)的模塊課題陳舊，重復(fù)探索業(yè)已成熟的技術(shù)，缺乏對(duì)新技術(shù)的了解和創(chuàng)新性[7]，難以滿足“新工科”背景下的新理念、新結(jié)構(gòu)、新體系的要求。鑒于課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力及高校培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的目標(biāo)[8]產(chǎn)生極大影響，綜合設(shè)計(jì)課程群的改革勢(shì)在必行。

2 綜合設(shè)計(jì)課程群教學(xué)改革

新工科指導(dǎo)性意見(jiàn)指出需要注重模式創(chuàng)新，保障質(zhì)量。基于新工科對(duì)各校專(zhuān)業(yè)的要求，課程組教師對(duì)綜合設(shè)計(jì)課程群進(jìn)行了改革，主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模塊重組

以技術(shù)發(fā)展為導(dǎo)向，根據(jù)新工科需求，對(duì)綜合設(shè)計(jì)課程群的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)模塊進(jìn)行重組，形成多模塊結(jié)構(gòu)。以課程設(shè)計(jì)為例，更新前后各模塊如表1所示。

表1 課程設(shè)計(jì)模塊更新表

表1中顯示，更新之前單片機(jī)類(lèi)，略顯重復(fù)。模塊缺少與新技術(shù)發(fā)展相關(guān)的知識(shí)學(xué)習(xí)，并且模塊少，學(xué)生達(dá)不到“新工科”背景下提出的新要求。更新之后模塊豐富，與新技術(shù)發(fā)展緊密相連，注重內(nèi)容結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，適應(yīng)時(shí)代發(fā)展需求。

2.2 緊跟技術(shù)發(fā)展，設(shè)計(jì)綜合課題任務(wù)

同一模塊中，指導(dǎo)教師組根據(jù)企業(yè)需求、技術(shù)發(fā)展、學(xué)生能力，擬定不同方向類(lèi)型的課題，以擴(kuò)大學(xué)生能根據(jù)興趣自由選擇的空間。

泛在物聯(lián)網(wǎng)是建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，對(duì)提升用戶(hù)使用體驗(yàn)至關(guān)重要[9]，在模塊更新過(guò)程中增加泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)模塊。該設(shè)計(jì)模塊框架如圖2所示，包括數(shù)據(jù)采集、后臺(tái)處理分析及前端顯示，旨在培養(yǎng)學(xué)生處理泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)際問(wèn)題的能力，構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)的綜合能力。課題包括跑步計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)、日常計(jì)步器設(shè)計(jì)、血氧飽和度監(jiān)控、心率監(jiān)測(cè)等，完成系統(tǒng)搭建和設(shè)計(jì)。

圖2 泛在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)模塊框架

2.3 學(xué)生志趣導(dǎo)向，自主式選擇任務(wù)

興趣是最好的老師，可以利用學(xué)生對(duì)未知事物的好奇心，設(shè)計(jì)學(xué)生感興趣的課題，使其從中獲得啟發(fā)、享受樂(lè)趣[10]。學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇對(duì)應(yīng)課題，更有利于設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升。同一課題最多2人。

以軟件設(shè)計(jì)中的Python模塊為例。Python是一門(mén)“簡(jiǎn)單”“高效”的編程語(yǔ)言，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，指導(dǎo)教師組所擬定課題與本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域具有關(guān)聯(lián)性，分為爬蟲(chóng)類(lèi)、Web開(kāi)發(fā)類(lèi)、機(jī)器視覺(jué)類(lèi)、人工智能類(lèi)等多個(gè)方向，學(xué)生也可根據(jù)興趣自主擬定課題，納入老師所給定的課題中，以擴(kuò)充并豐富題庫(kù)。

2.4 梯度設(shè)計(jì)，彰顯不同層次，形成多維度

因綜合性設(shè)計(jì)所涉及的知識(shí)面寬，學(xué)生能力不一，時(shí)間有限，課題根據(jù)基本要求和發(fā)揮要求，形成基礎(chǔ)層和提高層的梯度式多維度課題，一定的層次梯度能為不同能力的同學(xué)提供更好的成長(zhǎng)空間。因此需把控課題設(shè)計(jì)難度，充分反映學(xué)生能力強(qiáng)弱，科學(xué)評(píng)定考核成績(jī)，避免課題太難無(wú)法完成的情況出現(xiàn)。

圖3為“微處理器應(yīng)用課程設(shè)計(jì)”中“SD卡讀寫(xiě)”的分層設(shè)計(jì)要求。

圖3 “SD卡讀寫(xiě)”課題的多維度設(shè)計(jì)

3 綜合設(shè)計(jì)教學(xué)新模式改革的探索效果

針對(duì)前述問(wèn)題，課程群在結(jié)構(gòu)、模式、質(zhì)量、體系等方面進(jìn)行改革，取得顯著效果。注重實(shí)用性、綜合性，根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況“改內(nèi)容”，更新工程人才知識(shí)體系，根據(jù)學(xué)生志趣“變方法”，創(chuàng)新工程教育方式與手段，訓(xùn)練學(xué)生快速學(xué)習(xí)知識(shí)并解決問(wèn)題的能力，以培養(yǎng)工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才，引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

以Python模塊為例。爬蟲(chóng)類(lèi)課題要求學(xué)生發(fā)揮想象力，自由發(fā)揮，完成UI界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)爬取、統(tǒng)計(jì)分析和存儲(chǔ)。學(xué)生甲界面設(shè)計(jì)完成情況如圖4所示。

圖4 學(xué)生甲UI設(shè)計(jì)

圖4設(shè)計(jì)使用Tk庫(kù)中的Label控件元素，界面單一，想象力、創(chuàng)造力等方面略顯不足。圖像處理類(lèi)課題中，圖5使用PyQt5設(shè)計(jì)界面，控件元素多，元素包括菜單欄、ToggleButton、QLineEdit、Spinbox等元素，功能設(shè)計(jì)豐富，具有圖像處理功能，類(lèi)似設(shè)計(jì)既培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新想象力，又培養(yǎng)了學(xué)生的綜合實(shí)踐學(xué)習(xí)能力。

圖5 學(xué)生乙UI設(shè)計(jì)

學(xué)生甲和學(xué)生乙完成課題的情況充分展示了他們?cè)谙胂罅Α?chuàng)造力和實(shí)踐性方面的能力差異。界面的友好性、控件的選擇性進(jìn)一步體現(xiàn)了學(xué)生乙各方面的綜合性實(shí)踐能力優(yōu)于學(xué)生甲。

其他各模塊也取得明顯的效果，不再一一贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

“新工科”背景下，對(duì)綜合性設(shè)計(jì)課程群提出了更高的“五新”要求。綜合性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)和綜合能力，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化既可以解決現(xiàn)有課程存在的理論與實(shí)際脫節(jié)的問(wèn)題，又可以加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)識(shí)、認(rèn)同和自我審視[6]。本文從設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題、模式改革及改革探索效果三個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化模式的探討。總體上看，優(yōu)化后的綜合性設(shè)計(jì)課程群注重學(xué)生體驗(yàn)，激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造力、創(chuàng)新性，使學(xué)生樹(shù)立了工程意識(shí)、項(xiàng)目管理意識(shí)，按照工程認(rèn)證要求培養(yǎng)了其多方面的工程能力，總體上收到了較好的教學(xué)效果。