基于“卓越计划”的低年级学生工程能力培养

王会峰， 周熙伟， 关丽敏， 汪贵平， 雷 旭， 武奇生， 王晓艳

(长安大学 a.电子与控制工程学院;b.电工电子实验教学示范中心，陕西西安710064)

0 引言

工程教育体系在国外已相当完善，从欧美发达工业国家来看，都是以大工程为背景来培养适应工业发展需要的工程师［1］。通过理论与实践的结合、学校与社会的结合，提高人才培养质量［2］。在专业实践教学中充分体现学生跨学科思维的培养，奠定其跨学科培养的基本框架，改变其不了解“为什么让我学习”，变成兴趣引导下的主动探索式学习。它们依托开放型项目的动手实践教学，不只教给学生基本概念和理论，而且要求学生能把概念与真实世界的挑战，与项目联系起来，用概念和理论解决实际问题，让学生通过自己分析、设计、运行系统来建立和发展实际的技术知识或实际技能，将实验室的动手学习和各种项目工作实践经验纳入到教育经验当中。在以团队为基础、以项目为导向的动手做中提高问题解决能力。

我国工程教育在过去60年取得了巨大成就，但是由于不像欧美那样伴随着技术革命与大工业发展而兴起，一开始就缺乏与工程产业界的密切联系，因而也失去了工程化的环境。受诸多因素的影响，在人才培养计划上不同程度地存在着重理论轻实践、缺乏基本的工程训练和工程意识，培养出来的学生工程实践能力较弱、社会适应性差等问题［3］。

为提高工程教育的教学质量，适应我国从制造大国向创新国家的转变，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”。其指导思想是充分借鉴先进国家高等工程教育的成功经验，创建具有中国特色的工程教育模式，通过校企密切合作，以实际工程为背景，以工程技术为主线，着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力，培养大批各种类型工程师。

“卓越工程师教育培养计划［4］”具有三个特点:①行业企业深度参与培养过程;②学校按通用标准和行业标准培养工程人才;③强化培养学生的工程能力和创新能力。这些特点无一不和实践教学体系的改革与创新息息相关，目前国内各高校都处在探索研究阶段。各高校正在全面实施本科教学“卓越计划”的教学改革工程，许多高校围绕“质量工程”的实施开展讨论研究，研究范围涉及到教学团队建设、专业结构调整、课程教材建设等方面，但针对专业实践教学体系创新研究较少。

对比国内外高等教育的现状，根据社会发展对人才 需 求 的 特 点，结 合 CDIO［5-6］(Conceive-Design-Implement-Operate)对学生能力的描述与要求，我校在低年级对自动化专业“卓越工程师教育培养计划”(以下简称“卓越计划”教改班)，设置了“单片机实训与综合实验”实践课程，该课程相当于 CDIO的二级项目［7-8］，本文将围绕我校该课程的建设进行探索研究。

1 单片机实训与综合实验课程的目标

工程实践教学的一个特点就是动手实践教学，依托项目实践教学方法不只教给学生基本概念和理论，通过完成不同层次的实验、设计和项目使学生产生成就感，激发学生学习兴趣，促使学生转变为主动学习。

“单片机实训与综合实验”二级项目具有实践性强、对应用能力要求高、紧贴市场等特点，符合现代培训教育短、平、快的特征。结合卓越工程师通用标准、行业标准和学校标准中对学生知识、能力和素质的要求，制订了该项目专业实践课程教学目标，见图1［9］。

图1 二级项目的教学目标

我校自2010年开展“卓越计划”以来，以形成较为完整的课程体系［10］。自动化专业“卓越计划”教改班的“单片机实训与综合实验”二级项目在大学一年级结束后集中在夏季学期暑期的4周内进行，在这个阶段学生已修的相关课程是高等数学、物理、C语言程序设计、自动化实践初步等课程、企业自动化入门，而在此之后学生将陆续学习电路、自动控制、电子技术等课程。学生在这个时候尚未真正接触过任何真实的项目，对专业能做什么理解甚微。

“单片机实训与综合实验”二级项目选择在此时开设是为了使学生真正了解如何用专业知识解决工程实际中的问题，激发学生主动学习的兴趣，起着早期引导学生从掌握课堂知识到面对真实的项目，从单纯的理论教学到“学中做”和“做中学”转换的作用。

通过完成不同层次的实验、设计和项目使学生产生成就感，进而在后续的学习中了解实践和理论之间的关系，培养学生主动的分析思考、动手实践、解决问题能力，通过对实际设计和工程问题的解决培养学生基本的工程素质和能力。该项目最终目标从三个方面考虑:①培养学生信息获取能力，使学生早期明确其学习目标，增强其主动规划未来职业的意识;② 通过基于单片机的电子系统项目的设计、调试编程、运行，使学生有一定的编程能力，建立自动化系统的概念和框架，认识和分析典型控制系统的构成和特点，在基于自己的动手和思考中主动培养解决问题的能力，为后续课程的学习和工程能力的培养打下基础;③通过对该实践项目的学习了解工程师应该具有的基本素质和应掌握的基础知识及基本技能，学会资料检索、阅读相关文献、调研、分析和整理，进行自主学习;进行工程设计的表达实践，体验解决工程问题的具体方法，进行团队合作和交流。

2 单片机实训与综合实验课程的内容

本课程的主要内容是作为一个自动化初级工程师必须掌握的基本知识和基本技能。结合以上培养目标，我们建立了三个层次的工程项目实践教学内容:①以相关的电子技术基础课程和电子制作知识为基础和实践教学为内容的第一层次实训教学;②以单片机原理和接口技术基础以及实践教学为内容的第二层次实训教学;③以工程背景相关的综合检测控制系统创新设计实践为第三层次的实训教学。这三个层次从低到高，有机关联，能够使得低年级学生动起手在实践中学习，在做中学，在学中做，使学生尽早接触到真实的项目，启发学生的动手能力以及分析问题和解决问题的能力，激发学生的学习兴趣。三个层次教学内容之间的关系可以用图2来表示，学生在已经学过的课程知识的基础上首先学习第一层次的理论核心基础内容，掌握模拟电子技术和数字电子技术基础的基本知识，然后完成相关的实验，对电子电路知识入门了解，通过实验理解最基本的单元电路设计方法;在第一层次和以后知识的基础上学习第二层次的理论知识，完成第二层次的实验，掌握单片机基础知识和编程方法，提升和巩固已经学过的知识;最后在第一层次和第二层次以及现有基础知识的基础上以小团队为单元综合运用所学知识完成既定目标简易工程项目设计，学会对多种知识的综合运用。通过项目设计如果发现需要更深化细化各个层次知识，可以急需了解深入学习相关内容，形成良性循环。同时在实践中培养学习兴趣和解决实际问题的能力。

图2 三个层次教学内容之间关系

三个层次的课时量安排为第一层次占20%;第二层次占30%;第三层次占50%。第一层次的教学内容包括三个部分，即模拟电子基础的知识，数字电子技术的基础知识，常用电子元器件基本知识。三部分的理论课时量大约是16学时，三部分的实验课时大约也是16学时;通过第一层次学习，学生对电子设计基础有了初步了解，掌握了模拟电子技术和数字电子技术中的核心部分原理，通过该部分的典型实验，具备了该部分动手设计和调试的能力。第二层次以MCS-51单片机原理和应用技术为核心内容，学习51单片机的基本原理和应用技术。该部分理论课时大概为14个课时，综合实验学时为28个学时。通过第二层次，学生在掌握第一层次内容的基础上，可以深入地了解单片机和接口技术的基本原理，再通过使用自制的综合实验板做实验，让学生从电路的焊接一直到单片机典型外围接口电路的调试，将软硬件结合起来充分掌握单片机系统的设计和应用。第三个层次为以工程项目为核心内容以团队为组织结构的综合实训，学生自由组队，3人一组，项目的具体内容和设计任务书在学生刚接触第一层次内容前通过随机抽取的方法就先布置给学生，整个项目贯穿实训和综合实验的始终，学生在整个训练周期中团队成员通过分工合作，自己查资料完成项目内容，开发规程符合IT系统开发规程。第三层次为综合性实践，纯粹的实践学时占70个学时(不含前期的自己查资料设计方案阶段的时间)。通过第三层次的训练，学生基本上能够以团队的形式在老师指导下完成一个简单的电子控制系统的设计开发，具备参加学科竞赛和创新实验的基本能力。同时具有一定的专业素质。在这个层次中学生接触到的是一个紧密联系现实的真实的应用性开发性综合设计，他们所设计出的产品是能够解决生活中某些实际问题的小产品，因此通过设计的过程学生能够产生兴趣，具有成就感，能够激发学生从“要我学”转变为“我要学”。图3和图4为第一层次和第二层次的教学内容。

通过上述三个层次的教学和实践实现了学生在早期和实践对接的“跨越式”飞跃，使得学生在基础知识尚未掌握很多的情况下，就能够早期动手完成小型电子控制系统项目的构思－设计－运行。这样学生在二年级就能自己动手设计简单的控制和检测系统，并具有一定的基础参加各种学科竞赛，而传统的教学体制要到三年级下学期末学生才能真正深入实践，学生深入实践的时间提前了3个学期。

3 单片机实训与综合实验课程的教学方法与考核方法

课程教学方法是为达到教学目的，实现教学内容，由教学原则指导的运用教学手段而进行的，以整套方式组成的师生相互作用的活动［11］，它是教师对课程组织、实施的依据。以学生为主体，教师为主导，充分发挥学生的主动性［12］。“教育的目的不只限于知识的传授，尤其是高等教育，其主要任务是教育学生思考”。《教育部关于进一步深化本科教育本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》指出:“深化教学内容改革，建立于经济社会发展相适应的课程体系。要坚持知识、能力和素质协调发展，继续深化人才培养模式、课程体系、教学内容和教学方法的改革，实现从注重知识传授向更加重视能力和素质培养的转变。”

单片机实训与综合实验课程就是让学生接触实际项目，在主动思考、运用知识认识世界的同时主动探索和学习新知识，在反复实践中解决学习中遇到的问题，初步将学习推向深入。为了达到以上目标我们在教学活动中采取了主动设计、探索式、发现式教学方法、任务导向教学方法、团队合作分工实践教学等教学方法。

在课程教学中，每一项实践内容和设计内容都是以小组分组的方法展开工作，从设计任务的下达、资料文献的检索查询、设计方案的确立以及实际设计工作的开展都是以小组分工合作的方法进行的，在实际设计中每一组的成员分工负责软件设计、硬件设计和调试，以及算法原理设计都是以学生主动思考探索为主线，在思考中学习，在探索中前进。将传统教学方法中的被动学习转化为主动学习，较大程度地培养了学生的学习兴趣，而激发学生兴趣是促使学生进行研究性学习的前提［13］。使得学生在遇到问题时学会了主动思考解决问题的方法，同时培养了学生学会作为团队的一员进行合作、讨论、沟通等方面的能力。

图3 第一层次教学内容

图4 第二层次教学内容

课程考核的宗旨就是实现对学习者的知识、技能进行综合评价。真正使学生做到学以致用而不是学以致考［14］。考核体系的建立是以考察学生对专业知识的掌握程度和技术应用的实践能力为目的，使学生从一年级开始端正对专业的学习态度，激发对专业实践的学习积极性，培养良好的学习能力和工程职业素养。使学生能够取得一定的实际经验，为升学就业创造有利条件［15］。考核评价体系是有效开展教学活动的可靠保证，因此既要合理公正地评价学生学习过程，又要考虑有较强的可操作性。

单片机实训与综合实验课程考核抛弃传统的卷面考试方式，根据课程的要求，学生需要完成的工作有:①电子小制作电路焊接调试;② 模拟电子技术基本实验;③数字电子技术基本实验;④ 单片机及接口技术综合实验;⑤开放式电子项目的综合开发设计。前4个项目需要提交设计报告验收实物;最后1个项目采用现场演示和答辩相结合的方法对各组的学生分别进行成绩考核，加权后作为该课程的最后考核成绩，如表1所示。实践证明，这种考核方法和传统的卷面考试相比更能激发学生的探索、主动式的学习的兴趣。有学生在课程调查感言中曾这么说:“我挺喜欢这种考核方式的，虽然我自己最后的作品失败了，可仍感觉学到了好多东西。”

表1 单片机实训与综合实验二级项目考核评分细则

4 单片机实训与综合实验教学效果调查与分析

自我校2010年开展“卓越计划”以来，“单片机实训与综合实验”二级项目首次开设，我们通过问卷调查和写感想的方法对2010级“卓越计划”首期实验班级的30名同学开展教学效果调查，调查问卷一共分为12个选择题目和8个问答题目，教学效果感想不受限制随意发挥。图5是几个典型的调查问卷题目的统计结果，由调查问卷的统计结果可以看出，学生对开设该课程的认可程度是比较高的，教学效果是比较好的。可以总结为如下几条:

(1)教学组织激发了学生的学习兴趣，明确了学习目标，促进了学生学习动力的形成。我校“卓越计划”试点班级在参加2011年组织的全国大学生电子设计竞赛中获得陕西赛区2等奖2项，在2012年“飞思卡尔”智能汽车竞赛选队面试中体现很明显，校内赛15组队中，“卓越计划”试点班占了5组。

有学生这样感言到:“收获很多，在知识上，我学到了好多知识，这些知识是我以前从未接触过的，以前感觉很神秘，现在已经没那种感觉了;另外，在与同学交往中也感觉挺较好，大家在一块学习，休息，玩耍，感觉学习也是一种快乐;我建议咱们学院，以后可经常举办这种课程教学的活动，我想大家一定都很向往的”。

(2)教学方法构建了学生以项目为主线的“理论→实践→理论与实践相结合”的不断提高的学习过程。有学生这样写到:“在学习的过程中我也发现自己知识面很缺乏，在今后的学习过程中不仅要学好课本内的知识，还要尽量去拓展自己的知识面，这样在解决问题时才能得心应手。其次，要注重快速学习。在现代快速发展的社会，知识的更新时时刻刻都在发生，在快速中更要注重利用各种资源，获得各种有价值的信息。再次，在这次的学习中激发了我的学习兴趣，在发现自己有许多的东西还不知道，需要自己去学习，这就给了我学习的动力。还有就是要注重多动手实践，在动手中更能进一步加深对理论的深入理解，而且有时候我们会获得意外的收获，同时我们还能通过实践来进一步完善理论。”

(3)学习过程有助于学生工程意识、工程素质和工程实践能力的提高。学生感言:“实践增强了我的动手能力和才干，更重要的是使我充满自信，我相信未来我一定能设计出更好的产品。”

5 结语

自我校2010年开展“卓越计划”以来，“单片机实训与综合实验”课程首次开设。根据卓越工程师培养要求，我们将对项目中相关的教学内容、教学形式、典型案例和考核方式进行不断探索与改革，从而形成较为完整的课程体系。我们将会以培养适合社会需求的工程人才为目标，不断的探索和践行“卓越计划”工程实践能力培养的每一个环节，使教学效果更为突出，激发学生的学习兴趣，培养学生从事工程设计的基本知识、能力和素质。

［1］ 叶取源.回归工程和实践 培养创新型工程技术人才［J］.中国高等教育，2004(18):9-10.

［2］ 汪 波，陈超毅，陈 洛.工程实践教育的发展机制［J］.天津师范大学学报(社会科学版)，2013(1):73-75.

［3］ 陈国松.我国重点大学本科工程教育实践教学改革研究［D］.武汉:华中科技大学，2012.

［4］ 郝智秀，季林红，冯 娟.基于CDIO的低年级学生工程能力培养探索—机械基础实践教学案例［J］.高等工程教育研究，2009(5):36-40.

［5］ 陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示［J］.中国高教研究，2006(11):81-83.

［6］ 崔 军.我国高等工程教育课程改革研究［D］.南京:南京大学，2011.

［7］ 林 健.谈实施“卓越工程师培养计划”引发的若干变革［J］.中国高等教育，2010(17):30-32.

［8］ 郑薇薇.基于CDIO的创新型工程科技人才培养模式研究与实践［D］.大连:大连理工大学，2010.

［9］ 汪贵平，雷 旭，武奇生，等.为新生开设专业实践基础课程的探索—“自动化专业实践初步”教学案例［J］.中国大学教学(CSCI检索)，2012(11):80-83.

［10］ 雷 旭，汪贵平，周熙伟，等.基于“卓越计划”的一年级课程体系建设与实践［J］.陕西教育，2012(11):35-36.

［11］ 孙宏安.简论教学方法的定久、分类和选择［J］.教育科学，1994(4):21-24.

［12］ 杨晓东，章献民，韩 雁，等.电子工程类专业卓越人才培养的实践［C］//中国电子教育学会高教分会2010年论文集，2010:20-28.

［13］ 王 骥，陈 敏.兴趣引领:MIT新生学习社区的构建及其启示［J］.高等工程教育研究，2007(2):132-136.

［14］ 王菁华，周 军，岳爱臣，等.“‘卓越计划’123模式”的创建与实践研究［J］.高等工程教育研究，2012(3):47-52.

［15］ 苏 中，曹荣敏，吴迎年.创建真实工程实践环境 培养创新实践卓越人才［J］.实验技术与管理，2013，30(4):4-8.