基于复杂工程问题能力培养的嵌入式课程群体系改革

陶吉利,李林功，蔡卫明，王 朗，王卓远

（1.浙江大学宁波理工学院信息科学与工程学院，浙江 宁波 315100；2.宁波工程学院信息科学与工程学院，浙江 宁波 315100）

一、引言

“中国制造2025”提出针对制造业创新能力总体不够强等问题补短板，打造新型产业体系，全力推进制造业智能升级。制造业智能化，使得学科交叉加剧，前沿领域不断延伸，迫切需要高校培养学生的解决复杂工程问题能力。2015年新版工程教育认证标准特别强调工程类本科对“解决复杂工程问题”的要求[1]，由此可见，引入“复杂工程问题”概念，培养学生具有解决本专业领域“复杂工程问题”能力是工科专业教育的基本要求。针对复杂工程问题，浙江科技学院电气学院将如何将培养学生解决"复杂工程问题"的教学环节植入专业教学体系[2]；重庆邮电大学计算机科学与技术学院设计出研究生创新创业训练计划总体方案，以到达计算机系统复杂工程问题能力培养目标[3]；南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室在原有的电机课程设计教学环节中进行了针对性的扩充和改进，基本满足了新标准对培养学生综合运用专业知识解决复杂工程问题能力的要求[4]；清华大学工程教育研究中心从三个角度讨论如何培养学生解决复杂工程问题的能力以及如何考核评价学生解决复杂工程问题能力的培养效果[5]；湖南工程学院针对机械产品设计制造综合实践探讨如何培养学生的创新意识、工程素质、人际交往能力及在团队中发挥作用的能力和解决复杂工程问题的能力[6]。

目前，很多高校正在开展工程教育专业认证相关工作，应用型本科高校如何在现有培养体系框架下培养学生解决复杂工程问题能力，仍有待深入探讨。本文以浙江大学宁波理工学院电子信息工程专业为例，结合我校学生特点，在低频电子线路、高频电子线路、单片机原理与应用、嵌入式系统原理与应用专业核心课程框架下，构建嵌入式系统课程群，重新梳理基础理论知识，设计分层次实践环节，帮助学生建立工程项目的基本分析和设计思路，逐步达到新标准中界定的解决复杂工程问题能力。既满足工程教育专业认证的要求，又适应制造业智能化、信息产业的飞速发展对电子信息工程专业学生解决复杂工程问题的能力要求。

二、改革思路

针对复杂工程问题特征[7]和嵌入式课程群要求，该课程群主要培养学生解决嵌入式系统软硬件复杂工程问题能力。通过重构嵌入式课程群知识体系，将解决复杂工程问题所需的知识和技术纳入新的教学大纲，并改革课堂教学方式方法，探索分层次实践教学内容和手段。通过知识学习和分层次实践培养学生解决嵌入式系统问题所需的知识和能力。

以掌握/设计开发电子信息硬件系统解决方案所需的专业知识和技术手段为目标，选取低频电子线路、高频电子线路、单片机原理与应用、嵌入式系统设计与应用四门专业课程构建嵌入式系统设计课程群，各课程开设时间为 2-1、2-2、3-1、3-2，并增加第三学期无人机实训环节，将“复杂工程问题”能力分级为低、中、高三层次，并落实到各个教学环节，如图1所示。

图1 分层次递进式嵌入式课程群教学体系

三、实施途径

(一)根据复杂工程问题能力培养要求，重构嵌入式系统课程群知识体系

低频电子线路和高频电子线路课程提供最基本的硬件设计和单元模块分析、计算知识，单片机原理与应用提供硬件编程知识和嵌入式系统设计、分析基本概念，嵌入式系统与应用则提供复杂的多功能嵌入式芯片的编程、设计开发、系统分析知识。通过本课程群的系统学习，构建全面的硬件设计/分析知识架构，逐步达到软硬件知识的全面提升。所有课程都要落实如下四个目标：课程目标1是专业知识和数学、工程基础知识相结合，综合应用于课程的复杂工程问题；课程目标2体现给定的“标准和规范”未完全包含，学生需自己查阅资料，给出复杂工程问题的解决方案；课程目标3应用MATLAB、Proteus、DXP软件进行原理分析、仿真验证、图纸设计；课程目标4团队合作，进行论文撰写、PPT答辩，具备准确呈现方案/设计开发结果的能力。为此，每门课程都设计了较低层次的复杂工程问题，且需要包含前一门课程的知识，如表1所示。

表1 单门课程复杂工程问题设置

(二)针对能力目标，分层次安排实践教学内容和综合实践环节

在单个课程的教学环节，包含了单元电路模块的仿真和复杂工程实践环节，并且后续课程的复杂工程问题包含了上一门课程的至少一种单元电路，有利于通过知识的反复应用，加深对知识点的理解和掌握。此外，在第二学年和第三学年暑期设置综合实训，进行复杂工程问题的综合实践。实训1和实训2的具体要求如表2所示。

表2 暑期短学期实训环节

实训1除了要求每个学生深入运用低频电子线路理论知识、分析音频功放的实现原理，应用Proteus软件仿真分析电路原理，应用DXP软件完成线路板的设计布板。特别强调进行市场调研，并给定经费进行元器件采购。在完成任务的过程中，学生发现功能增加，不仅元件成本增加，而且会使线路复杂，调试时更加麻烦，体现了各方利益的不完全一致性。同时，整个任务可分解成功能分析、原理分析、成本分析、PCB布板和电路调试相关子问题，环环相扣，最终影响功放的实现和音响效果。

实训2在实训1的基础上，考虑到无人机系统更加复杂，以3人一组形成团队，要求学生除了进行嵌入式系统STM32、WIFI高频电路的综合应用，还需要进行姿态控制等算法分析和实现，此外还需考虑法律法规的制约、续航时间、成本核算等内容。该实训内容综合，问题复杂性较高，采用视频拍摄等方式展现成果，形式上也很受学生喜爱。通过该实训，学生不仅学习了专业知识的应用，还体会到理论和实践的差距，团队协作的重要性以及其他非技术因素，如成本等，在项目成败上的重要意义。

对于解决复杂工程问题能力，重点构建了从基础到综合到工程，逐步提升的实践教学体系。课内项目主要加深对课程理论知识的理解，强调运用本门课程的理论知识解决一般工程问题。后期课程的综合性项目将前期课程和本次课程的理论知识融合贯通，学以致用，解决较为复杂的工程问题。工程实践项目依托实际对象综合运用课程群知识解决复杂的工程问题，提供学生真实的硬件开发和软件设计工程项目。所有项目内容设置要求具有电路分析计算、方案对比、最终方案优缺点分析等体现复杂工程问题能力的要素。实践项目设计从仿真到实践合理布局，并侧重学生基于掌握的基础知识，应用现代工具和信息技术通过团队合作，结合灵活运用多种思维对复杂工程问题进行学习、分析、综合、方案、执行、评估6个方面能力训练。

(三)改革课堂教学，探究多样性教学方法

为培养学生具有解决复杂工程问题的能力，需要学生把知识内化，而不仅仅只是记住一些原理与公式，只有这样才能在复杂的现象中清晰地把握主要矛盾，从而解决复杂问题。目前，嵌入式系统课程群的每门课程都选了一个真实案例，课程知识点的学习以案例中的某个功能导入学习。低频电子线路以音频功放为案例，高频电子线路以电台、收音机为案例，单片机以洗衣机为案例，嵌入式系统以无人机为案例。单片机课程项目案例及知识点的对应关系如表3所示。

表3 单片机课程洗衣机知识点分解表

有了生动易理解的案例，进一步改革教师以讲授为主的“灌输式”传统教学，在课堂讲解知识时，采用基于问题的启发式教学法、案例教学等方法；知识点讲解时，需要探索教学内容的工程性和理论性的最佳契合点，增加学生的学习兴趣、激发学生的求知欲望，增进教学效果。通过应用现代计算机辅助设计工具，如Proteus软件、MATLAB软件，观察单元电路功能和分析数学原理；我们还构建了电子信息工程专业开放教学环境，只需登记就能提供学生基本的单元模块电路，让学生随时能学，方便地学，帮助学生逐步获得解决复杂工程问题的能力。

(四)探索多元化的考核方法

嵌入式课程群的每门课按照解决复杂工程问题的能力要求，设置合理的评价标准，对学生复杂问题能力解决进行合理的分级评定。将考核标准分解为平时表现、基础知识掌握与运用、实践操作、项目研究、表达能力、团队合作等细分项，并通过自评、互评等综合评分得到最终考核成绩。具体成绩组成如表4所示。

表4 期末成绩组成及占比

四、结语

在工程教育认证的背景下，以浙江大学宁波理工学院电子信息工程专业为例，探讨了在现在课程体系框架下，通过构建课程群，重构课程体系和教学内容，选定项目案例，设置分层次递进式的实践环节；为每门课程的课程目标、教学大纲、课程案例实施和实践环节进行了系统分析和研究；提出了针对培养学生解决复杂工程问题能力的课程群建设思路和具体策略。学生解决复杂问题实践能力普遍得到了提升。该方法的优点在于继承原有的课程体系，学生和教师额外负担相对较少，有助于解决复杂工程问题能力的培养和提高。