新工科背景下多模块、自主式、多维度综合设计课程群的探索与实践*

王明伟 王奇 范山岗 赵来定

1 南京邮电大学通信与信息工程学院 南京 210003 2 南京邮电大学信息与通信工程国家级实验教学示范中心 南京 210003

0 引言

工程教育中的“新工科”提出我国工程教育改革方向，需积极应对变化，引领创新，培养能够适应时代和未来变化的卓越工程人才[1]。《华盛顿协议》《教育部办公厅关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》等一系列深化工程教育改革举措的提出[2]，对高校培养多样化、创新型卓越工程科技人才提出了新命题，是战略发展需求、国际竞争趋势和立德树人时代要求提出的深刻命题[1,3]，关系国家未来和民族振兴。“新工科”建设已经进入2.0阶段，推进范式已由理念倡导和顶层设计走向推进落实和质量提升阶段[4]。

学生实践能力培养体系中，要完成基础层及综合层实践类课程的学习，如图1所示，实践能力的培养始终贯穿在学生的培养过程中。

图1 实践能力培养体系

综合设计是培养学生实践创新能力，解决复杂工程问题的重要一环，能帮助学生建立完整的知识体系，融合多门基础学科知识点[4]，提高综合分析能力，为学生进行毕业设计和继续深造奠定良好基础[5]。

如何提升实践教学质量，达到预期的教学效果，满足“新工科”的要求是一个关键问题。本文依据《新工科研究与实践项目指南》，结合学校电子信息类专业工程认证和“双一流”建设工作的具体实践[2]，从综合设计存在的问题、教学改革及实践效果三个方面，介绍“新工科”背景下多模块、自主式、多维度的设计课程群的探索与实践。本文的设计群为软件设计和课程设计中多模块构成的课程群，后续讨论的综合性设计环节仅限于软件设计和课程设计。

1 综合性设计环节存在的问题

软件设计和课程设计属于综合性设计，前者以软件仿真为主，后者以硬件调试为主。旨在培养学生综合运用所学知识进行系统分析、设计、开发的基本能力，巩固学生基础理论和专业知识，使其掌握常用仿真软件、硬件开发板或实验箱的使用方法，提高运用所学理论知识解决实际问题的能力。该环节中存在以下几个问题。

1.1 基础薄弱

经过前期的学习，不同专业的学生已经掌握基础和专业知识，但与“新工科”中“新质量”的要求相去甚远。先修课程中以选修C、JAVA或Matlab等语言为主，学生基础仍旧比较薄弱，难以应对国际竞争[6]。学生的实践操作能力和创新意识仍处于萌芽状态，如何使其成为应用型和创新型人才，是一个重要问题。

1.2 时间短

在培养方案中，软件设计、课程设计分别集中安排在第六和第七学期，理论课停课。其中第七学期，不少学生准备考研。由于考研压力大，设计时间短，基础弱等因素导致课程设计质量下降，如何保证教学质量，切实提升学生实践能力，也是一个亟待解决的问题。

1.3 设计课题难度的把握不当

从学生的角度来说，课题的难度是相对的，简单的课题对基础弱的学生同样具有较大难度，学生的能力和基础参差不齐。

短时，效率和质量要求高是综合设计的显著特点，要兼顾全部学生。在“新工科”背景下，紧跟技术发展，拟定课题任务要满足新颖性、适度性、创新性的要求，要为学生适应未来技术和产业发展要求打下基础，这是教师需要考虑的一个关键问题。

1.4 模块内容陈旧

综合性设计的模块课题陈旧，重复探索业已成熟的技术，缺乏对新技术的了解和创新性[7]，难以满足“新工科”背景下的新理念、新结构、新体系的要求。鉴于课程对培养学生解决复杂工程问题的能力及高校培养高素质工程人才的目标[8]产生极大影响，综合设计课程群的改革势在必行。

2 综合设计课程群教学改革

新工科指导性意见指出需要注重模式创新，保障质量。基于新工科对各校专业的要求，课程组教师对综合设计课程群进行了改革，主要包括以下几个方面。

2.1 注重结构优化，模块重组

以技术发展为导向，根据新工科需求，对综合设计课程群的结构进行优化，对模块进行重组，形成多模块结构。以课程设计为例，更新前后各模块如表1所示。

表1 课程设计模块更新表

表1中显示，更新之前单片机类，略显重复。模块缺少与新技术发展相关的知识学习，并且模块少，学生达不到“新工科”背景下提出的新要求。更新之后模块丰富，与新技术发展紧密相连，注重内容结构的优化，适应时代发展需求。

2.2 紧跟技术发展，设计综合课题任务

同一模块中，指导教师组根据企业需求、技术发展、学生能力，拟定不同方向类型的课题，以扩大学生能根据兴趣自由选择的空间。

泛在物联网是建设工业互联网的重要支撑，对提升用户使用体验至关重要[9]，在模块更新过程中增加泛在物联网应用课程设计模块。该设计模块框架如图2所示，包括数据采集、后台处理分析及前端显示，旨在培养学生处理泛在物联网应用实际问题的能力，构建应用系统的综合能力。课题包括跑步计数器设计、日常计步器设计、血氧饱和度监控、心率监测等，完成系统搭建和设计。

图2 泛在物联网应用课程设计模块框架

2.3 学生志趣导向，自主式选择任务

兴趣是最好的老师，可以利用学生对未知事物的好奇心，设计学生感兴趣的课题，使其从中获得启发、享受乐趣[10]。学生根据自己的兴趣选择对应课题，更有利于设计质量的提升。同一课题最多2人。

以软件设计中的Python模块为例。Python是一门“简单”“高效”的编程语言，其应用领域非常广泛，指导教师组所拟定课题与本专业领域具有关联性，分为爬虫类、Web开发类、机器视觉类、人工智能类等多个方向，学生也可根据兴趣自主拟定课题，纳入老师所给定的课题中，以扩充并丰富题库。

2.4 梯度设计，彰显不同层次，形成多维度

因综合性设计所涉及的知识面宽，学生能力不一，时间有限，课题根据基本要求和发挥要求，形成基础层和提高层的梯度式多维度课题，一定的层次梯度能为不同能力的同学提供更好的成长空间。因此需把控课题设计难度，充分反映学生能力强弱，科学评定考核成绩，避免课题太难无法完成的情况出现。

图3为“微处理器应用课程设计”中“SD卡读写”的分层设计要求。

图3 “SD卡读写”课题的多维度设计

3 综合设计教学新模式改革的探索效果

针对前述问题，课程群在结构、模式、质量、体系等方面进行改革，取得显著效果。注重实用性、综合性，根据技术发展情况“改内容”，更新工程人才知识体系，根据学生志趣“变方法”，创新工程教育方式与手段，训练学生快速学习知识并解决问题的能力，以培养工程实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才，引领未来技术和产业发展。

以Python模块为例。爬虫类课题要求学生发挥想象力，自由发挥，完成UI界面设计、数据爬取、统计分析和存储。学生甲界面设计完成情况如图4所示。

图4 学生甲UI设计

图4设计使用Tk库中的Label控件元素，界面单一，想象力、创造力等方面略显不足。图像处理类课题中，图5使用PyQt5设计界面，控件元素多，元素包括菜单栏、ToggleButton、QLineEdit、Spinbox等元素，功能设计丰富，具有图像处理功能，类似设计既培养了学生的创新想象力，又培养了学生的综合实践学习能力。

图5 学生乙UI设计

学生甲和学生乙完成课题的情况充分展示了他们在想象力、创造力和实践性方面的能力差异。界面的友好性、控件的选择性进一步体现了学生乙各方面的综合性实践能力优于学生甲。

其他各模块也取得明显的效果，不再一一赘述。

4 结束语

“新工科”背景下，对综合性设计课程群提出了更高的“五新”要求。综合性设计环节可以提高学生的专业素质和综合能力，对其进行优化既可以解决现有课程存在的理论与实际脱节的问题，又可以加深学生对专业的认识、认同和自我审视[6]。本文从设计存在的问题、模式改革及改革探索效果三个方面进行了优化模式的探讨。总体上看，优化后的综合性设计课程群注重学生体验，激发了学生的主动性、创造力、创新性，使学生树立了工程意识、项目管理意识，按照工程认证要求培养了其多方面的工程能力，总体上收到了较好的教学效果。