哈聰穎, 王 俊, 張有光
(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100191)
教育的核心是人才綜合素質(zhì)的提高和完善。實(shí)踐教學(xué)是高素質(zhì)人才培養(yǎng)過程的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力、增強(qiáng)動(dòng)手能力、提高分析問題和解決問題及創(chuàng)新能力的重要途徑。目前,各高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上均增加綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),且綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),在整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中所占比例呈上升趨勢(shì)[1-9]。
綜合性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)操作技能的基礎(chǔ)上綜合運(yùn)用某一課程或多門課程的知識(shí),對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合性、開發(fā)性實(shí)驗(yàn)[10]。
(1)綜合性實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮知識(shí)的互動(dòng)效應(yīng),有助于提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)與技能的綜合運(yùn)用以及實(shí)踐能力,培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。
(2)由于綜合性實(shí)驗(yàn)的題材融入了學(xué)生平時(shí)關(guān)注的一些熱門話題、熱點(diǎn)知識(shí)、環(huán)境中需要解決的實(shí)際問題以及相關(guān)科研項(xiàng)目的題材,因此大大激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和實(shí)驗(yàn)興趣。另外,學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的過程中是體驗(yàn)“做中學(xué)”而不是“聽中學(xué)”,教師只是指導(dǎo)、引導(dǎo)的作用,學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的主體地位突顯,提高學(xué)生對(duì)專業(yè)學(xué)習(xí)及實(shí)踐的積極性與主動(dòng)性。
(3)綜合性實(shí)驗(yàn)重過程,重能力培養(yǎng)。是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核評(píng)估體系的突破,避免以往僅僅通過實(shí)驗(yàn)報(bào)告來評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績(jī),評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程,重能力培養(yǎng)。
(4)提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力及交流能力。綜合性實(shí)驗(yàn)是以團(tuán)隊(duì)的形式體驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行的全生命周期的構(gòu)建,在實(shí)驗(yàn)過程中需要團(tuán)隊(duì)合作共同解決設(shè)計(jì)瓶頸與難題,促進(jìn)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力及交流能力。
綜上所述,綜合性實(shí)驗(yàn)可以提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)與技能的綜合運(yùn)用能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。國(guó)內(nèi)很多兄弟院校在此方面開展了相關(guān)工作。北京郵電大學(xué)建立通信專業(yè)遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),借助于虛擬儀器遠(yuǎn)程化應(yīng)用,引入了通信系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,具有綜合性;浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)課程改革方面新開設(shè)高級(jí)數(shù)字系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課等,重點(diǎn)開設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),把一些單元性的實(shí)驗(yàn)融合在綜合性系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)中;上海交通大學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系中,對(duì)各實(shí)驗(yàn)課程和項(xiàng)目進(jìn)行了增減和更新,從體系化的觀點(diǎn)重新構(gòu)建,比如將通信原理實(shí)驗(yàn)65%更新為綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目;同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院通過對(duì)項(xiàng)目的策劃、課程的協(xié)作、企業(yè)的參與和綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合來保證并提高綜合性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量等[11];中國(guó)石油大學(xué)(華東)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院介紹了綜合性實(shí)驗(yàn)以案例教學(xué)為主的教學(xué)內(nèi)容體系和實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法,提出了“興趣驅(qū)動(dòng)認(rèn)知實(shí)踐,應(yīng)用引導(dǎo)創(chuàng)新體驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路[12];浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出了基于CDIO教學(xué)模式的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及平衡自主創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)踐[13]等。
結(jié)合我院自身特點(diǎn)及兄弟院校相關(guān)工作的啟示,我院通信專業(yè)類綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)秉承綜合性、實(shí)用性、趣味性、可擴(kuò)展性及體現(xiàn)通信特色等原則。綜合性是實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)的首要原則,學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)過程中必須將多門專業(yè)課甚至專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課的基本理論、基本操作技能有機(jī)地結(jié)合在一起;案例要具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)采用當(dāng)前主流的重要的通信系統(tǒng)開發(fā)技術(shù),學(xué)生能夠切實(shí)掌握實(shí)用技能,為今后的學(xué)習(xí)與工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);同時(shí),興趣是最好的老師。綜合性實(shí)驗(yàn)案例對(duì)學(xué)生要具有挑戰(zhàn)性,而且必須是學(xué)生感興趣的,才能變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí);綜合性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)要具有可擴(kuò)展性,可以根據(jù)學(xué)科建設(shè)、專業(yè)發(fā)展和學(xué)生培養(yǎng)的需要進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化;實(shí)驗(yàn)要體現(xiàn)“通信特色”,符合通信學(xué)科特點(diǎn)和專業(yè)培養(yǎng)要求。
根據(jù)上述綜合性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則,所設(shè)計(jì)的綜合性實(shí)驗(yàn)案例包括人機(jī)接口實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸實(shí)驗(yàn)、無線短信實(shí)驗(yàn)、溫度采集藍(lán)牙傳輸實(shí)驗(yàn)、數(shù)字錄音筆的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、無線遙控系統(tǒng)、數(shù)字無線通信系統(tǒng)、數(shù)字式調(diào)頻收音機(jī)、電子密碼鎖、Ad hoc組網(wǎng)實(shí)踐等。這些綜合性實(shí)驗(yàn)案例均綜合了本專業(yè)多門專業(yè)課程及技能,綜合了硬件和軟件的實(shí)驗(yàn)手段,體現(xiàn)綜合性。以數(shù)字錄音筆為例,系統(tǒng)綜合運(yùn)用了模擬電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理等多門通信類、電子類課程,運(yùn)用了單片機(jī)、FPGA、DSP等技術(shù)進(jìn)行硬件系統(tǒng)構(gòu)建,運(yùn)用了C語言、硬件描述語言等程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行軟件開發(fā),如圖1所示。使學(xué)生可以綜合運(yùn)用通信專業(yè)類的理論知識(shí)和專業(yè)技能。
圖1 系統(tǒng)分析
此外,這些實(shí)驗(yàn)案例也同時(shí)體現(xiàn)了實(shí)用性、趣味性、可擴(kuò)展性及通信特色,對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)與技能綜合運(yùn)用能力、自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)具有切實(shí)的幫助。
麻省理工學(xué)院以美國(guó)工程院院士 Edward F.Crawley教授為首的團(tuán)隊(duì)和瑞典皇家工學(xué)院等4所大學(xué)從2000年起組成的跨國(guó)研究組合,獲Knut and Alice Wallenberg基金會(huì)近1 600萬美元巨額資助,經(jīng)過4年探索創(chuàng)立CDIO工程教育理念并成立CDIO國(guó)際合作組織。CDIO工程教育是“做中學(xué)”原則和“基于項(xiàng)目教育與學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)。CDIO以工程項(xiàng)目(包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng))從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動(dòng)實(shí)踐、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO提出了系統(tǒng)的能力培養(yǎng),全面地實(shí)施指導(dǎo)以及實(shí)施過程和結(jié)果檢驗(yàn)的12條標(biāo)準(zhǔn),具有可操作性[14-16]。
通信專業(yè)類綜合性實(shí)驗(yàn)與CDIO工程教育理念相符合,同樣提倡“做中學(xué)”及“基于案例的學(xué)習(xí)”,實(shí)驗(yàn)過程注重對(duì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作解決工程問題與瓶頸的能力培養(yǎng)。它要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)多門專業(yè)知識(shí)與技能,綜合軟件和硬件的實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)1個(gè)產(chǎn)品或系統(tǒng)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行的全生命周期的構(gòu)建。因此,通信專業(yè)類綜合性實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過程可以借鑒CDIO的教學(xué)模式,3或4名同學(xué)組成1個(gè)團(tuán)隊(duì),選出1名組長(zhǎng)負(fù)責(zé)任務(wù)的整體統(tǒng)籌與任務(wù)分配,各團(tuán)隊(duì)自主選擇感興趣的系統(tǒng)來完成實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程即制定時(shí)間計(jì)劃并執(zhí)行的過程,時(shí)間計(jì)劃可根據(jù)系統(tǒng)從研發(fā)到運(yùn)行的生命周期來進(jìn)行劃分,大體劃分為構(gòu)思階段、設(shè)計(jì)階段、實(shí)施階段、運(yùn)行階段,具體內(nèi)容如下:
(1)構(gòu)思階段。確定客戶需求。在綜合性實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生自主選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)案例,指導(dǎo)老師作為客戶,學(xué)生需要向老師(客戶)了解具體要實(shí)現(xiàn)什么樣的系統(tǒng)。當(dāng)然,各團(tuán)隊(duì)也可自己選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)案例,但需要經(jīng)過老師的審核與批準(zhǔn),使之滿足綜合性實(shí)驗(yàn)的難度系數(shù)及時(shí)間計(jì)劃。
(2)設(shè)計(jì)階段。集中在創(chuàng)建設(shè)計(jì),包括計(jì)劃、圖紙和描述產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)實(shí)施的方法和算法。具體說即是根據(jù)系統(tǒng)的要求來查閱電子資源及文獻(xiàn)、書籍從而進(jìn)行方案設(shè)計(jì),包括確定產(chǎn)品及系統(tǒng)的功能模塊與各部分接口,選用合適器件構(gòu)造硬件結(jié)構(gòu)(原理圖、PCB圖設(shè)計(jì)),確定各模塊軟件算法(軟件設(shè)計(jì)流程圖)。之后寫好設(shè)計(jì)報(bào)告進(jìn)行設(shè)計(jì)答辯(結(jié)合PPT口頭答辯)。
(3)實(shí)施階段。運(yùn)用設(shè)計(jì)階段的成果實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品或系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化,包括硬件制造、軟件編程、測(cè)試和驗(yàn)證等。整個(gè)過程由團(tuán)隊(duì)合作完成。在此過程中,學(xué)生是主體,老師只是起到引導(dǎo)的作用,并關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式分析問題、解決問題的態(tài)度及處理方法。
(4)運(yùn)行階段。將已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品或系統(tǒng)提供給老師(客戶)以達(dá)到預(yù)期的價(jià)值。以答辯的形式向老師匯報(bào)系統(tǒng)及其完成情況,并以報(bào)告的形式對(duì)自己在技術(shù)和團(tuán)隊(duì)工作上的表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估。評(píng)委老師會(huì)評(píng)估他們的答辯及報(bào)告,對(duì)他們的系統(tǒng)建造能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、交流表現(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和指導(dǎo)。
時(shí)間計(jì)劃可參考如下方式進(jìn)行劃分:構(gòu)思及設(shè)計(jì)階段1到2周,實(shí)施及運(yùn)行階段2周。需要進(jìn)行兩個(gè)答辯(設(shè)計(jì)答辯及總結(jié)答辯),結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程及答辯情況對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)進(jìn)行綜合評(píng)估。
以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)中僅以實(shí)驗(yàn)報(bào)告來評(píng)估學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果具有極大的偏頗性,對(duì)學(xué)生綜合性實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)效果的評(píng)估應(yīng)貫穿于實(shí)驗(yàn)開始之前、進(jìn)展之中以及完成之后三個(gè)時(shí)期,全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)效果。因此,通信專業(yè)類綜合性實(shí)驗(yàn)的考核模式結(jié)合學(xué)生最后完成的作品以及整個(gè)實(shí)踐過程來進(jìn)行評(píng)價(jià),在實(shí)驗(yàn)過程中關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度,工程推理及解決問題的能力;實(shí)驗(yàn)完成后的考核方式類似于畢業(yè)設(shè)計(jì)的答辯形式,考核評(píng)委由相關(guān)的幾個(gè)老師(硬件、軟件、測(cè)試、管理等)擔(dān)任,評(píng)價(jià)結(jié)果由學(xué)科及專業(yè)技能掌握程度(案例的難度系數(shù)、應(yīng)用性、產(chǎn)品或系統(tǒng)從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行的建造能力等)、團(tuán)隊(duì)合作能力、交流能力等參數(shù)來決定。
(1)學(xué)科及專業(yè)技能評(píng)估。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及完成過程來考核;工程推理及解決問題能力、實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)知識(shí)(查閱資料)、系統(tǒng)思維,綜合運(yùn)用多門專業(yè)知識(shí)與技能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及系統(tǒng)全生命周期建造的能力。
(2)團(tuán)隊(duì)合作能力評(píng)估。現(xiàn)代工程需要學(xué)科交叉和集成,這就要求工程師按照項(xiàng)目邏輯而不是學(xué)科邏輯開展工作。這就要求工程師團(tuán)隊(duì)運(yùn)用不同學(xué)科的知識(shí)協(xié)同解決問題,要求工程師具有良好的溝通交流和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力。在綜合性實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)估體系中有必要將團(tuán)隊(duì)合作能力單獨(dú)列出加以評(píng)估。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中需要老師留意,各組任務(wù)分配及配合情況,組員承擔(dān)責(zé)任情況;在這個(gè)評(píng)估中,更注重學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程,團(tuán)隊(duì)合作并解決問題的態(tài)度及方法。
(3)交流能力評(píng)估。書面交流能力通過設(shè)計(jì)、總結(jié)報(bào)告體現(xiàn);口頭及利用多媒體交流能力通過答辯過程考核,答辯過程可采用評(píng)分表來進(jìn)行綜合評(píng)定。評(píng)分表是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)列表,該列表通過一個(gè)反映完成質(zhì)量程度的等級(jí)來評(píng)估表現(xiàn)、過程及系統(tǒng)。評(píng)分表不僅對(duì)教師有價(jià)值,而且向?qū)W生傳達(dá)了教師對(duì)他們表現(xiàn)的期望。由于所有學(xué)生采用相同的準(zhǔn)則,所以學(xué)生感覺評(píng)估是公平的、客觀的。在一些工科教育組織的定期期刊文章和會(huì)議論文集中,如美國(guó)的工程教育協(xié)會(huì)(ASEE)、歐洲工程教育協(xié)會(huì)(SEFI)中,就可以找到一些正規(guī)且制度化的評(píng)分表。表1就是我們?cè)趫F(tuán)隊(duì)合作項(xiàng)目中采用的評(píng)分表。
表1 口頭演講和技術(shù)介紹評(píng)分表
通過學(xué)生的問卷調(diào)查了解到大部分學(xué)生對(duì)通信專業(yè)類綜合性實(shí)驗(yàn)非常感興趣并且從中收獲頗多,實(shí)踐證明本實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)生綜合運(yùn)用多門專業(yè)知識(shí)與技能來實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施到運(yùn)行的全生命周期的構(gòu)建,極大提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及交流能力。
以通信類綜合性實(shí)驗(yàn)為起點(diǎn),下一步的工作將逐步設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)類、電磁場(chǎng)微波類、DSP類等綜合性實(shí)驗(yàn)組成一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向本科生開放,使本科生通過各個(gè)方向的綜合性實(shí)驗(yàn)對(duì)本專業(yè)有一個(gè)更系統(tǒng)、更全面的認(rèn)識(shí),深層理解各專業(yè)方向理論知識(shí)與實(shí)踐及應(yīng)用的聯(lián)系。
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