丁鵬飛

工科大學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究＊

丁鵬飛

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

當(dāng)前，中國(guó)大多數(shù)工科院校通過卓越工程師計(jì)劃、工程教育認(rèn)證等舉措加大對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以滿足國(guó)家提出的驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。對(duì)工科大學(xué)生開展應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式進(jìn)行了探討和研究，設(shè)計(jì)的培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力的實(shí)踐方法，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

應(yīng)用能力；創(chuàng)新能力；工科大學(xué)生；工程教育

黨的十八大提出實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，強(qiáng)調(diào)科技創(chuàng)新是提高社會(huì)生產(chǎn)力和綜合國(guó)力的戰(zhàn)略支撐，國(guó)家力量的核心支撐是科技創(chuàng)新能力。實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，不僅需要一批大師級(jí)的拔尖創(chuàng)新人才，也需要大量既掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識(shí)，又具備專門技術(shù)和技能的面向現(xiàn)代生產(chǎn)服務(wù)的應(yīng)用型人才，應(yīng)用技術(shù)人才和拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)在國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中具有同等重要的地位。創(chuàng)新能力不僅體現(xiàn)在技術(shù)水平提升或新技術(shù)產(chǎn)生的多少，更在于新技術(shù)在生產(chǎn)部門的轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散和應(yīng)用，這才是一個(gè)國(guó)家保持經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，不斷增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵[1]。

工程專業(yè)認(rèn)證已經(jīng)成為中國(guó)高校工程教育的必然要求，“以能力為導(dǎo)向”成為目前普通高等學(xué)校本科工程教育教學(xué)改革公認(rèn)的方向，這是時(shí)代的要求和召喚[2]。中國(guó)不少高等工程類院校近幾年對(duì)工程教育認(rèn)證采取非常重視的態(tài)度，將其視為對(duì)專業(yè)的綜合辦學(xué)能力和教學(xué)水平的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)機(jī)制，紛紛申請(qǐng)加入到工程認(rèn)證的行列[3]。截至2018年年底，全國(guó)有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)在內(nèi)的227所高等學(xué)校的1 170個(gè)專業(yè)通過了工程教育認(rèn)證。

工程師本身的質(zhì)量與素質(zhì)直接關(guān)系到工程經(jīng)濟(jì)與安全，工程師認(rèn)證已是經(jīng)濟(jì)全球化的一項(xiàng)必然的需求[4]。因此，如何提高工程教育的質(zhì)量，培養(yǎng)合格的工程師是高校服務(wù)社會(huì)的必然要求。本文通過改革實(shí)踐教學(xué)模式，探索培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用人才的路徑和方法，希望為工程教育的實(shí)施提供借鑒。

1 理論結(jié)合實(shí)踐的重要性

在新生入學(xué)后，學(xué)校通過班主任、輔導(dǎo)員、年級(jí)大會(huì)等多種形式對(duì)新生進(jìn)行專業(yè)教育，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方向，明確個(gè)人的奮斗方向。例如，對(duì)于電子專業(yè)的學(xué)生，學(xué)生所認(rèn)知的專業(yè)方向是硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、技術(shù)支持等，但是對(duì)于這些專業(yè)方向需要掌握什么樣的技能，自己所學(xué)課程與將來的工作有何種聯(lián)系并不清晰。這種對(duì)課程重要性的朦朧認(rèn)識(shí)，無法讓學(xué)生感知理論，課程如何實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”，無法正確認(rèn)知所學(xué)課程的價(jià)值，這也導(dǎo)致很多學(xué)生無法直觀感受所學(xué)課程的重要性，無法認(rèn)識(shí)到理論課程對(duì)解決實(shí)際工程問題的重要意義。如何改變學(xué)生對(duì)理論課的認(rèn)識(shí)，是工科學(xué)生進(jìn)校就應(yīng)該解決的思想問題，通過理論知識(shí)與實(shí)踐的結(jié)合，可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)到理論課程的價(jià)值及重要性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動(dòng)、自覺地學(xué)習(xí)理論知識(shí)。

2 通過51單片機(jī)系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生在學(xué)習(xí)“C語言”時(shí)，會(huì)感到語法晦澀難懂，對(duì)其熟練應(yīng)用更是感覺困難重重。如何改變學(xué)生學(xué)習(xí)“C語言”的現(xiàn)狀，務(wù)必讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到該門課程對(duì)于電子類學(xué)生的重要性。在教學(xué)的實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行“C語言”教學(xué)的過程中，引入適量的單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，可以改變學(xué)生對(duì)“C語言”這門課程重要性的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和能動(dòng)性。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)scanf()輸入語句時(shí)，很難理解這個(gè)函數(shù)是如何實(shí)現(xiàn)鍵盤的輸入的。通過將該內(nèi)容與單片機(jī)系統(tǒng)的按鍵輸入的實(shí)現(xiàn)方法相結(jié)合，并通過單片機(jī)執(zhí)行鍵盤讀取程序?qū)崿F(xiàn)按鍵的識(shí)別，有助于學(xué)生對(duì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。通過單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)合“C語言”課程，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“C語言”的重要性，并通過單片機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，讓學(xué)生直觀地體驗(yàn)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用的魅力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，認(rèn)識(shí)到理論課程的重要性，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。讓學(xué)生在入學(xué)時(shí)就接觸原本只有學(xué)習(xí)了“模擬電路”“數(shù)字電路”等知識(shí)才接觸的單片機(jī)課程，將學(xué)生從游戲和聊天中吸引到單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)這類實(shí)踐課程，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、FPGA開發(fā)、ARM系統(tǒng)開發(fā)等工程實(shí)踐贏得時(shí)間。

3 通過Multisim等電路仿真軟件激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在學(xué)生接觸單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)，由于還未接觸“電路分析”“模擬電路”“數(shù)字電路”的知識(shí)，無法了解電路模塊的實(shí)現(xiàn)原理，因此很多學(xué)生會(huì)對(duì)電路實(shí)現(xiàn)功能產(chǎn)生濃厚的興趣，渴望搞清電路的功能。因此，在這種情況下給學(xué)生講解Multisim電路仿真軟件將收到較好的教學(xué)效果。通過對(duì)Multisim軟件操作方法的介紹，讓學(xué)生掌握Multisim軟件的使用方法，并認(rèn)識(shí)常用元件的符號(hào)及功能。并將學(xué)生在“C語言”學(xué)習(xí)過程中所用的單片機(jī)系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同的功能模塊進(jìn)行仿真。學(xué)生通過Multisim仿真軟件的元件庫和儀器儀表庫，可輕松地搭建單片機(jī)系統(tǒng)的模塊電路，并通過示波器、信號(hào)發(fā)生器等儀器儀表實(shí)現(xiàn)模塊電路的功能仿真。通過電路仿真結(jié)果，學(xué)生可以加深對(duì)高中物理所涉及的電學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，并認(rèn)識(shí)新的元件和單片機(jī)系統(tǒng)中模塊電路的實(shí)現(xiàn)功能。通過Multisim仿真軟件的運(yùn)用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到數(shù)學(xué)與工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的熱情和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也為學(xué)生認(rèn)識(shí)生活中的應(yīng)用電路找到驗(yàn)證的手段和方法。

4 通過印制電路板設(shè)計(jì)軟件提高學(xué)生的動(dòng)手能力

PCB（printed circuit board，印制電路板）設(shè)計(jì)軟件作為設(shè)計(jì)和制作PCB的設(shè)計(jì)工具，對(duì)于電子類的工科學(xué)生而言具有非常重要的意義。PCB設(shè)計(jì)軟件是電路電路圖繪制和PCB設(shè)計(jì)的輔助設(shè)計(jì)工具，是硬件工程師必須熟練掌握的工具之一。通過PCB設(shè)計(jì)軟件的使用，可以讓學(xué)生逐步掌握自學(xué)工具軟件的使用方法，同時(shí)通過對(duì)已有電路的模仿，熟悉工具軟件的使用。通過工具軟件的使用，可以讓學(xué)生在畫電路圖的過程中加深對(duì)電路的理解。通過PCB設(shè)計(jì)軟件根據(jù)繪制的電路圖制作PCB。通過電路圖的繪制和PCB的制作，讓學(xué)生了解電路設(shè)計(jì)到PCB加工的整個(gè)流程，尤其是將設(shè)計(jì)的PCB文件加工成電路板后，學(xué)生的自信心會(huì)受到極大的鼓舞，學(xué)習(xí)的熱情會(huì)得到激發(fā)。在繪制原理圖的過程中，通過引導(dǎo)學(xué)生正確閱讀芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以讓學(xué)生了解電路的設(shè)計(jì)規(guī)則，掌握芯片的功能和使用方法。尤其是在查看數(shù)據(jù)手冊(cè)的過程中，由于很多數(shù)據(jù)手冊(cè)只有英文版，因此，學(xué)生要掌握芯片的使用方法，必須能用英語閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)。這也讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到英語學(xué)習(xí)的重要性，改變很多學(xué)生所認(rèn)為的學(xué)習(xí)英語無“用武之地”的觀念。通過在閱讀英文數(shù)據(jù)手冊(cè)中遇到的困難，促使學(xué)生加強(qiáng)英語的學(xué)習(xí)，激發(fā)英語的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)英語的主動(dòng)性和自覺性。

5 通過基于Cortex-M3的ARM處理器硬件系統(tǒng)進(jìn)一步提升學(xué)生的應(yīng)用能力

通過51單片機(jī)系統(tǒng)和“C語言”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已基本掌握了“C語言”基本知識(shí)、單片機(jī)開發(fā)的操作流程和單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)的使用方法。51單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)51單片機(jī)基礎(chǔ)上，選擇基于Cortex-M3的STM32單片機(jī)系統(tǒng)作為學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺(tái)。相對(duì)于51單片機(jī)，STM32單片機(jī)具有豐富的外圍設(shè)備、更大的FLASH存儲(chǔ)空間和RAM空間，更加復(fù)雜的時(shí)鐘電路和豐富的寄存器。因此，STM32單片機(jī)系統(tǒng)適合具有一定的51單片機(jī)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入系統(tǒng)的開發(fā)方法。在STM32單片機(jī)系統(tǒng)中，集成了藍(lán)牙通信、串口通信、RS485通信、紅外通信、Wi-Fi模塊、GPRS模塊、GPS模塊、超聲波測(cè)距、溫度檢測(cè)、液晶屏顯示、觸摸屏、攝像頭、以太網(wǎng)通信模塊、語音模塊、模擬信號(hào)采集、時(shí)鐘模塊等功能模塊。通過該系統(tǒng)中不同模塊功能的實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生掌握語音輸入、語音輸出、模擬信號(hào)采集、RS485通信等功能的實(shí)現(xiàn)方法，掌握其工作原理。在實(shí)現(xiàn)不同模塊功能基礎(chǔ)上，通過同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的功能，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。通過對(duì)這些模塊的功能的實(shí)現(xiàn)，了解各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)原理；通過對(duì)這些模塊電路的學(xué)習(xí)，提高對(duì)硬件系統(tǒng)的分析能力，逐步掌握硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

6 通過開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)一步提升學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力

開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為實(shí)踐教學(xué)的一個(gè)補(bǔ)充，可以更大程度地提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一般以小組的形式開展動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)，學(xué)生在開學(xué)初期在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行項(xiàng)目的功能需求分析，確定整體設(shè)計(jì)方案。確定整體設(shè)計(jì)方案后，小組根據(jù)具體的設(shè)計(jì)方案分工協(xié)作，完成硬件電路設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的開發(fā)、軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，并最終完成開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作品的制作。在完成項(xiàng)目作品的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要通過項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告和項(xiàng)目答辯完成開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的驗(yàn)收。驗(yàn)收合格的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由學(xué)校全額報(bào)銷項(xiàng)目制作過程中的相關(guān)費(fèi)用，這大大激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。通過完成開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與作品的制作，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、刻苦鉆研的精神和創(chuàng)新意識(shí)，提高了學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

7 結(jié)論

通過以上教學(xué)改革舉措的實(shí)施，使工科學(xué)生的工程教育從大一貫穿到大四整個(gè)本科階段，使學(xué)生跨入大學(xué)的校門就認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)的重要性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)的主動(dòng)性和積極性，促進(jìn)了理論教學(xué)的效果。通過在大一就讓學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐教學(xué)時(shí)具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力和實(shí)際操作能力，從而使實(shí)踐教學(xué)可以開展綜合性更高的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，大大提高了實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)效果，使學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到更大的鍛煉。課賽結(jié)合和課程設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合，使得課程設(shè)計(jì)能運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)以前無法完成的設(shè)計(jì)性項(xiàng)目，大大提高課程設(shè)計(jì)的時(shí)效性，從而使得學(xué)生的工程實(shí)踐能力 通過理論知識(shí)、課程競(jìng)賽、課程設(shè)計(jì)得到穩(wěn)步提升。通過工程實(shí)踐能力的提高，學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了極大的鍛煉和培養(yǎng)。

通過應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式的改革，本科生專業(yè)對(duì)口難的問題得到了緩解。學(xué)生在畢業(yè)時(shí)就具備較強(qiáng)的硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的能力，熟悉硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的流程，基本具有獨(dú)立從事研究開發(fā)的能力，能夠迅速適應(yīng)企業(yè)的要求。解決了大學(xué)生入職后需要企業(yè)組織較長(zhǎng)周期的培訓(xùn)的難題，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的高質(zhì)量就業(yè)，滿足了企業(yè)對(duì)人才的需求，符合創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)高素質(zhì)應(yīng)用人才的需求，滿足大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)是高等教育的重要目標(biāo)的要求[5]。本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的教學(xué)模式著眼于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動(dòng)手能力，以問題為導(dǎo)向，從問題的發(fā)現(xiàn)、分析、解決乃至最后的實(shí)踐，逐步形成完整的系統(tǒng)性的思維方式[6]。

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G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.070

2095－6835（2021）01－0171－03

西安郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工科大學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究”（編號(hào)：JGA201717）的部分研究成果

丁鵬飛（1980—），男，重慶萬州人，碩士研究生，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、實(shí)踐教學(xué)改革與管理研究。

〔編輯：王霞〕