付秀偉,邵 赟,付 莉,王嘉祺**,王佳秀***

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022;2.浙江綠色智行科創(chuàng)有限公司,杭州 浙江 310000)

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的日益深入,創(chuàng)新與發(fā)展已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn),社會(huì)對創(chuàng)新應(yīng)用型人才的渴求也極為迫切。據(jù)統(tǒng)計(jì)為培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型人才[1-2],美國研究所與美國教育部于2016年發(fā)布《STEM2026:STEM教育創(chuàng)新的愿望》,芬蘭、加拿大等國學(xué)者也紛紛提出相關(guān)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的理論,促進(jìn)工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)。2017年我國教育部啟動(dòng)了“新工科”建設(shè),加快培養(yǎng)新領(lǐng)域高層次工程技術(shù)創(chuàng)新人才,2021年教育部提出深化新工科建設(shè),優(yōu)化創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,為高端制造業(yè)發(fā)展提供人才支撐[3-5]。目前,我國在“互聯(lián)網(wǎng)+”變革、“雙創(chuàng)”新勢態(tài)推出后,地方產(chǎn)業(yè)和社會(huì)對電子技術(shù)方向創(chuàng)新應(yīng)用型人才的需求極為龐大。

作為電子信息類一門電子技術(shù)應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)類的課程[6-7],要求學(xué)生綜合應(yīng)用模擬電子技術(shù),數(shù)字電子技術(shù),單片機(jī)原理及應(yīng)用和自動(dòng)控制原理等知識(shí)解決工程問題,該課程可培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析、解決問題和工程創(chuàng)新能力[8-9],并在實(shí)踐中培養(yǎng)其工程素養(yǎng),因此,具有創(chuàng)新應(yīng)用能力的綜合設(shè)計(jì)類課程成為新工科背景下應(yīng)用型人才培養(yǎng)的必要保障。新工科背景下,傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)因存在體系不完善,教學(xué)內(nèi)容陳舊,考核形式單一等問題,尤其是教學(xué)模式中未充分借助信息化和智能化技術(shù)開展啟發(fā)式教學(xué)活動(dòng),無法滿足人才成果產(chǎn)出要求。為此,本文針對“硬件課程設(shè)計(jì)”實(shí)踐課程上述總是,從課程體系、教學(xué)團(tuán)隊(duì)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核標(biāo)準(zhǔn)方面進(jìn)行改革和探究。

一、傳統(tǒng)硬件課程設(shè)計(jì)存在的弊端

(一) 課程設(shè)計(jì)的知識(shí)體系與新工科要求不符

傳統(tǒng)的硬件課程設(shè)計(jì)只是對某一固定的課題進(jìn)行設(shè)計(jì),大部分采用基于89C51單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),內(nèi)容簡單,形成了一定的知識(shí)體系,教學(xué)實(shí)踐模式相對固定,沒有依照現(xiàn)有的新工科的知識(shí)和能力來實(shí)時(shí)調(diào)整培養(yǎng)方案,不能實(shí)時(shí)跟隨時(shí)代的發(fā)展潮流,不能準(zhǔn)確地把握現(xiàn)在企業(yè)所需要人才的知識(shí)儲(chǔ)備,導(dǎo)致人才培養(yǎng)滯后于行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,不符合市場和經(jīng)濟(jì)需求。

(二) 課程中模式單一、課題內(nèi)容落后和技術(shù)陳舊

實(shí)踐教學(xué)模型單一,課題落后,傳統(tǒng)的硬件課程僅僅通過普通的51單片機(jī)對一些傳感器實(shí)現(xiàn)簡單的功能,缺少新工科下對新型的產(chǎn)業(yè)形式進(jìn)行提升和創(chuàng)新,不利于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量的提高。在技術(shù)方面,傳統(tǒng)的技術(shù)陳舊,在實(shí)際應(yīng)用中處于產(chǎn)能淘汰階段,無法適應(yīng)現(xiàn)在新工科下的人工智能,大數(shù)據(jù)和機(jī)器人等一系列的專業(yè)要求,在面對多元化產(chǎn)業(yè)需求的基礎(chǔ)上,很難引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭,無法塑造出卓越人才。

(三) 學(xué)科間互動(dòng)少,綜合技能弱,學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)薄弱

新工科是在新一輪的科技革命下針對新興產(chǎn)業(yè)以互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能為核心發(fā)展的新工科專業(yè)[10-11]。涉及到多個(gè)學(xué)科專業(yè)的融合,要求學(xué)科間相互交叉,使學(xué)生的綜合技能變強(qiáng),提高學(xué)生的主動(dòng)創(chuàng)新意識(shí),提高學(xué)生的綜合實(shí)力,而傳統(tǒng)的硬件課程在這方面顯得尤為不足,設(shè)計(jì)單一,學(xué)科知識(shí)積累少,創(chuàng)新思維受到限制。

二、課程建設(shè)舉措

新工科背景下對硬件課程設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn),更加重視對互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能的要求,對未來新興產(chǎn)業(yè)要求實(shí)踐能力更強(qiáng),創(chuàng)新能力更強(qiáng)的復(fù)合人才,這就對硬件課程設(shè)計(jì)提出了新的要求,為此提出了優(yōu)化課題體系,更新課程實(shí)踐內(nèi)容和構(gòu)建教學(xué)交流平臺(tái)等建設(shè)方案。

(一) 優(yōu)化課程體系結(jié)構(gòu)

優(yōu)化硬件課程設(shè)計(jì)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)需要遵循新工科背景下創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)要求,進(jìn)行反向設(shè)計(jì),正向?qū)嵤12]。課程內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)流程如圖1所示。體系具體步驟如下:

圖1 新工科背景下硬件課程設(shè)計(jì)體系實(shí)施流程

(1)從總體畢業(yè)設(shè)計(jì)要求中分離出與硬件相關(guān)的畢業(yè)要求,以此制定硬件課程設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)。

(2)根據(jù)總體目標(biāo),確定開設(shè)的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目需求,厘清項(xiàng)目之間的作用,地位和先后銜接關(guān)系,形成課程體系層次樹。

(3)將總體目標(biāo)進(jìn)行分解,分解到每個(gè)項(xiàng)目中去,形成每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo)。

(4)根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目的教學(xué)目標(biāo),制定教學(xué)大綱,精選教學(xué)內(nèi)容,形成知識(shí)樹,確定教學(xué)方法,確保知識(shí)點(diǎn)無遺漏,做到統(tǒng)籌協(xié)調(diào),保證知識(shí)體系的完整性。

(5)對上面四條進(jìn)行反向?qū)嵤?始終以產(chǎn)出目標(biāo)為導(dǎo)向,以學(xué)生為中心,從具體課程出發(fā),直至總體目標(biāo)的達(dá)成。

(二) 更新教學(xué)內(nèi)容

硬件課程設(shè)計(jì)面向電子信息類全體學(xué)生,而每個(gè)專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣點(diǎn)、知識(shí)儲(chǔ)備和能力特點(diǎn)均有所不同,因此教學(xué)內(nèi)容從班級(jí)、類型、課題和指標(biāo)方面對設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行分類。

(1)班級(jí)分類:依據(jù)前測反饋?zhàn)赃m應(yīng)調(diào)整課題培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用能力,對專業(yè)基礎(chǔ)較好以及卓越班級(jí)、優(yōu)勢人才等適當(dāng)增加設(shè)計(jì)指標(biāo)難度;

(2)類型分類:課題小組依據(jù)學(xué)生興趣、能力特點(diǎn),課題內(nèi)容按照相對比例分為軟件編程和硬件設(shè)計(jì)兩種類型,學(xué)生自行選擇課題類型;

(3)課題分類:課題種類按專業(yè)方向、設(shè)計(jì)類別、學(xué)科分類等類別增加多樣化題目,學(xué)生根據(jù)難度系數(shù)、興趣特點(diǎn)、小組合作選擇課題;

(4)指標(biāo)分類:設(shè)置系統(tǒng)內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)技術(shù)方法、編程算法,結(jié)合企業(yè)需求和開發(fā)平臺(tái)設(shè)定具有實(shí)用性、創(chuàng)新性指標(biāo),實(shí)現(xiàn)課題設(shè)計(jì)指標(biāo)多元化。

(三) 構(gòu)建互動(dòng)平臺(tái)

整合多方資源,匯集一起,將各個(gè)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)集硬件課程設(shè)計(jì)于一身,采用學(xué)習(xí)通、B站、微信公眾號(hào)、慕課等多種方式傳授知識(shí)。實(shí)現(xiàn)師生之間,生生之間的互動(dòng),采用開放式交流方式,針對問題集思廣益,切實(shí)讓學(xué)生體會(huì)到學(xué)習(xí)的快樂,以及如何更好地提出問題,分析問題和解決問題,使學(xué)生受益匪淺。

綜合每個(gè)平臺(tái)的優(yōu)勢,利用學(xué)習(xí)通進(jìn)行資料發(fā)布和教學(xué)視頻學(xué)習(xí),在慕課里分享國內(nèi)外優(yōu)秀課程視頻,利用B站將歷年學(xué)生的優(yōu)秀案例分享出來,采用微信公眾號(hào)發(fā)布項(xiàng)目設(shè)計(jì)信息及學(xué)習(xí)內(nèi)容,學(xué)生及時(shí)獲取最新消息,可以通過提問的方式進(jìn)行相互交流當(dāng)前問題,從而形成一個(gè)完整的硬件知識(shí)體系。

三、課程實(shí)施

項(xiàng)目的設(shè)定和選擇上,充分考慮理論與實(shí)踐相結(jié)合的融合性和靈活性[13]。以及理論指導(dǎo)實(shí)踐,實(shí)踐驗(yàn)證理論的層次性、系統(tǒng)性和工程性,在設(shè)計(jì)內(nèi)容方面有階梯性,給學(xué)生一定充足的發(fā)散空間。

(一) 設(shè)計(jì)案例

以下將具體分析3周實(shí)際項(xiàng)目案例——電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛模擬系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),主要分為運(yùn)動(dòng)控制部分和圖像識(shí)別部分,通過第一部分的運(yùn)動(dòng)控制,讓電機(jī)以最大的扭矩運(yùn)行,提高汽車的快速響應(yīng)性,再根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué),獲得汽車的具體運(yùn)行位置和速度。第二部分主要是圖像識(shí)別部分,用于檢測車輛周圍的信息,實(shí)現(xiàn)車輛的道路識(shí)別和避障功能,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛功能。

1.汽車行駛運(yùn)動(dòng)控制

該項(xiàng)目通過使用樹莓派4代在ROS系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng),讓學(xué)生獲得實(shí)際操作系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該項(xiàng)目要求從車體設(shè)計(jì),電機(jī)選型,驅(qū)動(dòng)選擇,傳感器選型,和電源選型考慮,在ROS系統(tǒng)上進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。

學(xué)生需要線上交流,最終提交方案,在教師指導(dǎo)下完善初始化控制算法并編寫代碼,實(shí)現(xiàn)完整的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中車輛任務(wù)與控制任務(wù)的程序。該系統(tǒng)4部分模塊,包括信號(hào)輸入、控制器設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感器檢測。

除此之外,還需學(xué)生通過線上平臺(tái)資源學(xué)習(xí)充分理解汽車行駛的狀態(tài),根據(jù)汽車動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué),以及電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)控制的理論知識(shí),考慮汽車的行駛工況,通過計(jì)算,最終獲取汽車的車速,加速度和汽車所處的位置信息。線下調(diào)試實(shí)驗(yàn)中,通過樹莓派上配有的3個(gè)按鍵和2個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)車速,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的部分運(yùn)動(dòng)控制功能,并配不同的LED顏色顯示不同的運(yùn)行狀態(tài)。以“課內(nèi)+課外”混合式教學(xué)方式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,提升自主性學(xué)習(xí)能力。

2.電動(dòng)汽車圖像自動(dòng)識(shí)別控制

為培養(yǎng)工程實(shí)踐型人才,滿足電子類專業(yè)人才市場需求,課程設(shè)計(jì)要求在ESP32開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)一種圖像識(shí)別算法,即圖像識(shí)別部分,用于檢測車輛周圍的信息,實(shí)現(xiàn)車輛的道路識(shí)別和避障功能,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛功能。通過ESP32藍(lán)牙和WiFi功能將數(shù)據(jù)傳到云端,用戶端再通過網(wǎng)絡(luò)訪問云端將數(shù)據(jù)下載到手機(jī)里,實(shí)現(xiàn)顏色的跟蹤和調(diào)節(jié)。

為增加課程設(shè)計(jì)內(nèi)容層次性和靈活性,滿足優(yōu)才更優(yōu)學(xué)生培養(yǎng),教學(xué)形式為教師交流指導(dǎo)、學(xué)生小組討論、自主查閱學(xué)習(xí),主要以學(xué)生為主體,采用引導(dǎo)性教學(xué)。首先,通過智能教學(xué)平臺(tái)推送學(xué)習(xí)前期內(nèi)容,學(xué)生了解掌握WiFi的網(wǎng)絡(luò)使用,熟悉計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,可不定期將數(shù)據(jù)上傳至云端,方便用戶下載監(jiān)控。在此過程中,學(xué)生逐漸建立興趣和信心。在圖像識(shí)別方面需要熟悉圖像處理的設(shè)計(jì)流程,需要提取彩色不變量,灰度處理,提取特征點(diǎn),算法剔除誤差識(shí)別,延遲計(jì)算,識(shí)別確定。相比汽車行駛運(yùn)動(dòng)控制,學(xué)生需要了解學(xué)科交叉的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和圖像處理知識(shí),并提高系統(tǒng)圖像處理的實(shí)時(shí)性。對于工程化課題考核,學(xué)生可從實(shí)驗(yàn)基本要求獲取基礎(chǔ)積分,對于電機(jī)實(shí)現(xiàn)顏色追蹤等高階指標(biāo),學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇性獲取額外積分,提高過程性考核整體效果。通過高階指標(biāo)設(shè)計(jì)過程,培養(yǎng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力,強(qiáng)化了教學(xué)中學(xué)生創(chuàng)新能力和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

(二) 實(shí)踐效果及分析

結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐及智能教學(xué)平臺(tái)成績統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如圖2所示。以“自動(dòng)化專業(yè)”積分?jǐn)?shù)據(jù)為例,設(shè)計(jì)總分30分積分,達(dá)到21分以上同學(xué)占比96%,勇于突破自我認(rèn)知,通過自主學(xué)習(xí),小組討論,教師指導(dǎo)等環(huán)節(jié),獲得29分積分的同學(xué)高達(dá)55%,說明多數(shù)學(xué)生對課題方向具有較好的興趣,教師細(xì)化課程設(shè)計(jì)指標(biāo),分解難度等級(jí)后,多數(shù)學(xué)生不僅從設(shè)計(jì)內(nèi)容基本項(xiàng)中獲得相應(yīng)積分,獲得自信心,對于附加項(xiàng)設(shè)計(jì)學(xué)生也體現(xiàn)出學(xué)習(xí)意愿和拼搏的鉆研精神,更有助于后續(xù)優(yōu)才培養(yǎng),提高應(yīng)用型培養(yǎng)教學(xué)質(zhì)量。

圖2 智能教學(xué)平臺(tái)“自動(dòng)化”專業(yè)課程積分圖

四、結(jié)束語

本文從課程設(shè)計(jì)的知識(shí)體系,課程中模式單一、課題落后和技術(shù)陳舊,師資隊(duì)伍能力匱乏和學(xué)科間互動(dòng)少,綜合技能弱,學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)薄弱方面存在的問題出發(fā),對新工科視域下創(chuàng)新應(yīng)用型“硬件課程設(shè)計(jì)”的培養(yǎng)進(jìn)行研究探討。加強(qiáng)硬件課程設(shè)計(jì)中理論與實(shí)踐結(jié)合的連續(xù)性和靈活性,加大團(tuán)隊(duì)建設(shè),優(yōu)化課題體系,更新課程實(shí)踐內(nèi)容,和構(gòu)建教學(xué)交流平臺(tái),重視互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)智能技術(shù)的發(fā)展,培養(yǎng)出實(shí)踐能力強(qiáng),創(chuàng)新能力強(qiáng)的復(fù)合人才。培養(yǎng)新工科下的創(chuàng)新人才,適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢,提升本科院校對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量。