張家亮 郭志強(qiáng) 王永圣

(武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,武漢 430070)

新工科是為培養(yǎng)應(yīng)對(duì)新一輪科技革命的工程人才所做出的大規(guī)模高等教育教學(xué)變革[1],人才培養(yǎng)模式的改革,涉及內(nèi)容和形式問(wèn)題。教學(xué)方法的改革,歸根到底要落實(shí)到教學(xué)資源和教材的建設(shè)上來(lái)[2]。教材是傳遞專業(yè)課程核心理念的媒介以及體現(xiàn)專業(yè)課程教學(xué)內(nèi)容和方法的主要載體。新工科教育對(duì)于學(xué)習(xí)資源的匹配,促使紙質(zhì)教材和數(shù)字課程從彼此割裂走向全面融合,線下線上相結(jié)合的教學(xué)資源服務(wù)體系、豐富多樣的出版手段將成為教育出版的新形態(tài)[2]。學(xué)科競(jìng)賽作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系的重要組成部分,其目的是培養(yǎng)大學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力[3],學(xué)科競(jìng)賽的人才培養(yǎng)模式也必須緊跟時(shí)代發(fā)展,高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和教育信息化建設(shè)的推進(jìn),對(duì)專業(yè)教材建設(shè)提出了更高的要求。因此,推動(dòng)學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,建設(shè)高水平新形態(tài)教材,探索新的人才培養(yǎng)模式和途徑已勢(shì)在必行。如何通過(guò)教材提升參賽學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)成果,為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供助力值得深入研究。

1 電子信息類學(xué)科競(jìng)賽教材現(xiàn)狀

近年來(lái),以學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力以及競(jìng)賽技能培養(yǎng)為核心的培訓(xùn)指導(dǎo)資料和教材一直是各高校的研究重點(diǎn)之一,例如文獻(xiàn)[4]提出了互聯(lián)網(wǎng)+教材+競(jìng)賽的教學(xué)模式,通過(guò)教材建設(shè)與互聯(lián)網(wǎng)資源相融合的方式進(jìn)行課程體系建設(shè)[4];但更多的研究集中在面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室管理、開(kāi)放模式、平臺(tái)建設(shè)、科研與可承接性、課程內(nèi)容改革、創(chuàng)新課程體系建設(shè)等方面,例如文獻(xiàn)[5]提出建設(shè)信息類學(xué)科競(jìng)賽綜合訓(xùn)練平臺(tái)[5],文獻(xiàn)[6]則對(duì)信息類學(xué)科競(jìng)賽的管理模式提出了改革建議[6]。由此可見(jiàn),面向電子信息類學(xué)科競(jìng)賽的數(shù)字化、立體化新形態(tài)教材建設(shè)的研究尚處于起步階段。經(jīng)調(diào)研,當(dāng)前在信息類學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)中常用的教材主要包含以下三種類型:①優(yōu)秀競(jìng)賽論文集和競(jìng)賽案例分析;②競(jìng)賽技能培訓(xùn)相關(guān)的基礎(chǔ)教材;③競(jìng)賽概述和備賽指南。這類教材的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)容客觀、適配性較強(qiáng),但是也存在知識(shí)點(diǎn)籠統(tǒng)、不能按等級(jí)選材教學(xué)的缺點(diǎn)。以此類教材為核心的課堂教學(xué)可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生成為被動(dòng)接受知識(shí)的容器,顯然已不能滿足知識(shí)快速更新迭代、體系交叉融合的新工科時(shí)代對(duì)學(xué)科競(jìng)賽教材的要求。

現(xiàn)代教材的功能正由“為教服務(wù)”向“為學(xué)服務(wù)”轉(zhuǎn)化。許多新編的教材不僅將教材當(dāng)作學(xué)習(xí)資源,更強(qiáng)調(diào)結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)過(guò)程,使課本同時(shí)成為學(xué)習(xí)的指南[2],數(shù)字化、多形態(tài)化是未來(lái)高校教材發(fā)展的方向。電子信息類學(xué)科競(jìng)賽旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力,競(jìng)賽類型豐富、參賽學(xué)生的專業(yè)和年級(jí)多樣化也增大了教學(xué)難度,因此,對(duì)面向電子信息類學(xué)科競(jìng)賽的新形態(tài)教材的研究具有重要的意義。

2 新形態(tài)教材設(shè)計(jì)

根據(jù)分析,電子信息類學(xué)科競(jìng)賽對(duì)學(xué)生培養(yǎng)需注重三點(diǎn):①實(shí)踐能力:不僅需要掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ),更需要具備較好的動(dòng)手操作能力和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn);②綜合應(yīng)用能力:具備應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和實(shí)踐技能,分析并解決實(shí)際問(wèn)題的能力;③創(chuàng)新能力:具備自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案的能力。本文以此三點(diǎn)需求為基礎(chǔ),針對(duì)當(dāng)前競(jìng)賽教材的短板,基于新工科建設(shè)下教育教學(xué)全面變革的形勢(shì)要求,合理設(shè)計(jì)項(xiàng)目、任務(wù)、案例等多樣化內(nèi)容[7],提供包括文字、短視頻、長(zhǎng)視頻等多種形式,融入實(shí)踐案例、訓(xùn)練套件、指導(dǎo)書(shū)、應(yīng)用代碼庫(kù)等多類工具,按照內(nèi)在邏輯編排理論知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)資源,構(gòu)建“理論基礎(chǔ)知識(shí)強(qiáng)化、綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)、創(chuàng)新實(shí)踐能力提升”的新形態(tài)教材體系,為學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供教材支持。新形態(tài)電子信息類學(xué)科競(jìng)賽教材體系如圖1所示。

圖1 新形態(tài)電子信息類學(xué)科競(jìng)賽教材體系

2.1 基礎(chǔ)理論強(qiáng)化

理論是實(shí)踐的基礎(chǔ),熟練掌握基礎(chǔ)才能在實(shí)踐過(guò)程中游刃有余,得心應(yīng)手。電子信息類學(xué)科競(jìng)賽的學(xué)生來(lái)自相關(guān)學(xué)科不同專業(yè)和年級(jí),具備一定的專業(yè)課理論基礎(chǔ),但水平參差不齊,因此,完善并強(qiáng)化理論基礎(chǔ)是學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)的首要任務(wù)。強(qiáng)化理論基礎(chǔ)一方面通過(guò)紙質(zhì)教材+短視頻等手段解析創(chuàng)新實(shí)踐中涉及的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),另一方面通過(guò)題庫(kù)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等手段,使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐進(jìn)一步加深對(duì)基礎(chǔ)理論的理解。

1)知識(shí)點(diǎn)短視頻

圍繞競(jìng)賽中所涉及的基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),制作成3～5 min的Flash動(dòng)畫(huà)或短視頻,并按學(xué)科內(nèi)容、理論深度等維度建立視頻集。視頻內(nèi)容以競(jìng)賽實(shí)踐應(yīng)用所需的知識(shí)點(diǎn)為主,將不易通過(guò)文字、圖表等傳統(tǒng)方式表達(dá)的內(nèi)容,通過(guò)通俗易懂、生動(dòng)有趣的形式進(jìn)行講述。這一類視頻始終站在初學(xué)者視角進(jìn)行理論講述,控制講解深度、視頻時(shí)長(zhǎng),使學(xué)生可以充分利用碎片化時(shí)間學(xué)習(xí),提升自主學(xué)習(xí)的興趣和效率。短視頻教材的加入,不僅意味著教材的數(shù)字化,同時(shí)也為線上教學(xué)提供了便利。

2)基礎(chǔ)理論在線題庫(kù)

通過(guò)對(duì)競(jìng)賽知識(shí)體系的梳理,設(shè)計(jì)一套以基礎(chǔ)為主,包含理論知識(shí)、程序設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)技巧等類別的在線題庫(kù)供學(xué)生訓(xùn)練用。其中理論知識(shí)包括電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中涉及的器件指標(biāo)、電路結(jié)構(gòu)原理、參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容。例如運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓將會(huì)對(duì)運(yùn)放的工作產(chǎn)生什么影響,在設(shè)計(jì)時(shí)如何計(jì)算失調(diào)電壓對(duì)電路造成的誤差,如何合理選擇滿足使用條件的運(yùn)算放大器等;程序設(shè)計(jì)包括常見(jiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用、算法實(shí)現(xiàn)、小型任務(wù)函數(shù)編寫(xiě)等內(nèi)容,例如常見(jiàn)的數(shù)值濾波算法、數(shù)據(jù)插入算法、器件驅(qū)動(dòng)函數(shù)等;程序設(shè)計(jì)包括常見(jiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用、算法實(shí)現(xiàn)、小型任務(wù)函數(shù)編寫(xiě)等內(nèi)容;經(jīng)驗(yàn)技巧類訓(xùn)練題包括器件選擇邏輯、器件和電路容差、電路設(shè)計(jì)和布局布線原則等知識(shí)點(diǎn)。題庫(kù)會(huì)根據(jù)競(jìng)賽動(dòng)態(tài)及學(xué)生訓(xùn)練情況反饋等信息不斷更新和優(yōu)化。

3)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路板

基于信息類學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)的實(shí)踐性背景,實(shí)踐性學(xué)習(xí)材料的匹配也是需要考慮的重點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)一批基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)電路板,支持學(xué)生通過(guò)對(duì)電路板參數(shù)調(diào)整和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,對(duì)一些不直觀、難理解的知識(shí)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)和編寫(xiě)一套實(shí)驗(yàn)教程,將實(shí)驗(yàn)方案、測(cè)試流程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)論等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述。實(shí)驗(yàn)板要求具有一定的開(kāi)放性,允許學(xué)生進(jìn)行部分參數(shù)的設(shè)計(jì),通過(guò)參數(shù)修改和調(diào)整,可以產(chǎn)生不同結(jié)果對(duì)比,用直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加深對(duì)理論知識(shí)的理解。同時(shí),驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是學(xué)生從理論學(xué)習(xí)到創(chuàng)新實(shí)踐的一個(gè)過(guò)渡,通過(guò)大量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),一方面提高了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握程度,另一方面也給與學(xué)生豐富的實(shí)踐鍛煉,為下一步進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

短視頻、在線題庫(kù)以及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)套件三種形式的教材相結(jié)合,可以很好地滿足學(xué)生強(qiáng)化和鞏固基礎(chǔ)知識(shí)的需求。

2.2 綜合應(yīng)用能力培養(yǎng)

培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力是提升學(xué)生專業(yè)素質(zhì)的重點(diǎn)之一,也是學(xué)科競(jìng)賽的主要目標(biāo)。教師在學(xué)科競(jìng)賽的教學(xué)中,以探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展教學(xué),對(duì)經(jīng)典系統(tǒng)模塊進(jìn)行原理分析講解和實(shí)踐應(yīng)用指導(dǎo)。學(xué)生可以通過(guò)分析和測(cè)試實(shí)驗(yàn)套件的性能指標(biāo),使用實(shí)驗(yàn)套件設(shè)計(jì)和搭建電路系統(tǒng),完成指定的訓(xùn)練項(xiàng)目,提高實(shí)踐能力和綜合應(yīng)用能力。

1) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目解析

設(shè)計(jì)一系列探索性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,通過(guò)時(shí)長(zhǎng)15 min左右的視頻對(duì)經(jīng)典模塊或子系統(tǒng)的功能點(diǎn)、電路、實(shí)驗(yàn)原理等進(jìn)行解說(shuō),視頻內(nèi)容以分享設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及工程經(jīng)驗(yàn)為主,用生動(dòng)有趣的視頻解說(shuō)讓學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)典模塊的方案設(shè)計(jì)思路和經(jīng)驗(yàn),具備初步的設(shè)計(jì)思維和實(shí)踐能力。15 min視頻的特點(diǎn)是內(nèi)容簡(jiǎn)短易懂、生動(dòng)有趣,可以極大程度地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也不會(huì)因?yàn)閮?nèi)容冗長(zhǎng)而加深學(xué)習(xí)難度。

2) 探索性試驗(yàn)套件

通過(guò)將一系列實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)行合理分解,提煉出一批基礎(chǔ)性電路模塊,以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)以訓(xùn)練板、例程、電路圖、指導(dǎo)文檔等為形式,以賽題部分方案中的經(jīng)典模塊為核心內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)套件。學(xué)生可以基于此套件進(jìn)行模塊的功能驗(yàn)證試驗(yàn),并通過(guò)視頻解說(shuō)和擴(kuò)展板等形式,引導(dǎo)并鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行多模塊綜合應(yīng)用。探索性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力最有效的方式之一,而實(shí)驗(yàn)套件是不可或缺的輔助工具。

本階段的教材主要以指導(dǎo)性為主,視頻解析與實(shí)驗(yàn)套件配合使用,可以讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)具備初步的綜合應(yīng)用能力。

2.3 創(chuàng)新實(shí)踐能力提升

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和教材普遍存在重理論、輕實(shí)踐的問(wèn)題,而創(chuàng)新能力是在不斷地解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中鍛煉、培養(yǎng)出來(lái)的[8],所以在學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)過(guò)程中,要重視實(shí)踐教學(xué),通過(guò)擴(kuò)展訓(xùn)練套件和輔助資源為學(xué)生創(chuàng)造實(shí)踐綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的條件,從而激發(fā)學(xué)生的興趣和探索欲,達(dá)到提升創(chuàng)新實(shí)踐能力的目的。

1) 拓展實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

拓展實(shí)訓(xùn)平臺(tái)由設(shè)計(jì)案例分析、設(shè)計(jì)報(bào)告、單元電路模塊、驅(qū)動(dòng)程序和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目集這幾部分組成。通過(guò)長(zhǎng)視頻+設(shè)計(jì)報(bào)告的形式進(jìn)行經(jīng)典案例解析,并在講解過(guò)程中通過(guò)提問(wèn)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行思考,引導(dǎo)學(xué)生參與到方案的設(shè)計(jì)中。提供豐富的單元電路模塊和驅(qū)動(dòng)程序有三個(gè)目的:①為學(xué)生提供學(xué)習(xí)和實(shí)踐資源,學(xué)生在進(jìn)行子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),具備完善的輔助資源,可以專注于功能實(shí)現(xiàn)和參數(shù)指標(biāo)優(yōu)化,例如在進(jìn)行ADC采集單元硬件設(shè)計(jì)時(shí),學(xué)生可使用驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)對(duì)單元電路進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集,只需專心設(shè)計(jì)電路單元,優(yōu)化ADC的采集指標(biāo)即可;②作為學(xué)生拓展訓(xùn)練的學(xué)習(xí)模板,通過(guò)分析經(jīng)典單元電路模塊和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)原理,測(cè)試其性能指標(biāo)引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)接近,或者更好的子系統(tǒng)模塊,促進(jìn)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理和實(shí)踐方案的深刻理解;③學(xué)生在進(jìn)行綜合實(shí)訓(xùn)過(guò)程中,通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中核心的模塊,再配合使用部分已有的電路模塊完成完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì),集中精力解決項(xiàng)目中的關(guān)鍵問(wèn)題,提高學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的效率。通過(guò)收集整理歷年經(jīng)典競(jìng)賽項(xiàng)目,以及當(dāng)前技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)問(wèn)題,提煉出設(shè)計(jì)實(shí)踐課題,形成實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目集,學(xué)生可以根據(jù)課題類型選擇合適的項(xiàng)目進(jìn)行綜合訓(xùn)練,培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試的能力。

2) 設(shè)計(jì)資源庫(kù)

將競(jìng)賽培訓(xùn)中積累大量的設(shè)計(jì)資源,通過(guò)收集和整理歸類,構(gòu)建設(shè)計(jì)參考資源庫(kù),包含常用的器件庫(kù)、設(shè)計(jì)說(shuō)明文檔、電路設(shè)計(jì)文件、實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序等。引導(dǎo)學(xué)生充分利用設(shè)計(jì)資源庫(kù)進(jìn)行拓展訓(xùn)練或綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),可有效減少重復(fù)設(shè)計(jì)工作,提高訓(xùn)練效率。設(shè)計(jì)資源庫(kù)的建設(shè)還支持和鼓勵(lì)參訓(xùn)學(xué)生將自己設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)資源加入進(jìn)去,一方面豐富設(shè)計(jì)資源庫(kù)的內(nèi)容,另一方面鍛煉學(xué)生的成就感和集體榮譽(yù)感,提升學(xué)生自主設(shè)計(jì)的能力和規(guī)范性,促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

3 新形態(tài)教材建設(shè)展望

在新工科建設(shè)的形勢(shì)下,電子信息類學(xué)科競(jìng)賽作為實(shí)踐類人才培養(yǎng)的重要學(xué)科之一,其教材的改革已勢(shì)在必行。本文研究的教材旨在改變當(dāng)前面向電子信息類學(xué)科競(jìng)賽的數(shù)字化、立體化新形態(tài)教材短缺的現(xiàn)狀,同時(shí)也期望促進(jìn)學(xué)科競(jìng)賽培訓(xùn)資料的系統(tǒng)化和規(guī)范化。本教材建設(shè)完成并投入使用后,預(yù)期可取得如下成效:①提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和效果:短視頻、Flash動(dòng)畫(huà)等教程支持學(xué)生利用碎片化時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí),豐富的線上資源支持學(xué)生多次學(xué)習(xí)加深理解;②提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力:本教材以實(shí)踐教學(xué)為核心,圍繞實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)套件、案例分析、資源庫(kù)等都為創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)創(chuàng)造了條件;③提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力:在線題庫(kù)、資源庫(kù)、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目等教材內(nèi)容都是以引導(dǎo)為主,為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的資源、創(chuàng)造條件,旨在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用等能力;④未來(lái)可將線上資源整合成數(shù)字化教學(xué)平臺(tái),促進(jìn)信息類學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,培養(yǎng)出更符合新工科建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定的應(yīng)用型人才。

4 結(jié)語(yǔ)

在新工科建設(shè)的要求下,針對(duì)電子信息類學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)新形態(tài)教材缺乏的現(xiàn)狀,以推動(dòng)教育教學(xué)數(shù)字轉(zhuǎn)型,建設(shè)高水平新型教材為目標(biāo),結(jié)合現(xiàn)有的學(xué)科競(jìng)賽教學(xué)體系,建設(shè)包含文檔、短視頻、長(zhǎng)視頻、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)訓(xùn)套件、實(shí)踐案例、設(shè)計(jì)資源庫(kù)等形式和內(nèi)容的新形態(tài)教材,可為線上教學(xué)和學(xué)生自學(xué)提供豐富的學(xué)習(xí)資源和實(shí)踐指引,期望實(shí)現(xiàn)促進(jìn)學(xué)科競(jìng)賽教學(xué),提升高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)。