王軍芬，李明亮，宗佳泰

河北地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

工程教育專業(yè)認(rèn)證是國際通行的工程教育質(zhì)量保證制度，工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)更加重視培養(yǎng)學(xué)生綜合運用科學(xué)知識和技術(shù)手段解決復(fù)雜工程問題的能力[1]。采用國際化標(biāo)準(zhǔn)各高校積極在實驗實踐教學(xué)中開展了很多有益的改革實踐。鄭紅偉等提出了植入復(fù)雜工程問題的工程訓(xùn)練實踐課程體系建設(shè)構(gòu)想，構(gòu)建了基于成果導(dǎo)向理念的實踐課程體系[2]；張進等圍繞復(fù)雜工程問題的基本特征，對網(wǎng)絡(luò)專業(yè)綜合性實驗項目的教學(xué)內(nèi)容和實施過程進行精心設(shè)計[3]；李擎等基于工程認(rèn)證持續(xù)改進理念，搭建了自動化專業(yè)的“云景”互動實踐教學(xué)平臺[4]；王進峰等以解決復(fù)雜工程問題為核心設(shè)計了綜合性切削實驗[5]。大量改革實踐表明，綜合實踐環(huán)境是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的有效途徑[6]。本文以電子技術(shù)實踐為例，基于復(fù)雜工程問題，依據(jù)工程認(rèn)證理念，設(shè)計和實施綜合實踐的教學(xué)與考核評價體系，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，為工程教育背景下綜合實踐教學(xué)改革打下堅實的基礎(chǔ)。

1 設(shè)計思路

依據(jù)工程教育認(rèn)證的理念，即“以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，持續(xù)改進”，反觀電子技術(shù)實踐的教學(xué)，主要存在以下問題：(1)教學(xué)目標(biāo)籠統(tǒng)，不能有效支撐畢業(yè)要求指標(biāo)點；(2)學(xué)生缺乏創(chuàng)新意識，綜合應(yīng)用能力和工程實踐能力較弱；(3)考核評價體系不完善，不能充分調(diào)動考核評價對學(xué)生學(xué)習(xí)的激勵作用。

針對傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在的問題，依據(jù)工程教育認(rèn)證理念，對電子技術(shù)實踐教學(xué)改革的設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 綜合實踐設(shè)計思路Fig.1 Comprehensive practical design ideas

(1)以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向，設(shè)定教學(xué)目標(biāo)

結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐情況、目前綜合實踐教學(xué)中存在的問題、學(xué)情分析及實踐項目本身的邏輯關(guān)系，設(shè)定合理、明確的教學(xué)目標(biāo)。

(2)以解決復(fù)雜工程問題為核心，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

以解決復(fù)雜工程問題為核心，依據(jù)教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合專業(yè)發(fā)展動態(tài)，從綜合性、工程性、創(chuàng)新性出發(fā)，設(shè)計教學(xué)內(nèi)容。通過對科研或生產(chǎn)過程的真實模擬，以學(xué)生為中心，構(gòu)建教學(xué)情景和實施過程，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，提高綜合應(yīng)用能力和工程實踐能力。

(3)全過程監(jiān)控，評價教學(xué)目標(biāo)達成情況

針對不同的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計合理、有效的考核方式，從學(xué)生實踐態(tài)度、工程實踐能力、職業(yè)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等多個方面進行考核評價，構(gòu)建考核評價體系，充分調(diào)動考核評價對學(xué)生學(xué)習(xí)的激勵作用。分析考核數(shù)據(jù)，評價教學(xué)目標(biāo)達成情況，根據(jù)反映出的問題，提出改進措施，進行持續(xù)改進。

2 實施過程

2.1 教學(xué)目標(biāo)

產(chǎn)出導(dǎo)向教育是指教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實施的目標(biāo)是學(xué)生通過教育過程最后所取得的學(xué)習(xí)成果。電子技術(shù)實踐在電子信息類專業(yè)第4學(xué)期開設(shè)，為綜合性實踐課程，是基礎(chǔ)課與專業(yè)課的橋梁性課程，是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計開發(fā)能力、研究能力、形成邏輯思維方法等工程實踐能力重要階段。依據(jù)電子信息工程專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，電子技術(shù)實踐對畢業(yè)要求能力支撐情況如表1所示。結(jié)合專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、對畢業(yè)要求指標(biāo)點的支撐情況、目前綜合實踐教學(xué)中存在的問題、學(xué)情分析及實踐項目本身的邏輯關(guān)系，設(shè)定如下教學(xué)目標(biāo)：(1)以團隊的形式，完成實踐項目的構(gòu)思，提出可行性的設(shè)計方案，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計能力、團隊合作與創(chuàng)新精神；(2)運用電路相關(guān)理論，進行實踐項目的電路設(shè)計與實施，培養(yǎng)學(xué)生的工程研究與現(xiàn)代工具的使用能力；(3)總結(jié)歸納實踐項目，獨立撰寫課程設(shè)計報告，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力。

表1 電子技術(shù)實踐對畢業(yè)要求能力支撐度矩陣Table 1 Support matrix of electronic technology course design for graduation requirements

2.2 教學(xué)內(nèi)容

對于教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計首先要理解什么是“復(fù)雜工程問題”?！皬?fù)雜工程問題”是復(fù)雜的工程問題，而不是復(fù)雜工程的問題。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會在2022年7月15日最新發(fā)布的工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中，對“復(fù)雜工程問題”的定義如下：必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決的問題。同時具備表2所述特征的部分或全部[1]。

表2 “復(fù)雜工程問題”特征Table 2 Characteristics of "complex engineering problems"

必須運用深入的工程原理，經(jīng)過分析才能得到解決的問題是“復(fù)雜工程問題”的本質(zhì)；第a)到第f)條特征為“復(fù)雜工程問題”的表象[7-9]?；趯Α皬?fù)雜工程問題”的理解，綜合考慮設(shè)計實踐項目及內(nèi)容，以符合“復(fù)雜工程問題”的特征。該課程的實踐項目有籃球競賽倒計時器、智力競賽搶答器、數(shù)字頻率計等，學(xué)生可以根據(jù)興趣進行選擇。教學(xué)內(nèi)容為：(1)方案設(shè)計，即根據(jù)實踐項目的實際應(yīng)用場景，分析其功能需求，綜合考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進行方案設(shè)計，并考慮項目實施對社會、環(huán)境等因素的影響；(2)原理設(shè)計，即根據(jù)設(shè)計方案進行單元電路、整體電路原理設(shè)計、功能仿真測試、參數(shù)測定；(3)焊接調(diào)試，即根據(jù)電路原理、實驗板大小等進行元器件布局、電路的焊接與調(diào)試，記錄實施過程，收集相關(guān)數(shù)據(jù)；(4)撰寫報告，即對實踐項目進行分析總結(jié)，根據(jù)分析的結(jié)果提出優(yōu)化與改進措施，并按照設(shè)計報告要求撰寫設(shè)計報告。

學(xué)生完成綜合實踐的過程中，需要運用深入的工程原理，通過查閱資料、需求分析，并考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進行方案設(shè)計，并建立合適的原理模型；需要綜合運用數(shù)學(xué)、物理、電子技術(shù)和計算機技術(shù)，將“復(fù)雜工程問題”從抽象問題建模為具體的電路模型；實踐項目及內(nèi)容具有較高的綜合性，包含相互關(guān)聯(lián)的多個子問題，學(xué)生需要利用電路仿真軟件，快速搭建仿真實驗平臺，進行單元電路、整體電路的設(shè)計、功能測試與參數(shù)測定。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計具備“復(fù)雜工程問題”的本質(zhì)特征，又很符合“復(fù)雜工程問題”特征a)、b)、e)、f)，如表3所示。

表3 教學(xué)內(nèi)容“復(fù)雜工程問題”特征分析Table 3 Characteristics analysis of "complex engineering problems" in teaching contents

2.3 教學(xué)實施

圖2為電子技術(shù)實踐的實施方案。實施過程以學(xué)生為中心，按照電子產(chǎn)品開發(fā)的整個周期來創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，包括項目構(gòu)思、項目設(shè)計、項目實施和項目改進四個階段，以培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提高學(xué)生綜合應(yīng)用能力和工程實踐能力。學(xué)生根據(jù)自己的興趣和能力，自由選擇實踐項目，鼓勵學(xué)生組隊完成綜合實踐。下面以“籃球競賽倒計時器”為例，說明具體的實施過程。

圖2 電子技術(shù)實踐實施方案Fig.2 Implementation scheme of electronic technology practice

(1)項目構(gòu)思

學(xué)生選定項目后，根據(jù)項目要求進行需求分析，查閱文獻資料，按照模塊化思想進行方案的設(shè)計與選擇?；@球競賽倒計時器題目確定后，學(xué)生分別需要查找籃球競賽相關(guān)規(guī)則，理解倒計時器應(yīng)用場景，分析其功能需求，查閱組成倒計時器的基礎(chǔ)資料，包括秒脈沖生成電路、計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路等；然后組內(nèi)進行討論、綜合考慮質(zhì)量、效率、成本等因素，進行方案設(shè)計與選定，并同時考慮項目實施對社會、環(huán)境等因素的影響。最后學(xué)生制作方案設(shè)計PPT，進行匯報答辯，主要包括功能需求、方案設(shè)計、芯片選擇等，由教師團隊對方案進行論證。在此過程中學(xué)生自主學(xué)習(xí)，團隊協(xié)作展開討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用知識，理解分析復(fù)雜工程問題并提出解決方案的能力。

(2)項目設(shè)計

設(shè)計方案通過后，學(xué)生進行籃球競賽倒計時器原理電路的設(shè)計，利用Multisim進行秒脈沖生成電路、計數(shù)器、譯碼顯示電路、控制電路等單元電路仿真與參數(shù)測定，然后整合為倒計時器原理電路。最后學(xué)生進行原理講解與功能演示，由教師團隊對設(shè)計原理進行審核，確保設(shè)計正確合理。在此過程中學(xué)生自主設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生綜合創(chuàng)新意識。

(3)項目實施

學(xué)生分工合作，統(tǒng)計元器件，列出元器件清單，根據(jù)電路原理圖、實驗板尺寸，進行元器件布局、焊接，利用電子技術(shù)實踐平臺對電路進行調(diào)試與測量；記錄實施過程，尤其是實施過程中出現(xiàn)的問題及解決方法，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，錄制驗收視頻，進行電路講解、功能演示。在此過程中，學(xué)生自主實踐，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力和解決問題的能力。

(4)項目改進

分析實踐收據(jù)，根據(jù)分析的結(jié)果提出進行優(yōu)化與改進方向；對實踐項目進行匯報總結(jié)，按要求撰寫設(shè)計報告，并分析項目的實踐對環(huán)境保護和社會可持續(xù)發(fā)展造成的影響；制作PPT進行匯報答辯。在此過程中，學(xué)生獨立思考、歸納總結(jié)，正確表達自己的觀點和工作成果，培養(yǎng)學(xué)生溝通表達能力。

2.4 考核評價

對學(xué)習(xí)效果及時評價與反饋是教學(xué)中非常重要的一環(huán)，為教與學(xué)的持續(xù)改進提供重要依據(jù)。依據(jù)工程認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，制定科學(xué)合理的考核評價機制，并貫穿項目實施的全過程，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和項目實施階段的內(nèi)容，設(shè)計了評價載體和評價方式，如圖2所示。評價主體由教師、學(xué)生以及助教組成，注重學(xué)生的自我評價和互相評價。評價內(nèi)容主要包括對實踐項目的參與度、對實踐項目的貢獻度、實施過程中處理問題的態(tài)度，運用知識進行工程設(shè)計與解決問題的能力、工程研究與現(xiàn)代工具使用的能力，溝通交流、團隊協(xié)作、創(chuàng)新意識等多個方面評價。在評價過程中，注重學(xué)生工程實踐能力的評價，注重形成性評價，多維度評價，項目實踐的四個階段有各自的權(quán)重，且不同的評價方式和評價內(nèi)容也有各自的比例系數(shù)，可動態(tài)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，科學(xué)考核學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)論

從工程教育認(rèn)證理念出發(fā)，改革了傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，以產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，以解決復(fù)雜工程問題為核心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心實施教學(xué)過程，全過程監(jiān)控采集評價數(shù)據(jù)，很好的發(fā)揮了學(xué)生在綜合實踐中的主觀能動性，重點培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計、工程研究、團隊協(xié)作、溝通交流以及現(xiàn)代工具的使用能力。為了達到更好教與學(xué)的效果，更好的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)達成情況評價，綜合實踐項目還將在教學(xué)實踐中持續(xù)更新和改進。