从美国宾夕法尼亚大学专业认知教育谈本科生创新能力培养

马 利, 张玉奇，李 鹏，牛 斌

(辽宁大学 信息学院，辽宁 沈阳 110036)

认知是人类个体认识客观世界的过程，通过认知过程人们获得知识或应用知识，实现对信息进行加工。在本科教学阶段，专业认知教育可以根据专业特点，使学生对本专业进行系统了解，并具有接受、整合的能力。本科教育阶段，专业认知的目的[1]是让处于专业知识零认识阶段的学生，能够了解所学专业的培养目标、学习内容、学习要求，初探专业发展历程和前沿，掌握基本的学习工具，培养学生对本专业的热爱，为未来的专业学习打下良好的基础。电子信息类专业需要学生掌握专业知识，能够运用必要的工具进行系统设计、开发，具有较强的实践能力和创新能力，所以在认知教育过程中不仅要了解本专业的相关知识，更应该初步培养学生的实践技能、创新能力和专业热情[2-3]。

美国的大学教育强调培养学生的学习能力、实践能力和创新能力[4]，在专业认知教育方面尤其凸显这一特点，在认知教育的选题、教学手段、实验方式、考核方法过程中都充分保证学生各方面能力的培养[5]。本文以美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania，简称宾大)电子系统工程系的专业认知教育课程——电子系统工程介绍(Introduction to electrical and systems engineering)为例，探讨美国大学电子信息类专业认知教育，学习有益经验。

1 “电子系统工程介绍”课程简介

“电子系统工程介绍”是宾夕法尼亚大学电子系统工程系为电子工程(electrical engineering)专业学生开设的专业认知课程[6]。该课程主要介绍电子系统工程中所涵盖的电路设计、信号处理、网络分析的基本概念及相应的复杂系统设计，并开设相关专题的实验课程。课程主题包括电路的数学建模、半导体物理与加工技术、模拟信号和数字信号处理、网络的分层组织、复杂系统的分析和抽象。

课程分为三大板块：专题讲座、认知实验和项目设计。其具体内容如下。

1.1 专题讲座

在专题讲座板块共包含5个专题讲座，讲座题目和内容为：

(1) 超大规模集成电路和微电子——信息革命的基础。讲座通过对超大规模集成电路和微电子发展历程及应用的介绍，概述简单模拟电路、数字电路的基本概念、原理，并介绍该专业的专业特点、培养目标及后续专业课程设置情况。

(2) 纳米加工技术。讲座围绕电子元器件的制作，对纳米加工技术进行了介绍，并引入后续课程相关内容，使学生了解该项技术的应用情况。

(3) 信号处理。主要介绍了信号、信号处理的基本概念及信号处理的典型应用，尤其是通过信号处理在图像、语音技术中的应用，使学生了解专业知识的应用。

(4) 神奇的机器人。主要围绕机器人技术的发展，实现机器人的硬件和软件相关概念，以及机器人应用的相关领域，对机器人技术进行了介绍，并引入了“基础电路分析”、“信号和滤波”、“机械设计”、“嵌入式系统”、“数据结构和算法”等后续相关课程。

(5) 如何实现器件到产品转变。从市场的规律出发，介绍如何满足客户需求开发相应电子产品，并取得相应收益，通过这一讲座使学生充分认识电子产品开发的过程。

1.2 认知实验

认知实验主要通过6个实验由浅入深地使学生了解模拟电子技术、数字电子技术的基本概念及建模，掌握学习工具Matlab的使用，了解Arduino处理器的编程和XBees无线网络的相关知识，实现基于Arduino处理器的小系统、复杂系统的设计、开发。具体实验内容见表1。

表1 “电气及系统工程介绍”课程实验安排

1.3 项目设计

学生在课程学习过程中需要完成实践项目、期中项目和期末项目3个项目设计题目。

实践项目要求学生应用MAX756设计一个电池供电的便携式USB充电器，要求学生完成参数计算、焊接、装配[7]。

期中项目一般为撰写科技报告，例如2013年秋季学期期中项目设计为：作为苹果公司和三星公司的项目顾问，根据所学知识和提供的问题，撰写三星Galaxy手机和苹果iPad在硬件和软件的相同点和差异。

期末项目是根据之前课程中所学到的电路、Arduino处理器、无线网络的知识，由学生独立设计完成一个基于ZigBee无线网络的计步器，该计步器能够与其他同样处于无线网络中的计步器共享数据。学生也可以根据自己的想法增加相应的模块，使项目更具有特色。

2 宾夕法尼亚大学专业认知教育在学生创新能力培养方面的特点及启示

近年来国内高校在人才培养过程中重视实践教学环节，越来越多的高校开展专业认知教育、认知实习等课程，以提高学生专业认识及实践能力、创新能力[8]。从宾夕法尼亚大学专业认知教育课程的课程内容、教学方法等方面来看，其目的是使学生在了解专业特点的同时，激发学生对本专业的兴趣，并从浅显的概念出发，结合实践，培养学生的实践能力和创新能力。通过对其课程开展情况的分析，结合我国国情，本文认为以下几点启示对于电子信息类人才的创新能力培养来说具有重要意义。

2.1 课程选题新颖，贴近实际

从宾夕法尼亚大学专业认知教育课程中内容选题可以看出，无论是讲座题目、实验题目，还是项目设计题目，都是与当前技术发展密切相关，是通过跟踪技术发展形势确定的，这是符合电子信息类学生培养要求的[9]。所以，在培养学生创新能力的时候必须注重追踪科学技术的发展，把最新的实验方法、测试技术和仪器设备引进实验教学之中，把最新的科学研究成果和科学研究方式方法及时地带到实验教学中，引导学生去探索新的知识，体会科技的进步和竞争，培养其创新精神。而且，在题目设计过程中，要充分考虑到学生的认知过程，题目贴近实际，易于学生实践。

2.2 内容由浅入深，分层次进行

宾夕法尼亚大学专业认知教育课程中首先从浅显的欧姆定律开始，介绍学习的基本方法、基本工具，再引入容易实现的Arduino处理器的编程、系统设计，最后实现基于无线网络的系统设计。其教学内容由浅入深，环环相扣，从基础实验的认知阶段→理论向实际应用的转换阶段→学生综合设计性实验阶段→自主选题开发阶段，层次逐层升高。随着层次越高，设计研究和学生独立性的成分越多。这种分层次、渐进式的教学内容设置，有效地实现了学生从基础常识到专业知识过渡，并初步引入工程性、应用性基础教育。

2.3 实验教学与开放式实验相结合

在实验教学过程中，宾夕法尼亚大学专业认知教育课程分为实验课和项目设计2个模块。实验课是采用固定实验时间、固定实验内容的授课方式，学生在实验过程中了解实验室规章制度，熟悉使用实验室设备，掌握基本实验工具和手段，达到实验内容教学的目标，为后续项目设计打下良好的基础。在项目设计过程中，采取开放式实验方式[10]，学生可以根据自身情况在开放实验室进行项目的设计和实现。这种结合方式不仅达到了学生在专业认知阶段必要的知识积累，还可以使学生充分利用实验室资源，创造独立学习的机会。通过开放实验室，将课内与课外相结合，从而做到“优化课内，强化课外”的实验效果。

2.4 采用任务驱动式教学，注重学生自学能力培养

课程项目设计主要采用任务驱动式教学方法[11-12]，通过建立任务，诱发、加强学生学习和完成任务的动机，激励学生的主观能动性。学生通过对给出的项目要求进行文献检索、资料整理，学会撰写科技报告。为满足实践项目设计要求，学生需要自学相关硬件、软件设计知识，动手完成系统的搭建、调试，并能够抓住自身系统设计特点进行产品介绍讲解。在学生项目设计过程中，教师给予相应的指导和总结，使学生对于专业的认知更加清晰和深刻，进一步提高学生对专业知识学习的兴趣，形成比较稳定的学习动机。

2.5 良好的网络教学平台促进教学开展

宾夕法尼亚大学为每一门课程开设相应的网络教学平台，在平台上教师可以对课程及学生进行有效管理，学生可以查阅课程的相关授课信息、下载教学软件和参考材料、课程教学内容，实现作业上传，并可以实现教师和学生的交流。网络教学平台的使用，不仅在资源上丰富了课堂教学的内容，而且推动了研究性教学的开展[13]，促进教师对于课程进行细化教学，加强了师生互动，使学生的自主性得到了充分发挥，探究的时间更充分，空间更广阔，利于学生的个性化教育。

2.6 注重综合能力的考核方式

在课程的考核方面，不仅仅注重项目作品的实现情况，还需要学生制作作品展示海报，进行作品口头介绍。海报要求在设计、内容上具有独特性，在展示过程中主题突出、语言流畅、体态适宜，同时如果作品具有原创点还会给予相应的加分。可以看出课程的考核方式不仅仅局限于专业特色和创新能力培养，还激励学生培养获取、筛选、加工信息的能力和语言表达能力。

3 结束语

通过对宾夕法尼亚大学专业认知课程“电子系统工程介绍”的研究，可以看出，良好的专业认知教育可以给学生的认知能力、专业技能、实践能力和创新能力的培养打下良好的基础，尤其是创新能力的培养，不仅仅局限在高年级学生的专业课教学中，而是应该在学生刚刚接触本专业知识之初，就给予适当的引导及培养，这样才能激发学生的专业热情，提高专业学习兴趣，推动专业学习的发展。同时，在专业认知教育开展过程中，在课程内容、教学手段、考核手段等多方面注重学生个性的发展，培养学生的创新意识和实践能力，这为国内高校电子信息类学生的创新能力培养提供了良好的借鉴。

[1] 杜玮，连钠，崔素萍，等.材料类专业大学生渐进式专业认知教育体系建设初探[J].高等理科教育，2013 (3)：74-78.

[2] 贺无名.电子信息工程专业认知教育探讨[J].中国科技信息，2011 (22)：153-153.

[3] 韦思健，李鸿儒，王天曦，等.因材施教，服务创新的电子实习教学改革[J].实验技术与管理，2009，26(5)：129-131.

[4] 陈一民，马鸿雁，张明珠.美国明尼苏达大学电气工程本科教育研究[J].实验技术与管理，2012，29(12)：183-186.

[5] 白鹏飞.美国斯坦福大学电子工程专业本科培养方案研究[J].中国现代教育装备，2013 (11)：45-47.

[6] Dan Lee, Sid Deliwala. 美国宾夕法尼亚大学“电子系统工程介绍”课程主页[EB/OL].http://www.seas.upenn.edu/～ese111/.

[7] Ladyada. 美国宾夕法尼亚大学“电子系统工程介绍”课程实践项目主页[EB/OL].http://learn. adafruit.com/minty-boost.

[8] 孙翔洲，陈铁军，黄营满.现代教育视阈下高校专业认知教育探析[J].教育与职业，2013(8)：167-168.

[9] 龚文芳，王宏.电子信息类创新基地建设的探索与创新[J].实验技术与管理,2011，28(7)：180-182.

[10] 陈岩，高先池，杨桂朋.大学生开放实验教学的探讨[J].实验科学与技术，2012，10(3)：138-140.

[11] 晏湧，蓝波.“任务驱动”教学法在电工电子技术课程中的应用[J].实验技术与管理，2012，29(9)：163-166.

[12] 王晓红，李琳.以工程素质培养为目标的实践教学平台的建设[J].实验室科学，2013，15(6)：151-153.

[13] 赵春青，姜咏芳，刘玉升，等.加强实践教学资源建设，提高学生综合实践能力[J].实验技术与管理，2012，28(11)：161-163.