以工程教育专业认证为导向的信息工程专业实践教学改革

张红燕

(湖南农业大学 信息科学技术学院, 湖南 长沙 410128)

工程教育在我国高等教育中有着至关重要的地位,为提高工程教育质量,我国从2006年开始工程教育专业认证工作,并参照《华盛顿协议》要求制定了工程教育专业认证标准,明确提出学生毕业时应具备运用专业知识和科学方法进行分析、研究和解决复杂工程问题的能力,同时提出各专业应设置完善的实践教学体系,并要求与企业合作开展实习、实训,培养学生的实践能力和创新能力[1],明确了高校实验实践教学环节的目的、意义和重要性[2]。

随着经济全球化的快速发展,以及信息技术在国防、通信、航空、生物、医疗等工程领域的广泛应用,高校对信息工程专业本科生的培养目标越来越清晰。以工程教育专业认证通用标准和电子信息与电气工程类专业补充标准为导向,结合我校信息工程专业建设的实际情况,从实践教学体系构建、实践教学内容规范、教学方法和教学手段多元化等方面进行了信息工程专业实践教学改革,通过强化对学生工程实践能力的培养来提升本专业的工程教育质量。

1 构建“模块化+个性化”的实践教学体系

根据通用标准中对毕业生实践创新能力的要求,以及专业补充标准中对专业知识领域、课程体系和实验条件的要求,结合我院办学特色,构建了如图1所示的信息工程专业“模块化+个性化”实践教学体系。一方面,通过统一安排的课程实验、课程设计、校内外实习实训等实践教学环节,利用实验教学平台、实习实训平台对学生进行统一的模块化实践教学；另一方面,学生通过自愿参加教师科研项目、创新实验室、大学生学科竞赛和创新实验项目,利用科研平台和创新实践平台实现对学生个性化工程实践能力的培养。

“模块化+个性化”实践教学体系包含了工程教育实践教学的不同层次,从基础层的实验教学,到综合层的实训、实习和毕业设计,再到科研创新层,体现了厚基础、重个性的教学要求[3]。

图1 信息工程专业“模块化+个性化”实践教学体系

2 教学计划内的模块化实践教学

“模块化+个性化”实践教学体系将教学计划内的

实践教学分为4个层次(模块)：实验教学、综合实训、校外实习和毕业设计,每个层次的实践教学均以信息工程专业所要求的计算机、电子、通信3方面的知识能力为核心。

2.1 实验教学

实验教学主要指课内的通识基础课、学科专业基础课、专业核心课和选修课的课内实验教学。鉴于学校对通识基础课实验有统一安排,我们只对3项专业实验课教学进行规范。专业课程以计算机、电子、通信3方面的知识能力模块为主线,旨在培养学生信息获取、信息传输、信息处理及信息应用能力,如图2所示。其中,计算机类课程实验主要培养学生的计算机操作能力和软件开发能力,电子类课程实验主要培养学生的电子电路分析能力和硬件开发能力,通信类课程实验则主要培养学生对通信信号的处理能力和通信网络利用能力。当然,这种归类只是相对的,遇到复杂的工程问题,往往需要融会贯通多学科能力，知识才可解决。

课内实验一般设有验证性实验、设计性实验和综合性实验。学生既可通过验证性实验巩固课堂理论知识的学习,又可通过设计性、综合性实验培养拓展创新思维和提高解决问题的能力。

图2 实验教学模块构成

2.2 综合实训

综合实训主要包括：(1)通信类的信号与系统综合大实验、通信原理课程设计,学生通过Matlab、System View等软件构建通信仿真系统,并分析在通信系统传输过程中的波形与频谱；(2)电子硬件类的微机原理课程设计,学生利用微机和接口芯片设计应用系统,完成系统中硬件电路的设计和程序编写；(3)计算机软件开发类的数据结构程序设计、软件综合实训,学生利用C语言/Java语言进行项目开发,完成软件开发过程中的问题分析、系统设计、程序编码、测试等。

综合实训从计算机软件系统开发、电子硬件系统设计到通信系统构建,全面培养学生的软硬件系统设计能力、文献查阅能力和创新思维。同时,依托校企合作资源,在实训中适时引入企业实战工程项目,进一步培养了学生分析解决复杂工程问题的能力。

2.3 校外实习

校外实习主要包括专业认知实习、社会调查、生产实习和毕业实习。专业认知实习是对校内认知实验的补充,主要通过参观电信机房和智能体验厅认知大型通信设备和通信应用系统,通过参观电子企业认知硬件系统设计与生产环节。社会调查是学生利用假期,对特定的社会现象进行实地考察,了解其发生的各种原因和相互关联,提出解决对策,并撰写调查报告[4]。生产实习让学生走进校外实习基地,通过制作来电显示电话机等简单通信装置、搭建小型通信系统、操作大型通信设备、测试优化网络信号等实践操作,提高学生将所学专业知识应用到生产实践中去的能力。毕业实习让学生走进企业,到信息类相关岗位实习,接触最新的科技与管理知识,了解信息工程专业相关工作流程和专业发展趋势。

通过校外实习,可拓宽学生视野,提高学生社会适应能力和组织协调能力等,使学生在实习中获得初步的职业体验[4]。目前,信息工程专业已在广州讯联通信工程公司湖南分公司、洛阳牡丹通讯有限公司、长沙电信等企业建立了多家校外实习基地。

2.4 毕业设计(论文)

毕业设计(论文)是指学生在教师指导下选择一个与生产实际或科学研究相关的课题,综合运用本专业有关课程的理论和技术,完成对实际问题解决方案的设计与研究。学生通过对课题的深入系统研究,可巩固、扩展、加深已有知识,提升文献查阅能力、文字表达能力和工程实践能力,为将来走上工作岗位、独立完成工作任务奠定基础。

3 教学计划外的个性化科研创新实践

工程教育强调对学生创新意识和创新能力的培养。专业教学计划内的模块化实践教学对培养和提高学生工程实践能力的作用毋庸置疑,但个性化的工程创新能力培养还有赖科研创新实践环节来补充,这主要通过教学计划外的创新实践平台和科研平台来实现。

3.1 创新实践平台

创新实践平台以创新实验室为依托,如图3所示。根据信息工程学科特点,从2006 年起先后建立了电子设计创新实验室、ACM 创新实验室、通信技术创新实验室。创新实验室定期面向在校本科生招新,并成立专门的创新教学团队定期为学生进行培训和指导,专注于对学生算法编程设计能力、电子创新设计能力和通信系统设计能力的培养。

图3 信息工程专业创新实践平台

本着“以竞赛促实践,以创新拓能力”的教学理念,创新实验室每年都组织学生参加各类赛事和申报各级创新实验项目,促进学生创新实践能力的培养。目前参加的竞赛主要包括大学生程序设计竞赛、电子设计竞赛、嵌入式系统设计大赛、通信技术大赛等,申报的创新实验项目主要包括：校大学生科研创新项目、校大学生创新实验项目及国家级、省级大学生创新实验项目等[5]。

3.2 科学研究平台

科学研究平台主要由专业教师提供。学生可在本科生导师的指导下,加入导师课题组,参与科研项目研究。鼓励学生就取得的科研成果申请软件著作权、发表科研小论文,促进对学生科研创新能力和学术表达能力的培养。

4 运用现代教育技术手段改革实践教学

4.1 将在线评测系统引入实践教学

将在线评测系统引入到“C程序设计”“计算思维与算法分析”和“数据结构”等课程的实验教学中。学生在线提交答案就能看到系统的评判结果,不但知道自己答案的正误与否,还可了解在全校的排名情况,大大提高了学生的编程兴趣[6]。学生课后还可登录在线评测系统进行作业练习,在此过程中,攻克作业挑战所带来的成就感,对学生不断创新具有很好的激励作用[5]。

这种基于竞赛机制的任务驱动式学习,促进了学生自主学习模式的形成,使学生在你追我赶的竞赛中不断提高计算机编程能力。由于系统中的题目大多源于生活情境和工程实践,因此对学生分析工程问题的能力也是一种磨炼。

4.2 将SPOC混合式教学引入实践教学

信息工程专业的“信号与系统”“通信原理”“数字电路”等实验课程知识点多、实验操作繁琐,因此将SPOC混合式教学引入到实验课堂中,主要包括课堂讲解、主题讨论、提交实验报告等模块。课前,教师将实验的基本原理、操作步骤、实验仪器使用等内容做成讲座视频或文档资料发布到课堂讲解模块,便于学生预习；课中,学生动手实验,教师现场指导，学生遇到问题时,除了可以请教教师或其他学生外,还可重复听取在线的课堂讲解；课后,学生可通过提交报告模块在线提交电子实验报告并进行提问,教师则可在线评阅实验报告，并为学生答疑[7]。

这种线上理论学习和线下实验操作的SPOC混合实践教学模式,加深了学生对实验原理的理解,改变了传统硬件类实验课照着实验指导书连线“走过场”的局面,教学效果良好。

4.3 建立“虚实结合”的专业实验室

传统实验多受实验地点、实验室开放时间和实验设备限制,无法满足学生随时随地进行实验操作的学习需求。将虚拟实验引入到硬件类实验课程教学中,能有效弥补硬件实验的不足,并有助于培养学生的设计、分析和创新能力[8]。

对传统的只有示波器和实验箱的信号与系统、通信原理、移动通信技术等实验室进行升级改造,在实验室中新增计算机设备,并为每台计算机安装Matlab、System View等仿真软件,供学生构建信号传输、通信系统的虚拟仿真实验。

虚拟实验操作简单,不受时间和空间限制,但缺乏真实感,真实实验操作可使学生熟练使用示波器等实验仪器,但实验操作相对复杂。构建“虚实”结合专业实验室,将虚拟实验与真实实验优势互补,能更好地提高实验教学的效果和学生的综合实验能力[9]。

5 结语

以工程教育专业认证为导向的高等教育改革的核心工作是培养和加强学生的工程能力[10]。实践表明,信息工程专业构建的“模块化+个性化”的实践教学体系,将教学计划内的模块化实践教学和计划外的个性化实践创新有机结合,既系统规范地培养了学生的整体工程实践能力,又因材施教地培养了学生的个性化工程创新能力。另外,充分运用现代教育技术手段创新实验教学,将在线竞赛机制、SPOC混合教学和虚拟仿真实验等引入实验课堂,激发了学生的学习兴趣,提高了学生学习的主动性,取得良好的教学效果。今后还将持续更新和改进实验项目和实验内容,提升企业参与实践教学的深度,将专业人才培养的实践环节与行业的实际需求有机结合,进一步培养学生运用专业知识解决复杂工程问题的能力。