“电子系统设计与创新创业能力”培养体系的研究

张鹏辉, 张翠翠, 王中方

(西安交通大学 电子与信息工程学院, 陕西 西安 710049)

近年来,Alpha Go、自动驾驶汽车、无人飞机、黑灯工厂、甚至淘宝等影响人类生产、生活的重大科技发展和商业模式不断涌现,与其说是科技的巨大进步和商业模式的巨大成功,倒不如说是创新创业的巨大成功。创新创业是我国从“中国制造”到“中国创造”战略转型的关键因素,“大众创新、万众创业”不单单是一句凝心聚气的口号,更不是一场运动,它将成为一种社会常态[1],社会和企业对工程技术人员的创新创业意识、能力提出了更高的要求,培养出掌握扎实的专业知识、具有积极的创新意识、能够创造性地解决工程实际问题、满足企业和社会需求的高科技人才,是关系到国家未来持续发展的大计,也是高等院校在人才培养过程中需要不断解决的问题。

1 创新创业教育

目前大学生创新创业的热情较高,但成功案例并不多。实际上大多数成功的企业也是创始人在社会上历练了多年后成功创立的,这也说明高校现有的培养模式与创业者的需要还有相当大的距离[2]。创新创业教育不是一门课,也不是一个教学环节,而是要把这种理念、意识、内容融入到整个教学过程中,与本专业培养方案有机结合,形成扎扎实实的创新创业能力培养课程体系及强有力的学科支撑,以梯次递进的方式,使学生逐步形成自主学习和自我完善要求、解决问题和勇于创新意识、工程实践和科技研发能力、商业策划和领导决策才能。

创新创业是理论联系实际地解决问题、服务于国家、服务于社会的过程,创新创业需要在“全功能”的社会大环境中实践、体验、历练,实现“人尽其才,才尽其用”,探索适合自己的成才之道。事实上,高校缺乏有创业经验和管理经验的指导教师,不具备创业的环境和条件,无法满足大学生的创业诉求,甚至有可能使学生的创业活动处于“高危”状态。而高新企业正是创新创业的高发地带,以开放式的教学方式,与企业深度协作,借助于企业成熟的经营理念、创业经验和桥梁作用,在走到企业中去的同时,引进创业导师,补足师资短板,凝聚成有效合力,共同打造创新创业教育实践平台。根据学生的创新创业愿望,每年派学生到企业去参与产品设计、生产、经营活动,去经历、体验和感受创业的过程、成就和魅力,获得必要的创业知识并提高创业的意识。

创业离不开创新,创新是创业的基础,创业也不一定是创商业,对大多数人来说更是创事业,没有创新的创业注定不会长久。创新需要坚实的专业知识、较强的实践能力和广阔的视野,创新能力需要在不断实践中培养和激发。对于电子信息类专业的学生来说,电子系统是构成各种应用系统的核心基础。电子系统设计需要对微控制器应用技术、模拟电子技术、数字电子技术、测控技术、信息处理技术、程序设计等进行学习和运用,是涵盖大部分课程知识的综合设计。电子系统的设计能力在很大程度上代表了学生的工程实践能力和创新设计能力,因此电子系统设计能力培养是电子信息类学生实践能力和创新能力培养的重要切入点和抓手。

2 国内外创新创业教育现状

目前,国外高校基本是将创新能力培养的理念贯穿于整个培养体系中[3],特别是深入到与实践有关的课程中,而且是从大学一年级学生开始。实验项目普遍比较复杂,内容不局限于某门课程,强调自主实验、创新发挥、解决问题。国外对创新人才的理解比我国要宽泛一些,在强调人的个性全面发展的同时突出创新意识、创新能力的培养。

例如,MIT把实验课程分为公共课程中的实验课和系级专业课程中的实验课2部分。其中,公共实验课为必修课程,是通识教育的一部分,面向所有学生,其主要目的是为学生提供早期解决一个或几个实验问题的机会,培养学生学习主动性,使学生具有类似专业人员那样的主动性和应变能力。MIT电气与计算机系在一、二年级设置的Instruction to EECS是一门以实验为主的课程,包含2个6学分的必修实验。该课程通过移动机器人实验,揭示在自然界中通过工程手段实现人工行为所涉及的关键因素。

系级实验课一般是综合性、设计性的团队实验项目,重点是培养学生团队协作、项目管理、沟通、计算机技能及实际动手能力。要求学生必修“预备本科生高级项目”和“本科生高级项目”课程,前者是基础,后者主要是开展课题研究并完成学士论文。

国内高校也越来越重视创新创业教育,翻转课堂和混合式教学已经在很多学校开展,学生可以在线学习,课堂成为教师与学生、学生与学生讨论、互动的场所,互动的内容包括答疑解惑、知识应用、动手实践等。教学方法的改变,有利于调动学生主动学习、思考和创新的意识。以南京大学创新创业课程为例,是由有创业经验的教师开设,同时聘请了一批企业管理者、工程师作为课程校外导师。

此外,创客行动和创客空间[4-5]正在大规模进军教室、实验室和图书馆,这种“在实践中学习”的理念,激发了学生的创造力,培养了学生不断尝试的科研精神。许多著名企业也参与到校园创客行动中来,如Google联合乐高公司、国家地理、ScientificAmerican、Virgingalactic发起的Google科技博览会,就是一个鼓励校园创客的全球在线科技竞赛平台。ADI、Altera、TI等著名企业都赞助了各种形式的大学生创新设计竞赛。

创新创业教育不仅得到了国内外高校的高度重视,也得到了企业、社会的重视。创新创业已经变成了全民、全社会的共同行动。作为以育人为本的高等学校,不仅要结合本专业培养目标制订创新创业培养方案,更要结合社会各界力量补足短板,在培养理念、机制、方法上不断创新。

3 “电子系统设计与创新创业能力”培养体系

3.1 研究思路与培养体系设计

实现电子系统设计能力和创新创业能力培养的总目标,不是一门课程、一个学期能够解决的。要树立以创新创业能力培养为核心的教学理念[6-7],将其作为一个系统工程,深入研究培养目标、课程体系、培养手段、学科发展、教师队伍、实验室环境、管理方式等各方面问题；要紧紧抓住电子系统设计这个抓手,破除专业教育与创新创业教育“两张皮”现象,把创新创业能力培养融合到电子系统设计能力培养的各个环节；要解决在大一、大二学生中开展电子系统设计能力和创新能力培养的难点,使之与大三、大四的集中实践环节、项目设计、ITP(信息新蕾计划)、企业创新创业体验、毕业设计等,整合形成贯通大学4年的电子系统设计能力和创新创业能力培养体系。借鉴国内外高校的一些做法[8-9],在图1所示的研究思路的指导下,建立了如图2所示的培养体系。

图1 研究思路

信息工程专业原有实践教学环节除了课程实验以外,还有“电子系统设计”“数字系统设计”“单片机与嵌入式系统设计”和“射频电路设计”等多门专题实验,均在大三、大四年级开设。存在的普遍问题是学生的动手基础比较差,知识面和实践知识积累不足。又由于专题实验必须从最基本的内容开始，且学时数有限,专题实验内容的深度受到影响,效果不及预期。针对此问题,2014年在校级教改项目的支持下,利用小学期在大一学生中小范围开设了“电子系统设计基础”专题实验,取得了较好的效果。在此基础上,本项目增设了针对大二学生的电子系统设计训练专题实验,于2018年暑期开设,效果明显。这样就形成了从大一到大四不间断的电子系统设计能力和创新能力培养体系。

图2 贯通大学4年的培养体系

在该体系下,以创新创业能力培养为目的,重新调整已有的各专题实验的教学目标。具体来说,针对大一、大二、大三学生的各自特点准确定位不同的教学目标,找准各种知识的支撑点和结合点,使各门课程、各种知识、各种技能有机结合并相互支撑,从零开始循序渐进地、系统性地培养学生的实践能力和创新能力,力争使学生的实践能力和创新能力有一个较大的提高。对于大一学生,强调从零开始,按照先“认”后“知”、先实践后理论、先操作后总结、先模仿后设计的基本原则,重点培养学生对专业的认知、兴趣和对事物客观规律的基本认识,使学生获得“科技有趣,创意无限”的感受。对于大二学生,强调动手能力及获取知识、运用知识的能力,使学生在学习各种理论知识的同时认识其对解决问题的作用,养成从解决问题角度出发思考问题使所学知识落地的习惯。通过在实践中发现和解决问题,激发学生创新意识,增强学生创新能力,使学生体会“知识给力,创意实现”的魅力。对于大三学生,以案例教学为主,强调大工程观念和解决实际工程问题的能力,通过将企业创业体验和引入创业导师相结合,使学生从企业和工程师的角度考虑问题,取得“市场导向、实战锻炼”的成效。对于大四学生,通过项目设计、ITP计划和毕业设计等,将学生分配到不同的导师或课题组,参与教师的研究课题,达到完成科研训练的目的。

3.2 教学内容和实验项目设计

电子系统设计能力和创新创业能力培养的具体实施依托项目展开,并且从大一延续下去,最终与大四学生的项目设计、毕业设计、ITP计划对接,因此实验项目的设立要有连续性、渐进性、特点突出、知识覆盖、与后续接轨等特点。

对于大一学生,虽然他们的专业知识、实践知识还很不够,但就此开始对他们进行电子系统设计能力和创新能力的培养仍然是切实可行的。实际上很多电子应用系统都是基于基本物理原理的,许多里程碑式的发明也是从解决基本问题发展起来的,例如电灯、无线电通信、莫尔斯电报等。虽然在发明之初并没有完善的理论体系或知识,但解决了实际应用问题。如果能对学生加以引导,他们完全有能力在大一就开始培养实践能力。教学内容应从简单的事、身边的事做起,注重趣味性、实用性、易学性,突出电子技术应用的基本逻辑和对事物客观规律的认识,学生在不完全了解理论知识的情况下,可以通过应用来体会基本的逻辑关系和思维方法。例如,通过“音频功放”实验项目,使学生不仅了解信号放大功能,同时了解能量转换概念和受控源概念；再如,通过“简单编码”实验项目,不仅体现编码的实现与有序控制,还能展现开关、电平、逻辑、编码、数据、信息之间的内在联系等。

对于已有一定模电、数电、信号与系统等基础理论知识的大二学生,可从MCU和嵌入式系统入手,并在此基础上设计较为复杂的、具有某种功能的电子系统,重点学习目标设计方法,即学会根据应用背景提取设计目标,建立设计目标与电路之间的联系,并通过解决电路实现、成本、工艺等问题后实现目标。要了解电子系统设计、制作的整个流程,学会各种软件、工具的使用方法。使学生在解决问题的过程中积累经验、扩展知识面、体会苦与乐,在不断尝试各种问题解决方法的过程中激发创新意识、增强创新能力。实验项目将从生活、工业、科研等实际中抽取,理论上要概念清晰,能充分运用所学基础理论知识,效果上要有一定的应用价值,即所谓使项目设计“顶天立地”。如智能小车项目,需要以多传感器测量融合和多电机同步控制来实现多种运动功能,这同样可扩展到扫地机器人、物流机器人等多种机器人,给学生很大的发挥空间和创新机会,同时还能引导学生关注市场同类商品的功能、价格、客户定位和发展方向等。

对于大三学生,由于已经全面学习了基础课程并接触了部分专业课程,有一定的动手能力,应重点从“大工程”、工业应用、电子产品、完整电子系统的角度考虑问题,项目将涉及EMI/EMC、结构、热阻、成本、工艺等知识,项目来源可以是科研项目、横向课题、电子产品设计,也可以是学生自拟创新题目,如对数字示波器、数字频率计、无线传感网络、数字红外通信等的设计。这些题目强调应用背景、市场定位、先进性、创新性、完整性等,学生的设计作品必须在解决问题的同时有自己的设计特色和创新点,并为参加ITP计划、电子设计竞赛、大学生科技创新项目、项目设计、毕业设计等打下基础。

3.3 教学方法和教学手段设计

在总结以往实践教学经验基础上,研究各年级学生的自主学习能力、电子系统设计能力、创新能力情况,设计出有针对性的教学方法。

对于大一新生,由于长时间接受中小学应试教育,大学的专业课程也还没有开始,创新能力、创新意识和想象力均不足,此时应重点培养学生对电子信息类专业的认知和兴趣,正所谓“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”。教学场地应安排在实验室,讲解、讨论、实验同步进行。实验项目应比较简单,且取自身边的事、有趣的事。采取先“认”后“知”、先实践后理论、先操作后总结、先模仿后设计的实验方针,让学生在解决问题的过程中逐渐熟悉电子应用系统,学会自己根据应用目标寻找解决方案,学会对应用电子系统进行测量和测试,学会从实际系统抽象出数学模型。

对于大二学生,由于已经学习了部分专业基础知识,具有一定动手能力和实验技能,应重点培养学生的自主学习、自主实验、自主解决问题的能力及创新能力。讲授内容以各种解决方案为主,项目内容以解决电子产品的核心问题为主,教师“引领”,学生“修行”,充分尊重学生的设计,允许学生花较长时间进行反复尝试,逐步消除学生对“自主实验”的不适应现象,培养学生严谨的科学态度、锲而不舍的钻研精神和较强的动手能力,在解决问题的过程中不断尝试对项目的改进,不断寻找创新点。

对于大三学生,由于已经学习了专业基础知识，具备了一定的解决问题的能力,课程讲授应以案例分析为主,讲透核心问题,指明设计方向,启发和引导学生实践,鼓励学生在实验中敢于提出不同思路和方法。学生可组成研究团队,协作完成功能较为完整的电子产品的设计与制作。教师应对学生定期的设计情况汇报进行分析和点评,鼓励学生发挥自己的创意和创新,使作品更完美。应鼓励和帮助学生申报大学生科创项目和参加各种学科竞赛[10-11],通过与其他院校学生同台竞争,提高实践能力、集体主义精神、荣誉感和自信心。应对实践教学效果进行检验,并不断改进。我校电信学院学生自1994年参加学科竞赛以来,硕果累累,促进了对学生电子系统设计能力和创新实践能力的培养。

3.4 校企协作,优势互补

当前大学生创新创业成功的案例并不多,其主要原因是：创新创业能力培养的理念没有贯彻到教育教学的各个环节,只是在现有教育体系下打补丁；缺乏具有企业视角的、有创业经验的指导教师；“闭门造车”式的教学方法也使创新创业能力培养力不从心。为解决以上问题,拟联合20家企业建立双选机制,探索多元化合作模式[12]。这些企业包括ADI、IBM、TI、360、奇维、金亨等。通过走出去和引进来的方式与企业进行深层次合作,共同打造创新创业教育平台,营造一个能使学生身临其境、能得到有效指导、能激发学生创新创业愿望的大环境。

在走出去方面,在该平台招募实习学生,企业根据学生的创新创业意愿和感兴趣的发展方向,被派往不同公司的不同部门,参与企业的产品设计、生产、经营过程,亲身体验企业的创新、创业过程,学习创业知识,接受必要的指导和引导,感受创业过程的喜怒哀乐,体会创业之道与创业魅力,提高主动创业的意识。

在引进来方面,已经与Intel-ALTERA、RIGOL、TI、ADI、XILINX等多家公司建立了联合实验室。不仅要借助企业的物力,更要借助企业的智力,引入企业创业导师,聘请有经验的企业管理者、工程师或校友,不定期地举办讲座、授课和设计指导,从企业管理、市场、经营、产品、效益等角度对学生进行指导,使学生的实践能力培养逐步与企业接轨。目前,已与ADI、TI等企业建立了稳定的校企合作模式,将来会仿照此模式与其他企业开展校企合作。

4 结语

校企协作贯通本科4年的电子系统设计能力和创新创业能力培养体系的研究突破了传统的从大二才开始接触电子电路、大三才能设计电子系统的传统做法,使学生从大一就开始进行简单的、来源于生活或实际应用的项目设计实践,逐步过渡到大四的复杂电子系统、电子产品设计。同时,在此过程中融入创新创业能力培养目标和内容,旨在使学生形成解决实际问题的观念和思想方法,有效提高学生的电子系统设计能力和创新创业能力。

该培养体系针对各年级电子系统设计能力和创新创业能力情况,设计了具有针对性的教学方法。大一学生从“认”到“知”,体会“科技有趣,创意无限”；大二学生侧重能力培养,体会“知识给力,创意实现”；大三学生侧重创新创业能力培养,体会“市场导向,实战锻炼”。通过适宜的教学方法和进度安排,逐次递进地培养学生的实践能力和创新能力。设计了完整的、适宜的电子系统设计能力培养的教学内容,能够对学生的能力培养起到事半功倍的作用,有利于教学环节的安排和实施,有利于学生的快速成长和创新能力提升。此外,建立校企协作的创新创业教育平台,充分利用校外导师这个重要资源,弥补校内导师经验不足的短板,对学生创新创业能力培养意义重大。