大学生科技创新实践教学改革与实践

张晓琪, 马学条, 程知群, 郑雪峰, 王 超

(1. 杭州电子科技大学 计算机学院, 浙江 杭州 310018;2. 杭州电子科技大学 电子信息学院, 浙江 杭州 310018)

当今社会已进入信息化时代,电子技术发展日新月异,人工智能、大数据、云计算等信息技术领域迅猛发展,为高校科技创新型人才培养带来了良好的发展机遇,同时也面临严峻的挑战[1]。传统的科技创新实践教学存在以下问题：

(1) 现有实践教学与管理滞后于信息技术发展,实践育人模式单一,难以适应电子信息技术的发展需要；

(2) 实践教学项目围绕理论知识点设立,很少超越书本，脱离工程实际,学生分析研究空间不足,不利于个性化人才培养需要；

(3) 创新实践环境和资源开放共享机制滞后匮乏,忽视能力培养和达成,难以满足学生自主研学和科技创新的需求[2]。

普通省属高等学校电子信息专业人才培养应具有多样性,既有学科型人才,更应该有大批能满足国家战略发展需求的科技创新型人才。依托杭州电子科技大学国家级实验教学示范中心、国家级虚拟仿真实验教学中心和校企联合实验室,进行科技创新实践教学探索和改革，激发学生的学习兴趣,培养理论基础扎实、实践动手能力强、具有科技创新思维和工程实践技能的科技创新型人才,更好地服务科技强国和教育强国建设[3]。

1 实践教学改革目标

杭州电子科技大学大学生科技创新实践基地由“杭电—Microchip 大学生科技创新孵化器”“杭电—Microchip 数字信号控制器联合实验室”“杭电—德州仪器 数字信号处理方案实验室”“杭电—ALTERA EDA/SOPC联合实验室”和“杭电—利尔达 MSP430单片机实验室”5个校企联合实验室组成,实践教学改革目标如图1所示。科技创新实践基地在“跟踪学科发展、对接行业需求”的育人理念指导下，以综合性实践项目为载体,实践教学紧跟学科前沿、对接行业需求、注重学科交叉融合，通过构建“线上线下混合、课内课外融合、理论实践结合”的实践育人模式,将科技创新能力培养注入各个实践环节，培养学生科技创新思维、自主研学能力和工程实践技能。

图1 实践教学改革目标图

2 实践教学改革措施

2.1 科技创新实践系列课程改革

注重实践教学的理论研究,从理论和实践2个方面解决传统科技创新实践教学中“教学内容、教学方法、课程组织及时间安排”上存在的问题。采用“实验慕课”和“翻转实验室”的方式,把课内实验变革为自主实践;通过项目分析、任务驱动、考核激励、引导学生进行研究性探索,逐步培养学生的自主实践能力[4]。以“数字系统综合设计”“创新性实验”“智能物联科创实训”等系列科技创新实践课程改革为切入点,优化实践内容、强化实践环节，让学生提前进入理论与工程实际相结合的训练阶段,鼓励和帮助学生尽早进入实验室完成创新性实验设计,积极参加各种课外科技活动,培养学生的科技创新能力。

2.2 构建实践育人新模式

紧跟信息技术发展步伐,积极探索将信息技术运用到实践教学,构建了“线上线下混合、课内课外融合、理论实践结合”的科技创新实践育人新模式,以适应信息化实践教学的需要[5]。通过在超星泛雅网络教学平台上开设网络课程,在虚拟仿真实验教学平台上开放共享实验教学项目等,满足学生随时获取课程教学资源的需要,实现了线上线下混合式教学。依托“杭电—Microchip 大学生科技创新孵化器”等5个校企联合实验室延伸了实践教学的时间和空间,实现了课内实验与课外实践环节的融合。通过组织学生积极参与国家、省、校、院级学科竞赛,以及相应的创新创业训练计划,使学生将掌握的理论知识更好地应用到创新实践中,实现了理论课程教学和实践教学的融合。

2.3 校企共建科技创新实践基地、共创协同培养模式

依托计算机国家级实验教学示范中心和电工电子国家级实验教学示范中心,与德州仪器、ALTERA、Microchip等一批高新科技企业联合共建科技创新实践基地,学生实践项目与行业应用无缝对接,满足工程实践能力培养需要。以校企共建大学生科技创新实践基地为平台,以研发企业项目为载体,以参加企业培训、工程师进校讲座、高年级指导低年级为自主学习方式,以项目验收和创新学分为考核方法,系统化地实现了校企协同培养模式。通过尽早接触企业项目,让学生近距离了解行业对人才的要求,使学生较全面地了解所学知识与行业应用的结合点，理论联系实践,开拓学生视野、培养学生科技创新意识[6]。

2.4 建设自主研学的虚拟仿真平台、开放共享虚拟仿真实验项目

依托电子信息技术国家级虚拟仿真实验教学中心,基于“资源开放与共享机制协调、硬件平台与软件资源协调、自主研学与质量监管协调”的实践资源建设理念,建设了集虚拟仿真实验教学、实验室管理、仪器自助借阅等功能于一体的开放式虚拟仿真实验教学平台。实现了学生自主预约开放实验、在线提交电子报告、智能获取实验指导等。在充分保障开放式实验教学有序运行的同时,进一步提高了资源使用效率[7]。

针对高危、高成本、长周期等难以通过真实实验来完成的场景,基于三维仿真技术搭建原景在线式虚拟仿真实验环境,开发了软件共享、仪器共享和远程控制3大类虚拟仿真实验教学项目;通过在虚拟仿真中增加互动性,激发了学生实验兴趣和创新能力。其中,“电子技术在线虚拟仿真实验”和“飞行器电磁散射及隐身特性分析虚拟仿真实验”经浙江省教育厅推荐参与了2017年和2018年教育部国家虚拟仿真实验教学项目认定工作。学生通过网络,远程共享实验教学资源,突破地域空间的限制,在线完成虚拟仿真设计,远程提交仿真结果,达到“处处能学、时时可学”的泛在学习[8]。

2.5 精心设计多学科交叉融合的实践项目

结合科学研究和行业需求,采用持续动态更新的模式完成实践项目库的更新和建设,项目库包括科研项目、工程实际项目、科技创新项目等,其建设流程如图2所示。实践项目首先用于科技创新实践教学,学生将项目功能进行优化、完善、扩展后可用于各类创新创业训练计划和学科竞赛活动,经过逐届传承、培育后可进行产学研项目开发,将产学研项目分解提炼后重新加入到实践项目库中,构建了动态更新的项目库建设体系。

图2 大学生科技创新实践项目库建设流程图

(1) 任意波形信号发生器设计。任意波形信号发生器设计是理论与实际相结合的实践项目,工作原理如图3所示。学生采用工程仿真软件,首先完成一个简易正弦信号发生器设计,再完成一个包含正弦波、三角波、方波、锯齿波等任意波形信号发生器的设计,最后完成一个各种频率和相位成简单整数比的李萨如图形设计。实验设计操作过程由浅到深、逐级深入,在有限的实验教学课时数内,完成复杂数字电子系统的设计[9]。电路功能设计中,设计方法具有多样性,可用原理图、硬件描述语言、宏模块等多种方法完成实验设计。在此基础上,学生可以根据具体情况进行实验功能拓展,可扩展设计输出的信号波形具有调幅功能,用VGA显示观察输出的各类信号波形,用液晶显示输出频率的大小等。学生按照实验教学任务要求,经过选题申请、中期考核、实体平台测试、答辩汇报等环节完成实验设计,使学生在创新设计、团队合作、口头表达、论文撰写等方面均得到有效的锻炼,实现综合能力素养的培养[10]。

图3 任意波形信号发生器原理框图

(2) 车载手势控制系统设计。车载手势控制系统设计为多学科交叉融合的实践项目,工作原理如图4所示。基于FPGA将动态手势识别技术与远程控制原理相结合,通过摄像头采集手势信号、异步FIFO缓存、SDRAM缓存、VGA显示、图像预处理、形态学处理、边缘检测、肤色分割、连通域识别等过程提取有效的手势命令,经手势库匹配运算转换为车载系统的控制命令,通过无线模块发送至车载中控系统,实现视觉手势对车载人机交互系统的远程控制。 实践内容涉及人工智能、图像处理、数学形态学、现代数字电子技术等多学科课程知识,学生通过分析和归纳影响手势识别效果的原因,探索较佳的形态学处理方案，同时提高学生的成本意识,通过自主设计,降低系统对硬件指标的要求[11]。

3 实践教学改革成效

大学生科技创新实践基地面向电子、计算机、通信、自动化等19个电子信息类专业学生开展教学工作,每年参加实践的学生超过3 000人,学生受益面广,科技创新实践教学改革成效如图5所示。

图4 车载手势控制系统原理框图

图5 科技创新实践教学改革成效图

3.1 学生科技创新能力提升明显

传统科技创新实践教学完成后学生设计的数字系统规模仅为几百个逻辑门(如数字钟、交通灯等),参加实践课程改革的学生设计的复杂数字系统规模大都在三万逻辑门以上(如车载手势控制系统、智能楼宇照明系统等)。通过指导学生参与各类创新创业训练计划和各类科研课题,使得学生自主完成创新性研究。经项目设计、项目实施、报告撰写、学术交流等过程,锻炼和提升学生的科技创新能力[12]。近3年,指导学生主持国家级、省级创新创业训练计划及新苗项目共32项,650名学生直接参与教师各类科研课题共205项。

3.2 学生学科竞赛成绩显著提高

以学生自主管理为模式,以参加各类学科竞赛为载体,组织和指导学生进行自主实践,培养了一大批理论基础扎实和实践动手能力强的科技创新型人才[13]。涌现了“小平科技创新团队”“极客部落”“无线电俱乐部”等一批学生科技创新团队。近3年,教师指导学生参加电子设计、互联网+、挑战杯、电子商务等学科竞赛获得国家奖36人次,省级奖81人次。

3.3 校企协同育人显现良好效果

针对科技创新实践育人模式单一,注重理论知识构造,忽视工程实践能力培养和达成等问题。团队教师长期探索如何使工程创新能力培养融入实践育人全过程,依托国家级实验教学中心与企业共建平台、共设项目、共同考核,系统化实现了校企协同培养新模式,以适应卓越工程师教育、专业工程认证和新兴的“新工科”建设需要[14]。学生通过科技创新实践基地对接行业应用,先后为台湾松瀚公司、浙江省中医院和浙江大学附属中学等开发自主网灯控制系统、人体经络分析仪、图形化编程机器人等25项产品,实现产学研结合,提升了学生工程实践创新能力。其中“杭电—Microchip 大学生科技创新孵化器”于2016年获得中国共青团和全国少年工委颁发的大学生“小平科技创新团队”称号。

4 结语

基于科技创新能力培养,进行实践育人模式探索与实践。以科技创新实践系列课程改革为切入点,构建了“线上线下混合、课内课外融合、理论实践结合”实践育人模式,建设了以校企联合实验室为依托的大学生科技创新实践基地及服务于自主研学的虚拟仿真教学平台,极大地延伸和拓展了实践教学的时间和空间,实现了优质教学资源的开放共享。同时,以多学科交叉融合的实践项目为载体,跟踪学科发展、对接行业需求,通过有针对性的实践锻炼,有效地激发了学生创新意识,培养了学生自主实践能力,使学生在理论知识、工程应用和科技创新3方面得到同步收获[15]。