“1+2+3”创新教育模式提升学生解决“复杂工程问题”能力

张 晶 蓝 天 谭筠梅

（兰州交通大学计算机科学与技术实验教学中心，甘肃 兰州730070）

0 引言

2017年，教育部高教司发布关于开展新工科研究与实践的通知，组织研讨，形成复旦共识、天大行动和北京指南等新工科建设指导意见。新工科人才培养新模式要求转变人才培养方式，培养具有创新能力的工程技术人才。加强新工科教育模式下大学生创新能力培养具有重要的现实意义[1-2]。

工程教育认证和新工科教育模式倡导以学生为中心、产出导向、持续改进三大教育理念，培养学生解决复杂工程问题的能力。复杂工程问题能力的核心是建立系统观，学生能以系统角度看问题，追求问题的系统求解，强调学生具有全局掌控系统的能力和完备的工程实现能力，使学生经历复杂工程问题的解决过程，完成基本系统和应用系统的构建，能基于模型进行设计、实现和分析[3-4]。

1 嵌入式课程教学存在的问题

在嵌入式课程的教学过程中，仍以教师讲授理论知识为主，实践环节较少，学生学习兴趣较低，学习效果差。这种现状已不能满足新工科建设和工程教育认证的要求，采用以学生为中心，面向产出的教学方法已成为迫切需要解决的问题。

1.1 “1+2+3”创新教育模式

兰州交通大学计算机科学与技术国家级实验教学示范中心经过多年教学实践，形成了一套完整的“1+2+3”创新教育模式，在学生实践动手能力、创新创业训练及学科竞赛等方面取得了显著成果。

图1 “1+2+3”创新教育模式

“1+2+3”创新教育模式：1个嵌入式实践育人基地；2级实训：嵌入式基础硬件系统设计、嵌入式应用硬件系统设计；3级竞赛：校级竞赛、省级竞赛、国家级竞赛。

1.2 以点带面，建立嵌入式实践育人基地

为激发学生创新实践热情，兰州交通大学成立了嵌入式实践育人基地，以点带面，发挥基地辐射作用，推动嵌入式技术教学发展，提高学生嵌入式系统设计的能力。

基地为学生提供了良好的实践环境和充足的实验设备器材，每年组织学生申报大学生创新性实验项目。依托基地成立了嵌入式协会，定期面向全体成员举办嵌入式相关技术培训，举行各类嵌入式活动，通过培训大大提高了成员对嵌入式技术的学习兴趣，为学生参加各类创新项目和学科竞赛奠定基础，营造良好的实践研究氛围。

1.3 以提升学生解决复杂工程能力问题为目标开设实训课程

创新思维的产生需要有认知基础，以工程认证标准和新工科建设要求为依据，开设2级嵌入式实践课程：嵌入式基础硬件系统设计实训和嵌入式应用硬件系统设计实训，着力提升学生创新实践能力。实训以学生、项目、实践为中心，学生在实践中得到锻炼具备解决嵌入式复杂工程问题的能力，从而培养出达到工程教育认证标准的学生[5]。

基础硬件系统设计实训：教师将嵌入式系统分解为不同模块，指导学生从单一模块开始逐步进行集成，最终完成嵌入式系统。此过程培养学生模块化系统设计思想和设计能力。

应用硬件系统设计实训：以基础硬件设计为基础，通过指导学生学习直流电机、红外遥控、蓝牙、无线等复杂模块，指导学生设计具有应用价值的复杂嵌入式系统，如导盲机器人、水下监测机器人等。引导学生将嵌入式技术与专业结合，协作完成复杂硬件系统开发。

两部分实训相辅相成，教师利用中心的“私有云”平台，可随时跟踪每位学生的学习进展状况，对教学内容进度及时调整。项目小组成员可随时在线进行讨论。

1.4 以学促赛，以赛促学

坚持以学促赛，以赛促学的竞赛教学相互促进模式，建立“校级竞赛—省级竞赛—国家级竞赛”三级竞赛平台，调动学生的学习积极性，引导和鼓励学生将知识应用于实践。通过该竞赛平台能够使学生在增强信心、提高竞争意识、加强团队合作等方面得到有效的锻炼[6]。

校级竞赛：每年举办校内嵌入式设计大赛以覆盖大多数学生为主，积极鼓励各年级学生跨专业组队，侧重学生作品设计的理念，以提升学生学习兴趣为主，激发学生创新的热情和积极性。

省级竞赛：经过校级竞赛选拔出的优秀队伍将参加各类省级嵌入式竞赛，在项目功能完善、设计报告规范性等方面进行强化训练。

国家级竞赛：对省级竞赛中获得优异成绩并获得参加国家级竞赛资格的队伍，进行集训，指导学生对作品进行深度完善、包装、转化为产品。积极鼓励学生参加“互联网+”全国大学生创新创业大赛等各类高水平国家级创新创业竞赛。

通过建立起三级学科竞赛平台，学生在竞赛驱动下，通过不断的解决工程问题，享受到自主学习的快乐，使学生专业知识综合应用能力及创新实践能力得到不断的提高，进而具备解决“复杂工程问题”的能力[7-9]。

2 实施效果

通过该体系培养了大批嵌入式软硬件设计人才，在“互联网+”智能制造、智能家居等领域进行了大量创新项目设计和产品开发，完成如基于ROV的水下监测机器人，智能导盲机器人等作品，在“互联网+”全国大学生创新创业设计大赛、“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛、“TI杯”全国物联网创新设计大赛、“挑战杯”大学生课外作品设计大赛等竞赛中取得了优异的成绩。

3 结语

依托嵌入式实践育人基地和两级嵌入式创新实训，学生能够独立进行系统设计、仿真编程、硬件调试及项目资料整理，完成复杂嵌入式系统开发。在竞赛驱动下，学生不断迸发出新的创新灵感，完成更多具有实际意义的创新作品。“1+2+3”创新教育模式在培养学生嵌入式实践能力、提升学生解决复杂嵌入式工程问题方面发挥了重要的作用，取得了良好的效果。