工科大学生应用与创新能力培养模式研究＊

丁鹏飞

工科大学生应用与创新能力培养模式研究＊

丁鹏飞

（西安邮电大学 电子工程学院，陕西 西安 710121）

当前，中国大多数工科院校通过卓越工程师计划、工程教育认证等举措加大对学生应用能力与创新能力的培养，以满足国家提出的驱动发展战略和经济发展的要求。对工科大学生开展应用能力与创新能力的培养模式进行了探讨和研究，设计的培养学生应用与创新能力的实践方法，增强了学生学习的主动性和积极性，提高了学生分析问题和解决问题的能力。

应用能力；创新能力；工科大学生；工程教育

党的十八大提出实施创新驱动发展战略，强调科技创新是提高社会生产力和综合国力的战略支撑，国家力量的核心支撑是科技创新能力。实施创新驱动发展战略，不仅需要一批大师级的拔尖创新人才，也需要大量既掌握现代科学技术知识，又具备专门技术和技能的面向现代生产服务的应用型人才，应用技术人才和拔尖创新人才的培养在国家发展战略中具有同等重要的地位。创新能力不仅体现在技术水平提升或新技术产生的多少，更在于新技术在生产部门的转移、扩散和应用，这才是一个国家保持经济快速增长，不断增强国际竞争力的关键[1]。

工程专业认证已经成为中国高校工程教育的必然要求，“以能力为导向”成为目前普通高等学校本科工程教育教学改革公认的方向，这是时代的要求和召唤[2]。中国不少高等工程类院校近几年对工程教育认证采取非常重视的态度，将其视为对专业的综合办学能力和教学水平的一项重要评价机制，纷纷申请加入到工程认证的行列[3]。截至2018年年底，全国有清华大学、浙江大学、上海交通大学在内的227所高等学校的1 170个专业通过了工程教育认证。

工程师本身的质量与素质直接关系到工程经济与安全，工程师认证已是经济全球化的一项必然的需求[4]。因此，如何提高工程教育的质量，培养合格的工程师是高校服务社会的必然要求。本文通过改革实践教学模式，探索培养高素质应用人才的路径和方法，希望为工程教育的实施提供借鉴。

1 理论结合实践的重要性

在新生入学后，学校通过班主任、辅导员、年级大会等多种形式对新生进行专业教育，让学生认识专业的培养目标和培养方向，明确个人的奋斗方向。例如，对于电子专业的学生，学生所认知的专业方向是硬件开发、软件开发、技术支持等，但是对于这些专业方向需要掌握什么样的技能，自己所学课程与将来的工作有何种联系并不清晰。这种对课程重要性的朦胧认识，无法让学生感知理论，课程如何实现“学以致用”，无法正确认知所学课程的价值，这也导致很多学生无法直观感受所学课程的重要性，无法认识到理论课程对解决实际工程问题的重要意义。如何改变学生对理论课的认识，是工科学生进校就应该解决的思想问题，通过理论知识与实践的结合，可以使学生认识到理论课程的价值及重要性，从而激发学生的学习兴趣，使学生主动、自觉地学习理论知识。

2 通过51单片机系统培养学生的应用能力和学习兴趣

学生在学习“C语言”时，会感到语法晦涩难懂，对其熟练应用更是感觉困难重重。如何改变学生学习“C语言”的现状，务必让学生认识到该门课程对于电子类学生的重要性。在教学的实践过程中，发现在进行“C语言”教学的过程中，引入适量的单片机系统的开发，可以改变学生对“C语言”这门课程重要性的认识，激发学生学习的主动性和能动性。例如，学生在学习scanf()输入语句时，很难理解这个函数是如何实现键盘的输入的。通过将该内容与单片机系统的按键输入的实现方法相结合，并通过单片机执行键盘读取程序实现按键的识别，有助于学生对硬件系统和软件系统的认识。通过单片机系统结合“C语言”课程，可以让学生认识到“C语言”的重要性，并通过单片机系统的运行结果，让学生直观地体验硬件系统与软件系统相结合实现具体应用的魅力，从而激发学生的学习兴趣，认识到理论课程的重要性，提高学生运用理论知识解决实际问题的能力。让学生在入学时就接触原本只有学习了“模拟电路”“数字电路”等知识才接触的单片机课程，将学生从游戏和聊天中吸引到单片机系统开发这类实践课程，为学生深入学习硬件系统设计、FPGA开发、ARM系统开发等工程实践赢得时间。

3 通过Multisim等电路仿真软件激发学生的学习兴趣

在学生接触单片机系统时，由于还未接触“电路分析”“模拟电路”“数字电路”的知识，无法了解电路模块的实现原理，因此很多学生会对电路实现功能产生浓厚的兴趣，渴望搞清电路的功能。因此，在这种情况下给学生讲解Multisim电路仿真软件将收到较好的教学效果。通过对Multisim软件操作方法的介绍，让学生掌握Multisim软件的使用方法，并认识常用元件的符号及功能。并将学生在“C语言”学习过程中所用的单片机系统划分为不同的功能模块，指导学生对不同的功能模块进行仿真。学生通过Multisim仿真软件的元件库和仪器仪表库，可轻松地搭建单片机系统的模块电路，并通过示波器、信号发生器等仪器仪表实现模块电路的功能仿真。通过电路仿真结果，学生可以加深对高中物理所涉及的电学知识的认识和理解，并认识新的元件和单片机系统中模块电路的实现功能。通过Multisim仿真软件的运用，使学生认识到数学与工程应用的关联性，激发学生学习理论知识的热情和学习兴趣，同时也为学生认识生活中的应用电路找到验证的手段和方法。

4 通过印制电路板设计软件提高学生的动手能力

PCB（printed circuit board，印制电路板）设计软件作为设计和制作PCB的设计工具，对于电子类的工科学生而言具有非常重要的意义。PCB设计软件是电路电路图绘制和PCB设计的辅助设计工具，是硬件工程师必须熟练掌握的工具之一。通过PCB设计软件的使用，可以让学生逐步掌握自学工具软件的使用方法，同时通过对已有电路的模仿，熟悉工具软件的使用。通过工具软件的使用，可以让学生在画电路图的过程中加深对电路的理解。通过PCB设计软件根据绘制的电路图制作PCB。通过电路图的绘制和PCB的制作，让学生了解电路设计到PCB加工的整个流程，尤其是将设计的PCB文件加工成电路板后，学生的自信心会受到极大的鼓舞，学习的热情会得到激发。在绘制原理图的过程中，通过引导学生正确阅读芯片的数据手册，可以让学生了解电路的设计规则，掌握芯片的功能和使用方法。尤其是在查看数据手册的过程中，由于很多数据手册只有英文版，因此，学生要掌握芯片的使用方法，必须能用英语阅读数据手册。这也让学生认识到英语学习的重要性，改变很多学生所认为的学习英语无“用武之地”的观念。通过在阅读英文数据手册中遇到的困难，促使学生加强英语的学习，激发英语的学习兴趣，增强学习英语的主动性和自觉性。

5 通过基于Cortex-M3的ARM处理器硬件系统进一步提升学生的应用能力

通过51单片机系统和“C语言”的学习，学生已基本掌握了“C语言”基本知识、单片机开发的操作流程和单片机开发平台的使用方法。51单片机系统的学习，为学生深入学习嵌入式系统的开发奠定了坚实的基础。在学习51单片机基础上，选择基于Cortex-M3的STM32单片机系统作为学生深入学习嵌入式系统开发的硬件平台。相对于51单片机，STM32单片机具有丰富的外围设备、更大的FLASH存储空间和RAM空间，更加复杂的时钟电路和丰富的寄存器。因此，STM32单片机系统适合具有一定的51单片机开发经验的学生深入学习嵌入系统的开发方法。在STM32单片机系统中，集成了蓝牙通信、串口通信、RS485通信、红外通信、Wi-Fi模块、GPRS模块、GPS模块、超声波测距、温度检测、液晶屏显示、触摸屏、摄像头、以太网通信模块、语音模块、模拟信号采集、时钟模块等功能模块。通过该系统中不同模块功能的实现，让学生掌握语音输入、语音输出、模拟信号采集、RS485通信等功能的实现方法，掌握其工作原理。在实现不同模块功能基础上，通过同时实现多个模块的功能，培养学生解决复杂工程问题的能力。通过对这些模块的功能的实现，了解各个模块的实现原理；通过对这些模块电路的学习，提高对硬件系统的分析能力，逐步掌握硬件系统的设计方法。

6 通过开放实验项目进一步提升学生解决实际工程问题的能力

开放实验项目作为实践教学的一个补充，可以更大程度地提高学生的工程实践能力。开放实验项目一般以小组的形式开展动手实践能力的培养，学生在开学初期在教师的指导下进行项目的功能需求分析，确定整体设计方案。确定整体设计方案后，小组根据具体的设计方案分工协作，完成硬件电路设计、软件系统的开发、软硬件系统的联合调试，并最终完成开放实验项目作品的制作。在完成项目作品的基础上，学生需要通过项目设计报告和项目答辩完成开放实验项目的验收。验收合格的开放实验项目，由学校全额报销项目制作过程中的相关费用，这大大激发了学生的主动性和积极性。通过完成开放实验项目的设计与作品的制作，培养了学生的团队协作能力、刻苦钻研的精神和创新意识，提高了学生的应用能力和创新能力。

7 结论

通过以上教学改革举措的实施，使工科学生的工程教育从大一贯穿到大四整个本科阶段，使学生跨入大学的校门就认识到理论知识的重要性，激发了学生学习理论知识的主动性和积极性，促进了理论教学的效果。通过在大一就让学生进行应用能力的培养，使得学生在进行实验教学、课程设计等实践教学时具有较强的动手能力和实际操作能力，从而使实践教学可以开展综合性更高的设计实验，大大提高了实践教学的教学效果，使学生的工程实践能力得到更大的锻炼。课赛结合和课程设计的有机结合，使得课程设计能运用先进的设计手段和设计方法实现以前无法完成的设计性项目，大大提高课程设计的时效性，从而使得学生的工程实践能力 通过理论知识、课程竞赛、课程设计得到稳步提升。通过工程实践能力的提高，学生的创新能力也得到了极大的锻炼和培养。

通过应用能力与创新能力培养方式的改革，本科生专业对口难的问题得到了缓解。学生在毕业时就具备较强的硬件开发和软件开发的能力，熟悉硬件开发和软件开发的流程，基本具有独立从事研究开发的能力，能够迅速适应企业的要求。解决了大学生入职后需要企业组织较长周期的培训的难题，实现了学生的高质量就业，满足了企业对人才的需求，符合创新驱动发展战略对高素质应用人才的需求，满足大学生创新实践能力的培养是高等教育的重要目标的要求[5]。本文所设计的应用能力与创新能力的教学模式着眼于培养学生的创新思维与动手能力，以问题为导向，从问题的发现、分析、解决乃至最后的实践，逐步形成完整的系统性的思维方式[6]。

［1］雷庆，苑健.从国家创新体系构成看应用技术人才培养［J］.中国高等教育，2015（22）：34-36.

［2］夏小虎，姜海，徐斌.工程认证的成果导向模式和模块化教学的对比分析［J］.应用型高等教育研究，2016，1（4）：23-26.

［3］王留洋，李翔，王媛媛，等.工程认证背景下校企合作模式可行性方案探索［J］.教育现代化，2018，5（39）：178-179.

［4］施瑞盟，张朝晖，崔雅茹，等.工程认证相关问题研究与实践［J］.中国冶金教育，2018（1）：121-124.

［5］陈中.理工科大学生创新实践能力培养的路径探究［J］.教育理论与实践，2016，36（15）：24-26.

［6］吴亚丽.创新创业模式下专业基础课程教学改革初探［J］.教育理论与实践，2017，37（36）：52-53.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.070

2095－6835（2021）01－0171－03

西安邮电大学教学改革研究项目“工科大学生应用与创新能力培养模式研究”（编号：JGA201717）的部分研究成果

丁鹏飞（1980—），男，重庆万州人，硕士研究生，工程师，主要从事嵌入式系统开发、实践教学改革与管理研究。

〔编辑：王霞〕