新工科下“硬件课程设计”创新人才培养的教学改革与实践

付秀伟,邵 赟,付 莉,王嘉祺**,王佳秀***

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院,吉林 吉林 132022;2.浙江绿色智行科创有限公司,杭州 浙江 310000)

随着经济全球化的日益深入,创新与发展已成为全球关注的焦点,社会对创新应用型人才的渴求也极为迫切。据统计为培养创新应用型人才[1-2],美国研究所与美国教育部于2016年发布《STEM2026:STEM教育创新的愿望》,芬兰、加拿大等国学者也纷纷提出相关应用型人才培养的理论,促进工程创新人才培养。2017年我国教育部启动了“新工科”建设,加快培养新领域高层次工程技术创新人才,2021年教育部提出深化新工科建设,优化创新人才培养模式,为高端制造业发展提供人才支撑[3-5]。目前,我国在“互联网+”变革、“双创”新势态推出后,地方产业和社会对电子技术方向创新应用型人才的需求极为庞大。

作为电子信息类一门电子技术应用综合设计类的课程[6-7],要求学生综合应用模拟电子技术,数字电子技术,单片机原理及应用和自动控制原理等知识解决工程问题,该课程可培养学生独立分析、解决问题和工程创新能力[8-9],并在实践中培养其工程素养,因此,具有创新应用能力的综合设计类课程成为新工科背景下应用型人才培养的必要保障。新工科背景下,传统实践教学因存在体系不完善,教学内容陈旧,考核形式单一等问题,尤其是教学模式中未充分借助信息化和智能化技术开展启发式教学活动,无法满足人才成果产出要求。为此,本文针对“硬件课程设计”实践课程上述总是,从课程体系、教学团队、教学内容、教学模式和考核标准方面进行改革和探究。

一、传统硬件课程设计存在的弊端

(一) 课程设计的知识体系与新工科要求不符

传统的硬件课程设计只是对某一固定的课题进行设计,大部分采用基于89C51单片机进行设计,内容简单,形成了一定的知识体系,教学实践模式相对固定,没有依照现有的新工科的知识和能力来实时调整培养方案,不能实时跟随时代的发展潮流,不能准确地把握现在企业所需要人才的知识储备,导致人才培养滞后于行业结构调整,不符合市场和经济需求。

(二) 课程中模式单一、课题内容落后和技术陈旧

实践教学模型单一,课题落后,传统的硬件课程仅仅通过普通的51单片机对一些传感器实现简单的功能,缺少新工科下对新型的产业形式进行提升和创新,不利于应用型人才的培养质量的提高。在技术方面,传统的技术陈旧,在实际应用中处于产能淘汰阶段,无法适应现在新工科下的人工智能,大数据和机器人等一系列的专业要求,在面对多元化产业需求的基础上,很难引领经济发展势头,无法塑造出卓越人才。

(三) 学科间互动少,综合技能弱,学生创新意识薄弱

新工科是在新一轮的科技革命下针对新兴产业以互联网和工业智能为核心发展的新工科专业[10-11]。涉及到多个学科专业的融合,要求学科间相互交叉,使学生的综合技能变强,提高学生的主动创新意识,提高学生的综合实力,而传统的硬件课程在这方面显得尤为不足,设计单一,学科知识积累少,创新思维受到限制。

二、课程建设举措

新工科背景下对硬件课程设计提出了新的挑战,更加重视对互联网和工业智能的要求,对未来新兴产业要求实践能力更强,创新能力更强的复合人才,这就对硬件课程设计提出了新的要求,为此提出了优化课题体系,更新课程实践内容和构建教学交流平台等建设方案。

(一) 优化课程体系结构

优化硬件课程设计内容体系结构需要遵循新工科背景下创新应用型人才培养要求,进行反向设计,正向实施[12]。课程内容体系结构流程如图1所示。体系具体步骤如下:

图1 新工科背景下硬件课程设计体系实施流程

(1)从总体毕业设计要求中分离出与硬件相关的毕业要求,以此制定硬件课程设计的总体目标。

(2)根据总体目标,确定开设的课程设计项目需求,厘清项目之间的作用,地位和先后衔接关系,形成课程体系层次树。

(3)将总体目标进行分解,分解到每个项目中去,形成每个项目的教学目标。

(4)根据每个项目的教学目标,制定教学大纲,精选教学内容,形成知识树,确定教学方法,确保知识点无遗漏,做到统筹协调,保证知识体系的完整性。

(5)对上面四条进行反向实施,始终以产出目标为导向,以学生为中心,从具体课程出发,直至总体目标的达成。

(二) 更新教学内容

硬件课程设计面向电子信息类全体学生,而每个专业学生的学习兴趣点、知识储备和能力特点均有所不同,因此教学内容从班级、类型、课题和指标方面对设计项目进行分类。

(1)班级分类:依据前测反馈自适应调整课题培养创新应用能力,对专业基础较好以及卓越班级、优势人才等适当增加设计指标难度;

(2)类型分类:课题小组依据学生兴趣、能力特点,课题内容按照相对比例分为软件编程和硬件设计两种类型,学生自行选择课题类型;

(3)课题分类:课题种类按专业方向、设计类别、学科分类等类别增加多样化题目,学生根据难度系数、兴趣特点、小组合作选择课题;

(4)指标分类:设置系统内部模块设计技术方法、编程算法,结合企业需求和开发平台设定具有实用性、创新性指标,实现课题设计指标多元化。

(三) 构建互动平台

整合多方资源,汇集一起,将各个平台的优点集硬件课程设计于一身,采用学习通、B站、微信公众号、慕课等多种方式传授知识。实现师生之间,生生之间的互动,采用开放式交流方式,针对问题集思广益,切实让学生体会到学习的快乐,以及如何更好地提出问题,分析问题和解决问题,使学生受益匪浅。

综合每个平台的优势,利用学习通进行资料发布和教学视频学习,在慕课里分享国内外优秀课程视频,利用B站将历年学生的优秀案例分享出来,采用微信公众号发布项目设计信息及学习内容,学生及时获取最新消息,可以通过提问的方式进行相互交流当前问题,从而形成一个完整的硬件知识体系。

三、课程实施

项目的设定和选择上,充分考虑理论与实践相结合的融合性和灵活性[13]。以及理论指导实践,实践验证理论的层次性、系统性和工程性,在设计内容方面有阶梯性,给学生一定充足的发散空间。

(一) 设计案例

以下将具体分析3周实际项目案例——电动汽车自动驾驶模拟系统实验,主要分为运动控制部分和图像识别部分,通过第一部分的运动控制,让电机以最大的扭矩运行,提高汽车的快速响应性,再根据汽车动力学和运动学,获得汽车的具体运行位置和速度。第二部分主要是图像识别部分,用于检测车辆周围的信息,实现车辆的道路识别和避障功能,实现电动汽车自动驾驶功能。

1.汽车行驶运动控制

该项目通过使用树莓派4代在ROS系统上开发应用电动汽车自动驾驶系统,让学生获得实际操作系统的实践经验。该项目要求从车体设计,电机选型,驱动选择,传感器选型,和电源选型考虑,在ROS系统上进行算法设计。

学生需要线上交流,最终提交方案,在教师指导下完善初始化控制算法并编写代码,实现完整的自动驾驶系统中车辆任务与控制任务的程序。该系统4部分模块,包括信号输入、控制器设计、电机驱动和传感器检测。

除此之外,还需学生通过线上平台资源学习充分理解汽车行驶的状态,根据汽车动力学和运动学,以及电力拖动控制系统的电机控制的理论知识,考虑汽车的行驶工况,通过计算,最终获取汽车的车速,加速度和汽车所处的位置信息。线下调试实验中,通过树莓派上配有的3个按键和2个开关调节车速,实现自动驾驶系统的部分运动控制功能,并配不同的LED颜色显示不同的运行状态。以“课内+课外”混合式教学方式激发学生学习兴趣,提升自主性学习能力。

2.电动汽车图像自动识别控制

为培养工程实践型人才,满足电子类专业人才市场需求,课程设计要求在ESP32开发板上实现一种图像识别算法,即图像识别部分,用于检测车辆周围的信息,实现车辆的道路识别和避障功能,实现电动汽车自动驾驶功能。通过ESP32蓝牙和WiFi功能将数据传到云端,用户端再通过网络访问云端将数据下载到手机里,实现颜色的跟踪和调节。

为增加课程设计内容层次性和灵活性,满足优才更优学生培养,教学形式为教师交流指导、学生小组讨论、自主查阅学习,主要以学生为主体,采用引导性教学。首先,通过智能教学平台推送学习前期内容,学生了解掌握WiFi的网络使用,熟悉计算机网络通信协议,可不定期将数据上传至云端,方便用户下载监控。在此过程中,学生逐渐建立兴趣和信心。在图像识别方面需要熟悉图像处理的设计流程,需要提取彩色不变量,灰度处理,提取特征点,算法剔除误差识别,延迟计算,识别确定。相比汽车行驶运动控制,学生需要了解学科交叉的网络知识和图像处理知识,并提高系统图像处理的实时性。对于工程化课题考核,学生可从实验基本要求获取基础积分,对于电机实现颜色追踪等高阶指标,学生可根据自身情况选择性获取额外积分,提高过程性考核整体效果。通过高阶指标设计过程,培养了学生自主学习能力、工程实践能力,强化了教学中学生创新能力和工程素质的培养。

(二) 实践效果及分析

结合课程教学实践及智能教学平台成绩统计数据,如图2所示。以“自动化专业”积分数据为例,设计总分30分积分,达到21分以上同学占比96%,勇于突破自我认知,通过自主学习,小组讨论,教师指导等环节,获得29分积分的同学高达55%,说明多数学生对课题方向具有较好的兴趣,教师细化课程设计指标,分解难度等级后,多数学生不仅从设计内容基本项中获得相应积分,获得自信心,对于附加项设计学生也体现出学习意愿和拼搏的钻研精神,更有助于后续优才培养,提高应用型培养教学质量。

图2 智能教学平台“自动化”专业课程积分图

四、结束语

本文从课程设计的知识体系,课程中模式单一、课题落后和技术陈旧,师资队伍能力匮乏和学科间互动少,综合技能弱,学生创新意识薄弱方面存在的问题出发,对新工科视域下创新应用型“硬件课程设计”的培养进行研究探讨。加强硬件课程设计中理论与实践结合的连续性和灵活性,加大团队建设,优化课题体系,更新课程实践内容,和构建教学交流平台,重视互联网和工业智能技术的发展,培养出实践能力强,创新能力强的复合人才。培养新工科下的创新人才,适应我国经济发展的必然趋势,提升本科院校对创新人才的培养质量。