新工科背景下新形态竞赛教材建设

张家亮 郭志强 王永圣

(武汉理工大学 信息工程学院,武汉 430070)

新工科是为培养应对新一轮科技革命的工程人才所做出的大规模高等教育教学变革[1],人才培养模式的改革,涉及内容和形式问题。教学方法的改革,归根到底要落实到教学资源和教材的建设上来[2]。教材是传递专业课程核心理念的媒介以及体现专业课程教学内容和方法的主要载体。新工科教育对于学习资源的匹配,促使纸质教材和数字课程从彼此割裂走向全面融合,线下线上相结合的教学资源服务体系、丰富多样的出版手段将成为教育出版的新形态[2]。学科竞赛作为创新创业教育体系的重要组成部分,其目的是培养大学生实践能力和创新能力[3],学科竞赛的人才培养模式也必须紧跟时代发展,高素质应用型人才培养的目标和教育信息化建设的推进,对专业教材建设提出了更高的要求。因此,推动学科竞赛教学数字化转型,建设高水平新形态教材,探索新的人才培养模式和途径已势在必行。如何通过教材提升参赛学生的学习兴趣,强化实践教学成果,为学生自主学习提供助力值得深入研究。

1 电子信息类学科竞赛教材现状

近年来,以学生创新和实践能力以及竞赛技能培养为核心的培训指导资料和教材一直是各高校的研究重点之一,例如文献[4]提出了互联网+教材+竞赛的教学模式,通过教材建设与互联网资源相融合的方式进行课程体系建设[4];但更多的研究集中在面向创新人才培养的实验室管理、开放模式、平台建设、科研与可承接性、课程内容改革、创新课程体系建设等方面,例如文献[5]提出建设信息类学科竞赛综合训练平台[5],文献[6]则对信息类学科竞赛的管理模式提出了改革建议[6]。由此可见,面向电子信息类学科竞赛的数字化、立体化新形态教材建设的研究尚处于起步阶段。经调研,当前在信息类学科竞赛培训中常用的教材主要包含以下三种类型:①优秀竞赛论文集和竞赛案例分析;②竞赛技能培训相关的基础教材;③竞赛概述和备赛指南。这类教材的优点是内容客观、适配性较强,但是也存在知识点笼统、不能按等级选材教学的缺点。以此类教材为核心的课堂教学可能会导致学生成为被动接受知识的容器,显然已不能满足知识快速更新迭代、体系交叉融合的新工科时代对学科竞赛教材的要求。

现代教材的功能正由“为教服务”向“为学服务”转化。许多新编的教材不仅将教材当作学习资源,更强调结合教学内容和学习过程,使课本同时成为学习的指南[2],数字化、多形态化是未来高校教材发展的方向。电子信息类学科竞赛旨在培养学生的创新实践能力,竞赛类型丰富、参赛学生的专业和年级多样化也增大了教学难度,因此,对面向电子信息类学科竞赛的新形态教材的研究具有重要的意义。

2 新形态教材设计

根据分析,电子信息类学科竞赛对学生培养需注重三点:①实践能力:不仅需要掌握扎实的理论基础,更需要具备较好的动手操作能力和丰富的实践经验;②综合应用能力:具备应用所学知识和实践技能,分析并解决实际问题的能力;③创新能力:具备自主设计并实现系统方案的能力。本文以此三点需求为基础,针对当前竞赛教材的短板,基于新工科建设下教育教学全面变革的形势要求,合理设计项目、任务、案例等多样化内容[7],提供包括文字、短视频、长视频等多种形式,融入实践案例、训练套件、指导书、应用代码库等多类工具,按照内在逻辑编排理论知识与实践教学资源,构建“理论基础知识强化、综合应用能力培养、创新实践能力提升”的新形态教材体系,为学科竞赛教学的数字化转型提供教材支持。新形态电子信息类学科竞赛教材体系如图1所示。

图1 新形态电子信息类学科竞赛教材体系

2.1 基础理论强化

理论是实践的基础,熟练掌握基础才能在实践过程中游刃有余,得心应手。电子信息类学科竞赛的学生来自相关学科不同专业和年级,具备一定的专业课理论基础,但水平参差不齐,因此,完善并强化理论基础是学科竞赛培训的首要任务。强化理论基础一方面通过纸质教材+短视频等手段解析创新实践中涉及的理论知识和实践经验,另一方面通过题库和验证实验等手段,使学生通过实践进一步加深对基础理论的理解。

1)知识点短视频

围绕竞赛中所涉及的基础理论知识点和实践经验,制作成3～5 min的Flash动画或短视频,并按学科内容、理论深度等维度建立视频集。视频内容以竞赛实践应用所需的知识点为主,将不易通过文字、图表等传统方式表达的内容,通过通俗易懂、生动有趣的形式进行讲述。这一类视频始终站在初学者视角进行理论讲述,控制讲解深度、视频时长,使学生可以充分利用碎片化时间学习,提升自主学习的兴趣和效率。短视频教材的加入,不仅意味着教材的数字化,同时也为线上教学提供了便利。

2)基础理论在线题库

通过对竞赛知识体系的梳理,设计一套以基础为主,包含理论知识、程序设计和经验技巧等类别的在线题库供学生训练用。其中理论知识包括电路系统设计中涉及的器件指标、电路结构原理、参数计算等内容。例如运算放大器的输入失调电压将会对运放的工作产生什么影响,在设计时如何计算失调电压对电路造成的误差,如何合理选择满足使用条件的运算放大器等;程序设计包括常见数据结构使用、算法实现、小型任务函数编写等内容,例如常见的数值滤波算法、数据插入算法、器件驱动函数等;程序设计包括常见数据结构使用、算法实现、小型任务函数编写等内容;经验技巧类训练题包括器件选择逻辑、器件和电路容差、电路设计和布局布线原则等知识点。题库会根据竞赛动态及学生训练情况反馈等信息不断更新和优化。

3)实验验证电路板

基于信息类学科竞赛教学的实践性背景,实践性学习材料的匹配也是需要考虑的重点之一。设计一批基础实验电路板,支持学生通过对电路板参数调整和实验测试,对一些不直观、难理解的知识内容进行实验验证。针对实验板设计和编写一套实验教程,将实验方案、测试流程、实验结果和实验结论等内容进行详细阐述。实验板要求具有一定的开放性,允许学生进行部分参数的设计,通过参数修改和调整,可以产生不同结果对比,用直观的实验现象加深对理论知识的理解。同时,验证实验是学生从理论学习到创新实践的一个过渡,通过大量的验证实验,一方面提高了学生对理论知识的掌握程度,另一方面也给与学生丰富的实践锻炼,为下一步进行独立设计实践打下良好的基础。

短视频、在线题库以及验证性实验套件三种形式的教材相结合,可以很好地满足学生强化和巩固基础知识的需求。

2.2 综合应用能力培养

培养学生的综合应用能力是提升学生专业素质的重点之一,也是学科竞赛的主要目标。教师在学科竞赛的教学中,以探索性实验项目开展教学,对经典系统模块进行原理分析讲解和实践应用指导。学生可以通过分析和测试实验套件的性能指标,使用实验套件设计和搭建电路系统,完成指定的训练项目,提高实践能力和综合应用能力。

1) 实验项目解析

设计一系列探索性实验项目,通过时长15 min左右的视频对经典模块或子系统的功能点、电路、实验原理等进行解说,视频内容以分享设计经验及工程经验为主,用生动有趣的视频解说让学生学习经典模块的方案设计思路和经验,具备初步的设计思维和实践能力。15 min视频的特点是内容简短易懂、生动有趣,可以极大程度地调动学生的学习兴趣,也不会因为内容冗长而加深学习难度。

2) 探索性试验套件

通过将一系列实验培训项目进行合理分解,提炼出一批基础性电路模块,以此为基础,设计以训练板、例程、电路图、指导文档等为形式,以赛题部分方案中的经典模块为核心内容的实验套件。学生可以基于此套件进行模块的功能验证试验,并通过视频解说和扩展板等形式,引导并鼓励学生进行多模块综合应用。探索性实验是培养学生综合应用能力最有效的方式之一,而实验套件是不可或缺的辅助工具。

本阶段的教材主要以指导性为主,视频解析与实验套件配合使用,可以让学生通过学习具备初步的综合应用能力。

2.3 创新实践能力提升

传统的课堂教学和教材普遍存在重理论、轻实践的问题,而创新能力是在不断地解决实际问题的过程中锻炼、培养出来的[8],所以在学科竞赛教学过程中,要重视实践教学,通过扩展训练套件和辅助资源为学生创造实践综合性、设计性实验的条件,从而激发学生的兴趣和探索欲,达到提升创新实践能力的目的。

1) 拓展实训平台

拓展实训平台由设计案例分析、设计报告、单元电路模块、驱动程序和实训项目集这几部分组成。通过长视频+设计报告的形式进行经典案例解析,并在讲解过程中通过提问引导学生对设计原理和设计思路进行思考,引导学生参与到方案的设计中。提供丰富的单元电路模块和驱动程序有三个目的:①为学生提供学习和实践资源,学生在进行子系统设计时,具备完善的辅助资源,可以专注于功能实现和参数指标优化,例如在进行ADC采集单元硬件设计时,学生可使用驱动程序库对单元电路进行控制和数据采集,只需专心设计电路单元,优化ADC的采集指标即可;②作为学生拓展训练的学习模板,通过分析经典单元电路模块和驱动程序的设计原理,测试其性能指标引导学生设计实现性能指标接近,或者更好的子系统模块,促进学生对系统结构、工作原理和实践方案的深刻理解;③学生在进行综合实训过程中,通过设计实现系统中核心的模块,再配合使用部分已有的电路模块完成完整的系统设计,集中精力解决项目中的关键问题,提高学习和训练的效率。通过收集整理历年经典竞赛项目,以及当前技术发展热点问题,提炼出设计实践课题,形成实训项目集,学生可以根据课题类型选择合适的项目进行综合训练,培养系统设计、实现和调试的能力。

2) 设计资源库

将竞赛培训中积累大量的设计资源,通过收集和整理归类,构建设计参考资源库,包含常用的器件库、设计说明文档、电路设计文件、实验测试程序等。引导学生充分利用设计资源库进行拓展训练或综合项目设计实现,可有效减少重复设计工作,提高训练效率。设计资源库的建设还支持和鼓励参训学生将自己设计的优质资源加入进去,一方面丰富设计资源库的内容,另一方面锻炼学生的成就感和集体荣誉感,提升学生自主设计的能力和规范性,促进学生创新能力培养。

3 新形态教材建设展望

在新工科建设的形势下,电子信息类学科竞赛作为实践类人才培养的重要学科之一,其教材的改革已势在必行。本文研究的教材旨在改变当前面向电子信息类学科竞赛的数字化、立体化新形态教材短缺的现状,同时也期望促进学科竞赛培训资料的系统化和规范化。本教材建设完成并投入使用后,预期可取得如下成效:①提高学生学习效率和效果:短视频、Flash动画等教程支持学生利用碎片化时间进行学习,丰富的线上资源支持学生多次学习加深理解;②提升学生创新实践能力:本教材以实践教学为核心,围绕实践教学设计的实验套件、案例分析、资源库等都为创新型人才的培养创造了条件;③提升学生自主学习能力:在线题库、资源库、实训项目等教材内容都是以引导为主,为学生提供自主学习的资源、创造条件,旨在培养学生学以致用等能力;④未来可将线上资源整合成数字化教学平台,促进信息类学科竞赛教学的数字化转型,培养出更符合新工科建设的人才培养目标设定的应用型人才。

4 结语

在新工科建设的要求下,针对电子信息类学科竞赛教学新形态教材缺乏的现状,以推动教育教学数字转型,建设高水平新型教材为目标,结合现有的学科竞赛教学体系,建设包含文档、短视频、长视频、实验平台、实训套件、实践案例、设计资源库等形式和内容的新形态教材,可为线上教学和学生自学提供丰富的学习资源和实践指引,期望实现促进学科竞赛教学,提升高素质应用型人才培养的目标。