電類(lèi)專(zhuān)業(yè)集散式教改探索與智能車(chē)比賽

摘要：面對國家工業(yè)4.0轉型升級,以及產(chǎn)業(yè)對電類(lèi)大學(xué)生專(zhuān)業(yè)能力的需求，為了改善大學(xué)生畢業(yè)時(shí)能力不足、無(wú)法達到企業(yè)要求的狀況，通過(guò)對電類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心能力的集散式教學(xué)改革，探索了基于智能測控系統和智能車(chē)比賽的三融合教學(xué)模式，也即“理論與實(shí)踐融合、集中與分散融合、課內與課外融合”。提出并實(shí)踐了“學(xué)有目標、習有指標、實(shí)做真評、自主學(xué)習”的學(xué)用一體、課內外一體的教學(xué)方法，有效地發(fā)掘了電類(lèi)大學(xué)生的自主學(xué)習動(dòng)力，踐行了華盛頓協(xié)議工程專(zhuān)業(yè)認證的先進(jìn)理念，推動(dòng)了全國大學(xué)生智能車(chē)比賽向更深入的方向發(fā)展。

　　當前工科電類(lèi)大學(xué)生的實(shí)踐能力差、應用所學(xué)知識(理論)解決實(shí)際問(wèn)題的核心基礎能力更差，已屬工科高等學(xué)校的長(cháng)期老大難問(wèn)題，使得學(xué)生、教師、企業(yè)、高校和政府多方面均不滿(mǎn)意，尤其是經(jīng)過(guò)10多年的連續擴招，使得國家需求、社會(huì )期盼與大學(xué)畢業(yè)生真實(shí)能力之間的巨大反差持續擴大，曾經(jīng)行之有效的傳統教學(xué)理念和方法，在當今信息知識爆棚、網(wǎng)絡(luò )發(fā)達的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，面對90、95后大學(xué)生的多樣訴求和個(gè)性，以及來(lái)自校外各方面的導向性指令和目前國內高校的種種體制、機制的困局，實(shí)際上的教學(xué)效果和質(zhì)量令人唏噓，已經(jīng)凸顯出大學(xué)教育與能力培養的一些誤區和弊病。為了改善這一現狀，許多工科高校進(jìn)行了大量的教學(xué)改革、研究和探索，并取得了局部的改良。

　　自2006年我校(河南工業(yè)大學(xué))應邀參加第一屆全國大學(xué)生飛思卡爾智能車(chē)邀請賽以來(lái)，已連續參加了十屆比賽。針對電類(lèi)學(xué)生理論與實(shí)踐均較差的問(wèn)題，以智能車(chē)比賽為抓手，在河南工業(yè)大學(xué)多個(gè)電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)中進(jìn)行了多年、多方位的持續教學(xué)改革，逐漸明晰了提升電類(lèi)專(zhuān)業(yè)核心能力的教學(xué)思路，以河南工業(yè)大學(xué)的自動(dòng)化、測控技術(shù)與儀器等專(zhuān)業(yè)為基礎，進(jìn)行了“集散式”教學(xué)改革，提升了電類(lèi)專(zhuān)業(yè)大學(xué)生核心能力培養的實(shí)際效果，教改取得了令人欣慰的進(jìn)展。

1 電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)集散式教學(xué)改革的迫切性

　　據統計，全國共有558.4萬(wàn)在校工科大學(xué)生(2014數據)，其中自動(dòng)化類(lèi)、電子信息類(lèi)、儀器儀表類(lèi)、電氣工程類(lèi)、計算機信息類(lèi)等電類(lèi)工科在校生約有217.8萬(wàn)，占比39%。

　　普通高等學(xué)校(二本)由于受到人、財、物等條件的限制，在生源、教學(xué)理念、評估、排名、測評機制等方面遇到諸多困局，連年的擴招也導致實(shí)驗教師和設施欠賬較多、工科專(zhuān)業(yè)生師比巨大、新進(jìn)師資大多是從學(xué)校到學(xué)校，缺乏工程經(jīng)歷和經(jīng)驗，大多存在著(zhù)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分離、快餐式、觀(guān)光式實(shí)踐教學(xué)等問(wèn)題;加之科研與教學(xué)考評機制的畸形局限，工科專(zhuān)業(yè)基礎總課時(shí)大幅度減少，使工科大學(xué)生四年學(xué)過(guò)的知識不少，會(huì )用的知識不多，或者獲得的課程知識是支離破碎的，時(shí)常出現“見(jiàn)木不見(jiàn)林”的現象。

　　因此，面對國家產(chǎn)業(yè)轉型和工廠(chǎng)企業(yè)的職業(yè)需求，大學(xué)畢業(yè)生們腹中空空、手足無(wú)措，于是一些人放棄了辛苦4年的專(zhuān)業(yè)而轉行或考研，工科大學(xué)生們從朝氣蓬勃的高中生變成了就業(yè)大軍中的弱勢群體。

　　普通高校如何化解“課程多學(xué)時(shí)少、生均教學(xué)設備不足、實(shí)踐教師貧乏、財政負擔沉重等制約，且短期內不可能得到人、財、物的大幅提升”等困局，逐步提升工科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)質(zhì)量呢?

　　顯然，唯有不斷加大教學(xué)改革、創(chuàng )新思維模式、從內涵建設中尋找突破口。

　　在此背景下，河南工業(yè)大學(xué)不斷探索工科專(zhuān)業(yè)建設的新路子，正視90后大學(xué)生的成長(cháng)特點(diǎn)，按照工科專(zhuān)業(yè)能力培養的規律辦學(xué)，吸收國際上先進(jìn)的教學(xué)理念——華盛頓協(xié)議，基于全國大學(xué)生智能車(chē)比賽等賽事，進(jìn)行了多年的電類(lèi)工程專(zhuān)業(yè)集散式教學(xué)改革，在智能測控系統(涵蓋MCUC語(yǔ)言模數電路等)等電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎類(lèi)課程教改中取得了較好的進(jìn)展，使得參與教改學(xué)生們的專(zhuān)業(yè)能力得到了較顯著(zhù)地提升，對畢業(yè)后的職業(yè)競爭有了更多的優(yōu)勢。

2 集散式學(xué)用一體教改實(shí)踐思路

　　教育部副部長(cháng)杜占元2014年4月部署重點(diǎn)工作時(shí)指出，高等學(xué)校應從發(fā)展方式、培養類(lèi)型結構、培養模式、人才評價(jià)方式四個(gè)方面深化教育改革。即從過(guò)去注重規模轉變?yōu)樽⒅刭|(zhì)量提升;從注重知識學(xué)習轉變?yōu)橹R學(xué)習和能力培養并重;從注重在學(xué)培養質(zhì)量轉變?yōu)樵趯W(xué)培養質(zhì)量與畢業(yè)后的職業(yè)發(fā)展質(zhì)量并重。

　　電類(lèi)專(zhuān)業(yè)“集散式學(xué)用一體”教改，主要是針對普通高?！皩W(xué)生多教師少、實(shí)踐教師貧乏、動(dòng)手能力差”等困局，以智能車(chē)比賽等全國大學(xué)生專(zhuān)業(yè)比賽為抓手，對智能測控(MCU微控制器)類(lèi)課程進(jìn)行了綜合教學(xué)改革，通過(guò)“理論實(shí)踐一體、集中引導講評、分散自主實(shí)踐”的教改實(shí)踐，對具體的工程應用系統進(jìn)行了簡(jiǎn)化和提煉，著(zhù)力對“精細、小型、真實(shí)智能控制系統的實(shí)做能力”的培養，探索工科電類(lèi)學(xué)生知識與核心能力并重的集散式培養新路子。

　　集散式學(xué)用一體教學(xué)改革的關(guān)鍵是三個(gè)融合：“理論與實(shí)踐融合、集中與分散融合、課內與課外融合”。

2.1 理論與實(shí)踐相融合

　　聚焦電類(lèi)學(xué)生核心能力培養，以嵌入式微控制技術(shù)(MCU)領(lǐng)引教學(xué)改革，建立適宜學(xué)生自主研討學(xué)習的專(zhuān)用教室，進(jìn)行“同一教師、同一場(chǎng)地進(jìn)行理論+實(shí)踐教學(xué)一體化”教改實(shí)踐，探索“實(shí)踐-理論-再實(shí)踐-再理論”的螺旋式質(zhì)量提升教學(xué)路子，努力化解理論課、實(shí)踐課分離導致的理論實(shí)驗兩張皮、實(shí)驗變虛驗的弊端。

2.2 集中與分散相融合

　　主要是針對普通高校受人財物限制，專(zhuān)業(yè)課學(xué)時(shí)過(guò)少，生師比過(guò)大，教學(xué)資源不足并且短期內無(wú)法改善等問(wèn)題，努力實(shí)現每生一套低成本實(shí)驗裝置，探索課內集中講評、分散分組實(shí)做，探索有指導、有約束的開(kāi)放式、學(xué)生半自主學(xué)習模式，不局限在實(shí)驗教室，一個(gè)學(xué)期內每位學(xué)生可以借出實(shí)驗板套件，帶離教室，自主安排課程實(shí)踐的難度和進(jìn)度。

2.3 課內與課外相融合

　　針對課程及實(shí)驗學(xué)時(shí)少、實(shí)驗教師不足、而學(xué)生又有大量的課余時(shí)間和充沛的精力無(wú)處應用的問(wèn)題，改革目前的教學(xué)模式，充分利用學(xué)生的課外時(shí)間，在課程開(kāi)始之初，根據學(xué)生的能力混合分組、學(xué)生和任課教師共同商議可以實(shí)做真評的結課實(shí)物大作業(yè)，例如三輪智能車(chē)、無(wú)線(xiàn)遙控智能車(chē)、超聲波導航智能車(chē)、雙輪自平衡智能車(chē)等，布置課內外預習和實(shí)踐任務(wù)，加強課內外的講評、研討，鼓勵學(xué)生上講臺，力圖將學(xué)生的大量課余時(shí)間和注意力吸引過(guò)來(lái)，使他們遠離網(wǎng)絡(luò )游戲，將課余時(shí)間用于專(zhuān)業(yè)知識與核心能力的培養。

3 智能車(chē)比賽是集散式教學(xué)改革的高效抓手

　　當今大學(xué)的教育對象是90、95后大學(xué)生，教學(xué)應該適應他們的成長(cháng)特點(diǎn)和學(xué)習訴求：90后年輕人的學(xué)習和做事目標性極強，但又較易受網(wǎng)絡(luò )和外界的干擾，看不清的事寧可不做，“再等等?這門(mén)課有用嗎?有趣嗎?能自主學(xué)習嗎?”是每一位教師經(jīng)常遇到的問(wèn)題，因此，面臨大學(xué)生畢業(yè)后的職業(yè)生涯和專(zhuān)業(yè)訴求，教師應跳出單一課程的知識局限，站在國家產(chǎn)業(yè)前景和學(xué)生職業(yè)發(fā)展的高度去組織教學(xué)、教授課程，為懵懵懂懂學(xué)習的大學(xué)生指出較清晰的職業(yè)發(fā)展前景。

　　在當今智能網(wǎng)絡(luò )信息時(shí)代，智能測控技術(shù)(MCU)具有重要的核心地位，它是提升產(chǎn)品智能化、網(wǎng)絡(luò )化和產(chǎn)品附加值的核心技術(shù)，微控制系統(MCU)通常嵌入在各種數字化產(chǎn)品內部，使其具有智能化的功能，可以講，沒(méi)有微控制系統(MCU)就沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )化、智能化和數字化，MCU是手機、IC卡、智能外設、變頻家電、機器人等幾乎所有“智能”電器、電子設備的心臟;所以，微制控系統(MCU)也是“中國制造——中國創(chuàng )造”的產(chǎn)業(yè)升級的必由之路，人才需求巨大，顯然，智能測控類(lèi)技術(shù)課程是十分有用的。

　　伴隨智能時(shí)代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日益廣泛和深入，由教育部、自動(dòng)化教指委和飛思卡爾公司共同倡導“全國大學(xué)生智能車(chē)比賽”經(jīng)過(guò)10年的運行，已經(jīng)深入到國內的幾百所高校，成為電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)大學(xué)生關(guān)注度、公正性和參與度最高的比賽之一。從電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)教學(xué)的角度，智能車(chē)比賽幾乎涉及到電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)的眾多基礎和專(zhuān)業(yè)知識，智能車(chē)本身就是一個(gè)集傳感檢測、微控制器、計算機軟件、智能算法、模數電、電力電子、自動(dòng)控制理論等于一體的光機電復雜系統，幾乎可覆蓋電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)的大部分課程和知識，是真實(shí)智能測控系統的一個(gè)實(shí)體濃縮，且經(jīng)過(guò)10多屆的比賽積淀，比賽模式和軟硬件積累日趨豐富和多樣，顯然，智能車(chē)比賽是有趣的、能自主改進(jìn)的。

　　因此，河南工業(yè)大學(xué)以智能車(chē)比賽作為電類(lèi)工科教學(xué)的實(shí)踐藍本，積極參加了全國第一屆智能車(chē)比賽，該賽2006年在清華大學(xué)舉行，在120個(gè)參賽隊中河南工業(yè)大學(xué)曾獲得到第19名的成績(jì)，現已連續參加了10屆比賽，參加培養的學(xué)生逐年增多。

　　多年來(lái)，河南工業(yè)大學(xué)一直將智能車(chē)比賽作為電類(lèi)工科學(xué)生的主力賽事去組織，并在自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設了《微控制器原理及應用》、在測控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)開(kāi)設了《智能測控系統》等課程。建立了河南工業(yè)大學(xué)—美國飛思卡爾MCU聯(lián)合實(shí)驗室，在飛思卡爾大學(xué)計劃的支持下，建立了360m2的大學(xué)生創(chuàng )新實(shí)踐研究中心，先后有20多位教師參與全國比賽的指導和培訓，每年吸引了眾多的電類(lèi)本科生參與競賽活動(dòng)，極大地提升了參與學(xué)生的電類(lèi)基礎能力和專(zhuān)業(yè)素質(zhì)，許多參賽學(xué)生在畢業(yè)時(shí)獲得了良好的專(zhuān)業(yè)自信，大部分學(xué)生在本專(zhuān)業(yè)崗位就業(yè)，許多剛畢業(yè)的學(xué)生薪金超出了指導教師們;部分學(xué)生由于良好的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐能力，在考研復試時(shí)脫穎而出，甚至后來(lái)者居上，成功考取了心儀高校的碩士研究生和博士研究生。

　　河南工業(yè)大學(xué)已將相關(guān)教學(xué)改革和實(shí)踐的成果進(jìn)行了總結，組織編寫(xiě)了多本基于飛思卡爾8位、16位、32位微控制器的智能控制教材，推動(dòng)了全國大學(xué)生智能車(chē)比賽的開(kāi)展。

4 集散式教改推進(jìn)智能車(chē)比賽的廣度和深度

　　為了適應國內嵌入式智能控制系統的職業(yè)要求，根據國家、師生、產(chǎn)業(yè)界提升本科教學(xué)質(zhì)量和專(zhuān)業(yè)能力的要求，將集散式學(xué)用一體的教改思路與全國大學(xué)生智能車(chē)比賽進(jìn)行了融合，目的是使得更多的大學(xué)生能夠從中受益。

　　近幾年，河南工業(yè)大學(xué)將智能車(chē)比賽進(jìn)行了細化，出于比賽成本和擴大受益面的考慮，將其分為初級、中級和競賽等3個(gè)層次和階段，將智能車(chē)比賽的原則和機理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在達到相關(guān)課程基本標準的前提下，使得每個(gè)學(xué)生可自己設定適合的智能車(chē)實(shí)踐等級，要求每生應完成真刀真槍的智能車(chē)制作，且智能車(chē)實(shí)物應可動(dòng)、可觀(guān)測等。

　　另一方面，由于無(wú)人自動(dòng)駕駛電動(dòng)車(chē)和無(wú)人機的快速發(fā)展，尤其是物聯(lián)網(wǎng)+、工業(yè)4.0的理念日益深入人心，河南工業(yè)大學(xué)嘗試將智能車(chē)比賽的智能算法、無(wú)線(xiàn)傳輸、圖像處理等技術(shù)引入到了高年級的教學(xué)和畢業(yè)設計中，使智能車(chē)大賽的技術(shù)能夠更深的融入電類(lèi)工科本科教育之中，領(lǐng)引相關(guān)的教學(xué)改革進(jìn)程。

　　經(jīng)過(guò)多輪、多層次的智能車(chē)比賽和教學(xué)改革，有效地吸引了大學(xué)低年級的學(xué)生，2015年學(xué)校參加智能車(chē)大賽的均是大一大二的學(xué)生，幾個(gè)參賽隊均獲得華北(北京)分區賽二等獎，盡管成績(jì)比往年成績(jì)稍低，學(xué)校認為引導低年級學(xué)生盡早接觸智能車(chē)比賽的綜合智能測控技術(shù)，提升低年級的專(zhuān)業(yè)興趣、明晰當今智能網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的大趨勢和技術(shù)發(fā)展脈絡(luò )，并為相關(guān)課程教學(xué)的順利開(kāi)展奠定基礎，比獲得幾項比賽大獎更重要、更符合開(kāi)展全國大學(xué)生智能車(chē)比賽的初衷，也有利于推進(jìn)電類(lèi)工科專(zhuān)業(yè)的教學(xué)改革和智能車(chē)比賽向更廣和更深的方向發(fā)展。

5 智能車(chē)比賽和教改有利于促進(jìn)工程專(zhuān)業(yè)認證

　　華盛頓協(xié)議是國際上通行的工科專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)生的質(zhì)量標準，是近幾年我國教育部針對各工科專(zhuān)業(yè)本科畢業(yè)質(zhì)量的新一輪認證。

　　2015年4月新修訂的中文版華盛頓協(xié)議指南中特別指出：

　　● 每個(gè)工科畢業(yè)生應具有解決復雜工程問(wèn)題的基本能力，且通篇體現之;

　　● 強調學(xué)生能學(xué)到什么(不是老師教過(guò)什么);

　　● 以畢業(yè)生的核心能力與職業(yè)要求為導向并注重質(zhì)量的持續改進(jìn)。

　　這三個(gè)要求也是國內高校工科(包括電類(lèi)等)專(zhuān)業(yè)培養的最薄弱部分。

　　顯然，全國大學(xué)生智能車(chē)比賽的載體是自動(dòng)駕駛，是體現了人工智能的復雜工程裝置，它集成應用了光、機、電、軟硬件等多個(gè)工科專(zhuān)業(yè)的基礎核心知識，非常適合于工科學(xué)生的學(xué)習和實(shí)踐，也更貼和華盛頓協(xié)議的12項認證標準，有利于支撐電類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)的相關(guān)改革。

　　同時(shí)，參與智能車(chē)比賽的眾多專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化類(lèi)、電子信息類(lèi)、儀器儀表類(lèi)、電氣工程類(lèi)、計算機信息類(lèi)、機電類(lèi)等，均已列入華盛頓協(xié)議(中國)認證專(zhuān)業(yè)目錄，如何落實(shí)協(xié)議的12項認證標準，將是未來(lái)中國高校工科專(zhuān)業(yè)教學(xué)及教學(xué)改革的指揮棒，河南工業(yè)大學(xué)已在這些方面進(jìn)行了有益有效的教改探索。

　　因此、深入地開(kāi)展智能車(chē)比賽和集散式教學(xué)改革，應用國際上先進(jìn)工科專(zhuān)業(yè)認證教學(xué)理念，積極進(jìn)行相關(guān)課程的改革、實(shí)踐創(chuàng )新，一定會(huì )促進(jìn)國內電類(lèi)工科教學(xué)質(zhì)量的提高，也有利于相關(guān)專(zhuān)業(yè)推進(jìn)教育部新一輪的華盛頓工程教育專(zhuān)業(yè)認證工作。

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