電類專業(yè)集散式教改探索與智能車比賽

摘要：面對國家工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型升級,以及產(chǎn)業(yè)對電類大學(xué)生專業(yè)能力的需求，為了改善大學(xué)生畢業(yè)時能力不足、無法達(dá)到企業(yè)要求的狀況，通過對電類專業(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(tǒng)和智能車比賽的三融合教學(xué)模式，也即“理論與實踐融合、集中與分散融合、課內(nèi)與課外融合”。提出并實踐了“學(xué)有目標(biāo)、習(xí)有指標(biāo)、實做真評、自主學(xué)習(xí)”的學(xué)用一體、課內(nèi)外一體的教學(xué)方法，有效地發(fā)掘了電類大學(xué)生的自主學(xué)習(xí)動力，踐行了華盛頓協(xié)議工程專業(yè)認(rèn)證的先進理念，推動了全國大學(xué)生智能車比賽向更深入的方向發(fā)展。

　　當(dāng)前工科電類大學(xué)生的實踐能力差、應(yīng)用所學(xué)知識(理論)解決實際問題的核心基礎(chǔ)能力更差，已屬工科高等學(xué)校的長期老大難問題，使得學(xué)生、教師、企業(yè)、高校和政府多方面均不滿意，尤其是經(jīng)過10多年的連續(xù)擴招，使得國家需求、社會期盼與大學(xué)畢業(yè)生真實能力之間的巨大反差持續(xù)擴大，曾經(jīng)行之有效的傳統(tǒng)教學(xué)理念和方法，在當(dāng)今信息知識爆棚、網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)時代，面對90、95后大學(xué)生的多樣訴求和個性，以及來自校外各方面的導(dǎo)向性指令和目前國內(nèi)高校的種種體制、機制的困局，實際上的教學(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(yǎng)的一些誤區(qū)和弊病。為了改善這一現(xiàn)狀，許多工科高校進行了大量的教學(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(yīng)邀參加第一屆全國大學(xué)生飛思卡爾智能車邀請賽以來，已連續(xù)參加了十屆比賽。針對電類學(xué)生理論與實踐均較差的問題，以智能車比賽為抓手，在河南工業(yè)大學(xué)多個電類工科專業(yè)中進行了多年、多方位的持續(xù)教學(xué)改革，逐漸明晰了提升電類專業(yè)核心能力的教學(xué)思路，以河南工業(yè)大學(xué)的自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)為基礎(chǔ)，進行了“集散式”教學(xué)改革，提升了電類專業(yè)大學(xué)生核心能力培養(yǎng)的實際效果，教改取得了令人欣慰的進展。

1 電類工科專業(yè)集散式教學(xué)改革的迫切性

　　據(jù)統(tǒng)計，全國共有558.4萬在校工科大學(xué)生(2014數(shù)據(jù))，其中自動化類、電子信息類、儀器儀表類、電氣工程類、計算機信息類等電類工科在校生約有217.8萬，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(dǎo)致實驗教師和設(shè)施欠賬較多、工科專業(yè)生師比巨大、新進師資大多是從學(xué)校到學(xué)校，缺乏工程經(jīng)歷和經(jīng)驗，大多存在著理論教學(xué)與實踐教學(xué)分離、快餐式、觀光式實踐教學(xué)等問題;加之科研與教學(xué)考評機制的畸形局限，工科專業(yè)基礎(chǔ)總課時大幅度減少，使工科大學(xué)生四年學(xué)過的知識不少，會用的知識不多，或者獲得的課程知識是支離破碎的，時常出現(xiàn)“見木不見林”的現(xiàn)象。

　　因此，面對國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和工廠企業(yè)的職業(yè)需求，大學(xué)畢業(yè)生們腹中空空、手足無措，于是一些人放棄了辛苦4年的專業(yè)而轉(zhuǎn)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)時少、生均教學(xué)設(shè)備不足、實踐教師貧乏、財政負(fù)擔(dān)沉重等制約，且短期內(nèi)不可能得到人、財、物的大幅提升”等困局，逐步提升工科專業(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(nèi)涵建設(shè)中尋找突破口。

　　在此背景下，河南工業(yè)大學(xué)不斷探索工科專業(yè)建設(shè)的新路子，正視90后大學(xué)生的成長特點，按照工科專業(yè)能力培養(yǎng)的規(guī)律辦學(xué)，吸收國際上先進的教學(xué)理念——華盛頓協(xié)議，基于全國大學(xué)生智能車比賽等賽事，進行了多年的電類工程專業(yè)集散式教學(xué)改革，在智能測控系統(tǒng)(涵蓋MCUC語言模數(shù)電路等)等電類專業(yè)的基礎(chǔ)類課程教改中取得了較好的進展，使得參與教改學(xué)生們的專業(yè)能力得到了較顯著地提升，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)用一體教改實踐思路

　　教育部副部長杜占元2014年4月部署重點工作時指出，高等學(xué)校應(yīng)從發(fā)展方式、培養(yǎng)類型結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)模式、人才評價方式四個方面深化教育改革。即從過去注重規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刭|(zhì)量提升;從注重知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹R學(xué)習(xí)和能力培養(yǎng)并重;從注重在學(xué)培養(yǎng)質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)樵趯W(xué)培養(yǎng)質(zhì)量與畢業(yè)后的職業(yè)發(fā)展質(zhì)量并重。

　　電類專業(yè)“集散式學(xué)用一體”教改，主要是針對普通高校“學(xué)生多教師少、實踐教師貧乏、動手能力差”等困局，以智能車比賽等全國大學(xué)生專業(yè)比賽為抓手，對智能測控(MCU微控制器)類課程進行了綜合教學(xué)改革，通過“理論實踐一體、集中引導(dǎo)講評、分散自主實踐”的教改實踐，對具體的工程應(yīng)用系統(tǒng)進行了簡化和提煉，著力對“精細(xì)、小型、真實智能控制系統(tǒng)的實做能力”的培養(yǎng)，探索工科電類學(xué)生知識與核心能力并重的集散式培養(yǎng)新路子。

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

2.1 理論與實踐相融合

　　聚焦電類學(xué)生核心能力培養(yǎng)，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(xí)的專用教室，進行“同一教師、同一場地進行理論+實踐教學(xué)一體化”教改實踐，探索“實踐-理論-再實踐-再理論”的螺旋式質(zhì)量提升教學(xué)路子，努力化解理論課、實踐課分離導(dǎo)致的理論實驗兩張皮、實驗變虛驗的弊端。

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，專業(yè)課學(xué)時過少，生師比過大，教學(xué)資源不足并且短期內(nèi)無法改善等問題，努力實現(xiàn)每生一套低成本實驗裝置，探索課內(nèi)集中講評、分散分組實做，探索有指導(dǎo)、有約束的開放式、學(xué)生半自主學(xué)習(xí)模式，不局限在實驗教室，一個學(xué)期內(nèi)每位學(xué)生可以借出實驗板套件，帶離教室，自主安排課程實踐的難度和進度。

2.3 課內(nèi)與課外相融合

　　針對課程及實驗學(xué)時少、實驗教師不足、而學(xué)生又有大量的課余時間和充沛的精力無處應(yīng)用的問題，改革目前的教學(xué)模式，充分利用學(xué)生的課外時間，在課程開始之初，根據(jù)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做真評的結(jié)課實物大作業(yè)，例如三輪智能車、無線遙控智能車、超聲波導(dǎo)航智能車、雙輪自平衡智能車等，布置課內(nèi)外預(yù)習(xí)和實踐任務(wù)，加強課內(nèi)外的講評、研討，鼓勵學(xué)生上講臺，力圖將學(xué)生的大量課余時間和注意力吸引過來，使他們遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)游戲，將課余時間用于專業(yè)知識與核心能力的培養(yǎng)。

3 智能車比賽是集散式教學(xué)改革的高效抓手

　　當(dāng)今大學(xué)的教育對象是90、95后大學(xué)生，教學(xué)應(yīng)該適應(yīng)他們的成長特點和學(xué)習(xí)訴求：90后年輕人的學(xué)習(xí)和做事目標(biāo)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?這門課有用嗎?有趣嗎?能自主學(xué)習(xí)嗎?”是每一位教師經(jīng)常遇到的問題，因此，面臨大學(xué)生畢業(yè)后的職業(yè)生涯和專業(yè)訴求，教師應(yīng)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(xí)的大學(xué)生指出較清晰的職業(yè)發(fā)展前景。

　　在當(dāng)今智能網(wǎng)絡(luò)信息時代，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(tǒng)(MCU)通常嵌入在各種數(shù)字化產(chǎn)品內(nèi)部，使其具有智能化的功能，可以講，沒有微控制系統(tǒng)(MCU)就沒有網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化，MCU是手機、IC卡、智能外設(shè)、變頻家電、機器人等幾乎所有“智能”電器、電子設(shè)備的心臟;所以，微制控系統(tǒng)(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，智能測控類技術(shù)課程是十分有用的。

　　伴隨智能時代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、車聯(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、自動化教指委和飛思卡爾公司共同倡導(dǎo)“全國大學(xué)生智能車比賽”經(jīng)過10年的運行，已經(jīng)深入到國內(nèi)的幾百所高校，成為電類工科專業(yè)大學(xué)生關(guān)注度、公正性和參與度最高的比賽之一。從電類工科專業(yè)教學(xué)的角度，智能車比賽幾乎涉及到電類工科專業(yè)的眾多基礎(chǔ)和專業(yè)知識，智能車本身就是一個集傳感檢測、微控制器、計算機軟件、智能算法、模數(shù)電、電力電子、自動控制理論等于一體的光機電復(fù)雜系統(tǒng)，幾乎可覆蓋電類工科專業(yè)的大部分課程和知識，是真實智能測控系統(tǒng)的一個實體濃縮，且經(jīng)過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，智能車比賽是有趣的、能自主改進的。

　　因此，河南工業(yè)大學(xué)以智能車比賽作為電類工科教學(xué)的實踐藍(lán)本，積極參加了全國第一屆智能車比賽，該賽2006年在清華大學(xué)舉行，在120個參賽隊中河南工業(yè)大學(xué)曾獲得到第19名的成績，現(xiàn)已連續(xù)參加了10屆比賽，參加培養(yǎng)的學(xué)生逐年增多。

　　多年來，河南工業(yè)大學(xué)一直將智能車比賽作為電類工科學(xué)生的主力賽事去組織，并在自動化專業(yè)開設(shè)了《微控制器原理及應(yīng)用》、在測控技術(shù)與儀器專業(yè)開設(shè)了《智能測控系統(tǒng)》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)新實踐研究中心，先后有20多位教師參與全國比賽的指導(dǎo)和培訓(xùn)，每年吸引了眾多的電類本科生參與競賽活動，極大地提升了參與學(xué)生的電類基礎(chǔ)能力和專業(yè)素質(zhì)，許多參賽學(xué)生在畢業(yè)時獲得了良好的專業(yè)自信，大部分學(xué)生在本專業(yè)崗位就業(yè)，許多剛畢業(yè)的學(xué)生薪金超出了指導(dǎo)教師們;部分學(xué)生由于良好的專業(yè)實踐能力，在考研復(fù)試時脫穎而出，甚至后來者居上，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)改革和實踐的成果進行了總結(jié)，組織編寫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，推動了全國大學(xué)生智能車比賽的開展。

4 集散式教改推進智能車比賽的廣度和深度

　　為了適應(yīng)國內(nèi)嵌入式智能控制系統(tǒng)的職業(yè)要求，根據(jù)國家、師生、產(chǎn)業(yè)界提升本科教學(xué)質(zhì)量和專業(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)生智能車比賽進行了融合，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)將智能車比賽進行了細(xì)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個層次和階段，將智能車比賽的原則和機理進行了簡化，在達(dá)到相關(guān)課程基本標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使得每個學(xué)生可自己設(shè)定適合的智能車實踐等級，要求每生應(yīng)完成真刀真槍的智能車制作，且智能車實物應(yīng)可動、可觀測等。

　　另一方面，由于無人自動駕駛電動車和無人機的快速發(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)嘗試將智能車比賽的智能算法、無線傳輸、圖像處理等技術(shù)引入到了高年級的教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計中，使智能車大賽的技術(shù)能夠更深的融入電類工科本科教育之中，領(lǐng)引相關(guān)的教學(xué)改革進程。

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

5 智能車比賽和教改有利于促進工程專業(yè)認(rèn)證

　　華盛頓協(xié)議是國際上通行的工科專業(yè)本科畢業(yè)生的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是近幾年我國教育部針對各工科專業(yè)本科畢業(yè)質(zhì)量的新一輪認(rèn)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：

　　● 每個工科畢業(yè)生應(yīng)具有解決復(fù)雜工程問題的基本能力，且通篇體現(xiàn)之;

　　● 強調(diào)學(xué)生能學(xué)到什么(不是老師教過什么);

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

　　這三個要求也是國內(nèi)高校工科(包括電類等)專業(yè)培養(yǎng)的最薄弱部分。

　　顯然，全國大學(xué)生智能車比賽的載體是自動駕駛，是體現(xiàn)了人工智能的復(fù)雜工程裝置，它集成應(yīng)用了光、機、電、軟硬件等多個工科專業(yè)的基礎(chǔ)核心知識，非常適合于工科學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐，也更貼和華盛頓協(xié)議的12項認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，有利于支撐電類專業(yè)教學(xué)的相關(guān)改革。

　　同時，參與智能車比賽的眾多專業(yè)：自動化類、電子信息類、儀器儀表類、電氣工程類、計算機信息類、機電類等，均已列入華盛頓協(xié)議(中國)認(rèn)證專業(yè)目錄，如何落實協(xié)議的12項認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，將是未來中國高校工科專業(yè)教學(xué)及教學(xué)改革的指揮棒，河南工業(yè)大學(xué)已在這些方面進行了有益有效的教改探索。

　　因此、深入地開展智能車比賽和集散式教學(xué)改革，應(yīng)用國際上先進工科專業(yè)認(rèn)證教學(xué)理念，積極進行相關(guān)課程的改革、實踐創(chuàng)新，一定會促進國內(nèi)電類工科教學(xué)質(zhì)量的提高，也有利于相關(guān)專業(yè)推進教育部新一輪的華盛頓工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]宋春林,郭愛煌,劉富強. 面向應(yīng)用的“嵌入式系統(tǒng)”教學(xué)方法改革和探索[J].工業(yè)和信息化教育 2013(4)

　　[2]王威 . 普通高校自動化專業(yè)嵌入式技術(shù)教學(xué)思考 [J].電氣電子教學(xué)學(xué)報.2010.32(3):9-13

　　[3]江維,桑楠. 面向高等教育的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革 [J].計算機教育,2011(16):33-36

　　[4]蔡逢煌,王武.嵌入式類課程教學(xué)的思考和實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015(1)