電類專業(yè)集散式教改探索與智能車比賽

摘要：面對(duì)國(guó)家工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型升級(jí),以及產(chǎn)業(yè)對(duì)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(shí)能力不足、無(wú)法達(dá)到企業(yè)要求的狀況，通過(guò)對(duì)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(cè)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(shí)踐融合、集中與分散融合、課內(nèi)與課外融合”。提出并實(shí)踐了“學(xué)有目標(biāo)、習(xí)有指標(biāo)、實(shí)做真評(píng)、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(dòng)力，踐行了華盛頓協(xié)議工程專業(yè)認(rèn)證的先進(jìn)理念，推動(dòng)了全國(guó)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(shí)踐能力差、應(yīng)用所學(xué)知識(shí)(理論)解決實(shí)際問(wèn)題的核心基礎(chǔ)能力更差，已屬工科高等學(xué)校的長(zhǎng)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意，尤其是經(jīng)過(guò)10多年的連續(xù)擴(kuò)招，使得國(guó)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(xù)擴(kuò)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(shí)爆棚、網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，面對(duì)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(dǎo)向性指令和目前國(guó)內(nèi)高校的種種體制、機(jī)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(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(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(yīng)邀參加第一屆全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾智能車邀請(qǐng)賽以來(lái)，已連續(xù)參加了十屆比賽。針對(duì)電類學(xué)生理論與實(shí)踐均較差的問(wèn)題，以智能車比賽為抓手，在河南工業(yè)大學(xué)多個(gè)電類工科專業(yè)中進(jìn)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(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)為基礎(chǔ)，進(jìn)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(shí)際效果，教改取得了令人欣慰的進(jìn)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(jì)，全國(guó)共有558.4萬(wàn)在校工科大學(xué)生(2014數(shù)據(jù))，其中自動(dòng)化類、電子信息類、儀器儀表類、電氣工程類、計(jì)算機(jī)信息類等電類工科在校生約有217.8萬(wàn)，占比39%。

　　普通高等學(xué)校(二本)由于受到人、財(cái)、物等條件的限制，在生源、教學(xué)理念、評(píng)估、排名、測(cè)評(píng)機(jī)制等方面遇到諸多困局，連年的擴(kuò)招也導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教師和設(shè)施欠賬較多、工科專業(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(yàn)，大多存在著理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)分離、快餐式、觀光式實(shí)踐教學(xué)等問(wèn)題;加之科研與教學(xué)考評(píng)機(jī)制的畸形局限，工科專業(yè)基礎(chǔ)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(shí)不少，會(huì)用的知識(shí)不多，或者獲得的課程知識(shí)是支離破碎的，時(shí)常出現(xiàn)“見(jiàn)木不見(jiàn)林”的現(xiàn)象。

　　因此，面對(duì)國(guó)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(wú)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(shì)群體。

　　普通高校如何化解“課程多學(xué)時(shí)少、生均教學(xué)設(shè)備不足、實(shí)踐教師貧乏、財(cái)政負(fù)擔(dān)沉重等制約，且短期內(nèi)不可能得到人、財(cái)、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(zhǎng)特點(diǎn)，按照工科專業(yè)能力培養(yǎng)的規(guī)律辦學(xué)，吸收國(guó)際上先進(jìn)的教學(xué)理念——華盛頓協(xié)議，基于全國(guó)大學(xué)生智能車比賽等賽事，進(jìn)行了多年的電類工程專業(yè)集散式教學(xué)改革，在智能測(cè)控系統(tǒng)(涵蓋MCUC語(yǔ)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(jìn)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(duì)畢業(yè)后的職業(yè)競(jìng)爭(zhēng)有了更多的優(yōu)勢(shì)。

2 集散式學(xué)用一體教改實(shí)踐思路

　　教育部副部長(zhǎng)杜占元2014年4月部署重點(diǎn)工作時(shí)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(píng)價(jià)方式四個(gè)方面深化教育改革。即從過(guò)去注重規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅刭|(zhì)量提升;從注重知識(shí)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)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(duì)普通高校“學(xué)生多教師少、實(shí)踐教師貧乏、動(dòng)手能力差”等困局，以智能車比賽等全國(guó)大學(xué)生專業(yè)比賽為抓手，對(duì)智能測(cè)控(MCU微控制器)類課程進(jìn)行了綜合教學(xué)改革，通過(guò)“理論實(shí)踐一體、集中引導(dǎo)講評(píng)、分散自主實(shí)踐”的教改實(shí)踐，對(duì)具體的工程應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化和提煉，著力對(duì)“精細(xì)、小型、真實(shí)智能控制系統(tǒng)的實(shí)做能力”的培養(yǎng)，探索工科電類學(xué)生知識(shí)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(gè)融合：“理論與實(shí)踐融合、集中與分散融合、課內(nèi)與課外融合”。

2.1 理論與實(shí)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(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(dǎo)致的理論實(shí)驗(yàn)兩張皮、實(shí)驗(yàn)變虛驗(yàn)的弊端。

2.2 集中與分散相融合

　　主要是針對(duì)普通高校受人財(cái)物限制，專業(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(nèi)無(wú)法改善等問(wèn)題，努力實(shí)現(xiàn)每生一套低成本實(shí)驗(yàn)裝置，探索課內(nèi)集中講評(píng)、分散分組實(shí)做，探索有指導(dǎo)、有約束的開(kāi)放式、學(xué)生半自主學(xué)習(xí)模式，不局限在實(shí)驗(yàn)教室，一個(gè)學(xué)期內(nèi)每位學(xué)生可以借出實(shí)驗(yàn)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(nèi)與課外相融合

　　針對(duì)課程及實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少、實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(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(shí)做真評(píng)的結(jié)課實(shí)物大作業(yè)，例如三輪智能車、無(wú)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(shí)踐任務(wù)，加強(qiáng)課內(nèi)外的講評(píng)、研討，鼓勵(lì)學(xué)生上講臺(tái)，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(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)游戲，將課余時(shí)間用于專業(yè)知識(shí)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(duì)象是90、95后大學(xué)生，教學(xué)應(yīng)該適應(yīng)他們的成長(zhǎng)特點(diǎn)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(qiáng)，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(wèn)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(shí)局限，站在國(guó)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(shí)代，智能測(cè)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(méi)有微控制系統(tǒng)(MCU)就沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化，MCU是手機(jī)、IC卡、智能外設(shè)、變頻家電、機(jī)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(guó)制造——中國(guó)創(chuàng)造”的產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必由之路，人才需求巨大，顯然，智能測(cè)控類技術(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(dǎo)“全國(guó)大學(xué)生智能車比賽”經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)行，已經(jīng)深入到國(guó)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(shí)，智能車本身就是一個(gè)集傳感檢測(cè)、微控制器、計(jì)算機(jī)軟件、智能算法、模數(shù)電、電力電子、自動(dòng)控制理論等于一體的光機(jī)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(shí)，是真實(shí)智能測(cè)控系統(tǒng)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)以智能車比賽作為電類工科教學(xué)的實(shí)踐藍(lán)本，積極參加了全國(guó)第一屆智能車比賽，該賽2006年在清華大學(xué)舉行，在120個(gè)參賽隊(duì)中河南工業(yè)大學(xué)曾獲得到第19名的成績(jī)，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(lái)，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(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)了《微控制器原理及應(yīng)用》、在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開(kāi)設(shè)了《智能測(cè)控系統(tǒng)》等課程。建立了河南工業(yè)大學(xué)—美國(guó)飛思卡爾MCU聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，在飛思卡爾大學(xué)計(jì)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(guó)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(jìng)賽活動(dòng)，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(shí)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(shí)踐能力，在考研復(fù)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(jié)，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(guó)大學(xué)生智能車比賽的開(kāi)展。

4 集散式教改推進(jìn)智能車比賽的廣度和深度

　　為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)嵌入式智能控制系統(tǒng)的職業(yè)要求，根據(jù)國(guó)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(guó)大學(xué)生智能車比賽進(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)將智能車比賽進(jìn)行了細(xì)化，出于比賽成本和擴(kuò)大受益面的考慮，將其分為初級(jí)、中級(jí)和競(jìng)賽等3個(gè)層次和階段，將智能車比賽的原則和機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在達(dá)到相關(guān)課程基本標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使得每個(gè)學(xué)生可自己設(shè)定適合的智能車實(shí)踐等級(jí)，要求每生應(yīng)完成真刀真槍的智能車制作，且智能車實(shí)物應(yīng)可動(dòng)、可觀測(cè)等。

　　另一方面，由于無(wú)人自動(dòng)駕駛電動(dòng)車和無(wú)人機(jī)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(wú)線傳輸、圖像處理等技術(shù)引入到了高年級(jí)的教學(xué)和畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jìn)程。

　　經(jīng)過(guò)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(jí)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(gè)參賽隊(duì)均獲得華北(北京)分區(qū)賽二等獎(jiǎng)，盡管成績(jī)比往年成績(jī)稍低，學(xué)校認(rèn)為引導(dǎo)低年級(jí)學(xué)生盡早接觸智能車比賽的綜合智能測(cè)控技術(shù)，提升低年級(jí)的專業(yè)興趣、明晰當(dāng)今智能網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的大趨勢(shì)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(chǔ)，比獲得幾項(xiàng)比賽大獎(jiǎng)更重要、更符合開(kāi)展全國(guó)大學(xué)生智能車比賽的初衷，也有利于推進(jìn)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(jìn)工程專業(yè)認(rèn)證

　　華盛頓協(xié)議是國(guó)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(guó)教育部針對(duì)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(gè)工科畢業(yè)生應(yīng)具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的基本能力，且通篇體現(xiàn)之;

　　● 強(qiáng)調(diào)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(dǎo)向并注重質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)。

　　這三個(gè)要求也是國(guó)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(guó)大學(xué)生智能車比賽的載體是自動(dòng)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(jī)、電、軟硬件等多個(gè)工科專業(yè)的基礎(chǔ)核心知識(shí)，非常適合于工科學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，也更貼和華盛頓協(xié)議的12項(xiàng)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(shí)，參與智能車比賽的眾多專業(yè)：自動(dòng)化類、電子信息類、儀器儀表類、電氣工程類、計(jì)算機(jī)信息類、機(jī)電類等，均已列入華盛頓協(xié)議(中國(guó))認(rèn)證專業(yè)目錄，如何落實(shí)協(xié)議的12項(xiàng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，將是未來(lái)中國(guó)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(jìn)行了有益有效的教改探索。

　　因此、深入地開(kāi)展智能車比賽和集散式教學(xué)改革，應(yīng)用國(guó)際上先進(jìn)工科專業(yè)認(rèn)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(guó)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(jìn)教育部新一輪的華盛頓工程教育專業(yè)認(rèn)證工作。

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