工科大學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究＊

丁鵬飛

工科大學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究＊

丁鵬飛

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

當前，中國大多數(shù)工科院校通過卓越工程師計劃、工程教育認證等舉措加大對學(xué)生應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以滿足國家提出的驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟發(fā)展的要求。對工科大學(xué)生開展應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式進行了探討和研究，設(shè)計的培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力的實踐方法，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，提高了學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

應(yīng)用能力；創(chuàng)新能力；工科大學(xué)生；工程教育

黨的十八大提出實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，強調(diào)科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐，國家力量的核心支撐是科技創(chuàng)新能力。實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，不僅需要一批大師級的拔尖創(chuàng)新人才，也需要大量既掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識，又具備專門技術(shù)和技能的面向現(xiàn)代生產(chǎn)服務(wù)的應(yīng)用型人才，應(yīng)用技術(shù)人才和拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)在國家發(fā)展戰(zhàn)略中具有同等重要的地位。創(chuàng)新能力不僅體現(xiàn)在技術(shù)水平提升或新技術(shù)產(chǎn)生的多少，更在于新技術(shù)在生產(chǎn)部門的轉(zhuǎn)移、擴散和應(yīng)用，這才是一個國家保持經(jīng)濟快速增長，不斷增強國際競爭力的關(guān)鍵[1]。

工程專業(yè)認證已經(jīng)成為中國高校工程教育的必然要求，“以能力為導(dǎo)向”成為目前普通高等學(xué)校本科工程教育教學(xué)改革公認的方向，這是時代的要求和召喚[2]。中國不少高等工程類院校近幾年對工程教育認證采取非常重視的態(tài)度，將其視為對專業(yè)的綜合辦學(xué)能力和教學(xué)水平的一項重要評價機制，紛紛申請加入到工程認證的行列[3]。截至2018年年底，全國有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)在內(nèi)的227所高等學(xué)校的1 170個專業(yè)通過了工程教育認證。

工程師本身的質(zhì)量與素質(zhì)直接關(guān)系到工程經(jīng)濟與安全，工程師認證已是經(jīng)濟全球化的一項必然的需求[4]。因此，如何提高工程教育的質(zhì)量，培養(yǎng)合格的工程師是高校服務(wù)社會的必然要求。本文通過改革實踐教學(xué)模式，探索培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用人才的路徑和方法，希望為工程教育的實施提供借鑒。

1 理論結(jié)合實踐的重要性

在新生入學(xué)后，學(xué)校通過班主任、輔導(dǎo)員、年級大會等多種形式對新生進行專業(yè)教育，讓學(xué)生認識專業(yè)的培養(yǎng)目標和培養(yǎng)方向，明確個人的奮斗方向。例如，對于電子專業(yè)的學(xué)生，學(xué)生所認知的專業(yè)方向是硬件開發(fā)、軟件開發(fā)、技術(shù)支持等，但是對于這些專業(yè)方向需要掌握什么樣的技能，自己所學(xué)課程與將來的工作有何種聯(lián)系并不清晰。這種對課程重要性的朦朧認識，無法讓學(xué)生感知理論，課程如何實現(xiàn)“學(xué)以致用”，無法正確認知所學(xué)課程的價值，這也導(dǎo)致很多學(xué)生無法直觀感受所學(xué)課程的重要性，無法認識到理論課程對解決實際工程問題的重要意義。如何改變學(xué)生對理論課的認識，是工科學(xué)生進校就應(yīng)該解決的思想問題，通過理論知識與實踐的結(jié)合，可以使學(xué)生認識到理論課程的價值及重要性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生主動、自覺地學(xué)習(xí)理論知識。

2 通過51單片機系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生在學(xué)習(xí)“C語言”時，會感到語法晦澀難懂，對其熟練應(yīng)用更是感覺困難重重。如何改變學(xué)生學(xué)習(xí)“C語言”的現(xiàn)狀，務(wù)必讓學(xué)生認識到該門課程對于電子類學(xué)生的重要性。在教學(xué)的實踐過程中，發(fā)現(xiàn)在進行“C語言”教學(xué)的過程中，引入適量的單片機系統(tǒng)的開發(fā)，可以改變學(xué)生對“C語言”這門課程重要性的認識，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)scanf()輸入語句時，很難理解這個函數(shù)是如何實現(xiàn)鍵盤的輸入的。通過將該內(nèi)容與單片機系統(tǒng)的按鍵輸入的實現(xiàn)方法相結(jié)合，并通過單片機執(zhí)行鍵盤讀取程序?qū)崿F(xiàn)按鍵的識別，有助于學(xué)生對硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的認識。通過單片機系統(tǒng)結(jié)合“C語言”課程，可以讓學(xué)生認識到“C語言”的重要性，并通過單片機系統(tǒng)的運行結(jié)果，讓學(xué)生直觀地體驗硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)具體應(yīng)用的魅力，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，認識到理論課程的重要性，提高學(xué)生運用理論知識解決實際問題的能力。讓學(xué)生在入學(xué)時就接觸原本只有學(xué)習(xí)了“模擬電路”“數(shù)字電路”等知識才接觸的單片機課程，將學(xué)生從游戲和聊天中吸引到單片機系統(tǒng)開發(fā)這類實踐課程，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)硬件系統(tǒng)設(shè)計、FPGA開發(fā)、ARM系統(tǒng)開發(fā)等工程實踐贏得時間。

3 通過Multisim等電路仿真軟件激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在學(xué)生接觸單片機系統(tǒng)時，由于還未接觸“電路分析”“模擬電路”“數(shù)字電路”的知識，無法了解電路模塊的實現(xiàn)原理，因此很多學(xué)生會對電路實現(xiàn)功能產(chǎn)生濃厚的興趣，渴望搞清電路的功能。因此，在這種情況下給學(xué)生講解Multisim電路仿真軟件將收到較好的教學(xué)效果。通過對Multisim軟件操作方法的介紹，讓學(xué)生掌握Multisim軟件的使用方法，并認識常用元件的符號及功能。并將學(xué)生在“C語言”學(xué)習(xí)過程中所用的單片機系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，指導(dǎo)學(xué)生對不同的功能模塊進行仿真。學(xué)生通過Multisim仿真軟件的元件庫和儀器儀表庫，可輕松地搭建單片機系統(tǒng)的模塊電路，并通過示波器、信號發(fā)生器等儀器儀表實現(xiàn)模塊電路的功能仿真。通過電路仿真結(jié)果，學(xué)生可以加深對高中物理所涉及的電學(xué)知識的認識和理解，并認識新的元件和單片機系統(tǒng)中模塊電路的實現(xiàn)功能。通過Multisim仿真軟件的運用，使學(xué)生認識到數(shù)學(xué)與工程應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的熱情和學(xué)習(xí)興趣，同時也為學(xué)生認識生活中的應(yīng)用電路找到驗證的手段和方法。

4 通過印制電路板設(shè)計軟件提高學(xué)生的動手能力

PCB（printed circuit board，印制電路板）設(shè)計軟件作為設(shè)計和制作PCB的設(shè)計工具，對于電子類的工科學(xué)生而言具有非常重要的意義。PCB設(shè)計軟件是電路電路圖繪制和PCB設(shè)計的輔助設(shè)計工具，是硬件工程師必須熟練掌握的工具之一。通過PCB設(shè)計軟件的使用，可以讓學(xué)生逐步掌握自學(xué)工具軟件的使用方法，同時通過對已有電路的模仿，熟悉工具軟件的使用。通過工具軟件的使用，可以讓學(xué)生在畫電路圖的過程中加深對電路的理解。通過PCB設(shè)計軟件根據(jù)繪制的電路圖制作PCB。通過電路圖的繪制和PCB的制作，讓學(xué)生了解電路設(shè)計到PCB加工的整個流程，尤其是將設(shè)計的PCB文件加工成電路板后，學(xué)生的自信心會受到極大的鼓舞，學(xué)習(xí)的熱情會得到激發(fā)。在繪制原理圖的過程中，通過引導(dǎo)學(xué)生正確閱讀芯片的數(shù)據(jù)手冊，可以讓學(xué)生了解電路的設(shè)計規(guī)則，掌握芯片的功能和使用方法。尤其是在查看數(shù)據(jù)手冊的過程中，由于很多數(shù)據(jù)手冊只有英文版，因此，學(xué)生要掌握芯片的使用方法，必須能用英語閱讀數(shù)據(jù)手冊。這也讓學(xué)生認識到英語學(xué)習(xí)的重要性，改變很多學(xué)生所認為的學(xué)習(xí)英語無“用武之地”的觀念。通過在閱讀英文數(shù)據(jù)手冊中遇到的困難，促使學(xué)生加強英語的學(xué)習(xí)，激發(fā)英語的學(xué)習(xí)興趣，增強學(xué)習(xí)英語的主動性和自覺性。

5 通過基于Cortex-M3的ARM處理器硬件系統(tǒng)進一步提升學(xué)生的應(yīng)用能力

通過51單片機系統(tǒng)和“C語言”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已基本掌握了“C語言”基本知識、單片機開發(fā)的操作流程和單片機開發(fā)平臺的使用方法。51單片機系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，為學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。在學(xué)習(xí)51單片機基礎(chǔ)上，選擇基于Cortex-M3的STM32單片機系統(tǒng)作為學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺。相對于51單片機，STM32單片機具有豐富的外圍設(shè)備、更大的FLASH存儲空間和RAM空間，更加復(fù)雜的時鐘電路和豐富的寄存器。因此，STM32單片機系統(tǒng)適合具有一定的51單片機開發(fā)經(jīng)驗的學(xué)生深入學(xué)習(xí)嵌入系統(tǒng)的開發(fā)方法。在STM32單片機系統(tǒng)中，集成了藍牙通信、串口通信、RS485通信、紅外通信、Wi-Fi模塊、GPRS模塊、GPS模塊、超聲波測距、溫度檢測、液晶屏顯示、觸摸屏、攝像頭、以太網(wǎng)通信模塊、語音模塊、模擬信號采集、時鐘模塊等功能模塊。通過該系統(tǒng)中不同模塊功能的實現(xiàn)，讓學(xué)生掌握語音輸入、語音輸出、模擬信號采集、RS485通信等功能的實現(xiàn)方法，掌握其工作原理。在實現(xiàn)不同模塊功能基礎(chǔ)上，通過同時實現(xiàn)多個模塊的功能，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。通過對這些模塊的功能的實現(xiàn)，了解各個模塊的實現(xiàn)原理；通過對這些模塊電路的學(xué)習(xí)，提高對硬件系統(tǒng)的分析能力，逐步掌握硬件系統(tǒng)的設(shè)計方法。

6 通過開放實驗項目進一步提升學(xué)生解決實際工程問題的能力

開放實驗項目作為實踐教學(xué)的一個補充，可以更大程度地提高學(xué)生的工程實踐能力。開放實驗項目一般以小組的形式開展動手實踐能力的培養(yǎng)，學(xué)生在開學(xué)初期在教師的指導(dǎo)下進行項目的功能需求分析，確定整體設(shè)計方案。確定整體設(shè)計方案后，小組根據(jù)具體的設(shè)計方案分工協(xié)作，完成硬件電路設(shè)計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)、軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，并最終完成開放實驗項目作品的制作。在完成項目作品的基礎(chǔ)上，學(xué)生需要通過項目設(shè)計報告和項目答辯完成開放實驗項目的驗收。驗收合格的開放實驗項目，由學(xué)校全額報銷項目制作過程中的相關(guān)費用，這大大激發(fā)了學(xué)生的主動性和積極性。通過完成開放實驗項目的設(shè)計與作品的制作，培養(yǎng)了學(xué)生的團隊協(xié)作能力、刻苦鉆研的精神和創(chuàng)新意識，提高了學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。

7 結(jié)論

通過以上教學(xué)改革舉措的實施，使工科學(xué)生的工程教育從大一貫穿到大四整個本科階段，使學(xué)生跨入大學(xué)的校門就認識到理論知識的重要性，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的主動性和積極性，促進了理論教學(xué)的效果。通過在大一就讓學(xué)生進行應(yīng)用能力的培養(yǎng)，使得學(xué)生在進行實驗教學(xué)、課程設(shè)計等實踐教學(xué)時具有較強的動手能力和實際操作能力，從而使實踐教學(xué)可以開展綜合性更高的設(shè)計實驗，大大提高了實踐教學(xué)的教學(xué)效果，使學(xué)生的工程實踐能力得到更大的鍛煉。課賽結(jié)合和課程設(shè)計的有機結(jié)合，使得課程設(shè)計能運用先進的設(shè)計手段和設(shè)計方法實現(xiàn)以前無法完成的設(shè)計性項目，大大提高課程設(shè)計的時效性，從而使得學(xué)生的工程實踐能力 通過理論知識、課程競賽、課程設(shè)計得到穩(wěn)步提升。通過工程實踐能力的提高，學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了極大的鍛煉和培養(yǎng)。

通過應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力培養(yǎng)方式的改革，本科生專業(yè)對口難的問題得到了緩解。學(xué)生在畢業(yè)時就具備較強的硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的能力，熟悉硬件開發(fā)和軟件開發(fā)的流程，基本具有獨立從事研究開發(fā)的能力，能夠迅速適應(yīng)企業(yè)的要求。解決了大學(xué)生入職后需要企業(yè)組織較長周期的培訓(xùn)的難題，實現(xiàn)了學(xué)生的高質(zhì)量就業(yè)，滿足了企業(yè)對人才的需求，符合創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略對高素質(zhì)應(yīng)用人才的需求，滿足大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)是高等教育的重要目標的要求[5]。本文所設(shè)計的應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力的教學(xué)模式著眼于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與動手能力，以問題為導(dǎo)向，從問題的發(fā)現(xiàn)、分析、解決乃至最后的實踐，逐步形成完整的系統(tǒng)性的思維方式[6]。

［1］雷慶，苑健.從國家創(chuàng)新體系構(gòu)成看應(yīng)用技術(shù)人才培養(yǎng)［J］.中國高等教育，2015（22）：34-36.

［2］夏小虎，姜海，徐斌.工程認證的成果導(dǎo)向模式和模塊化教學(xué)的對比分析［J］.應(yīng)用型高等教育研究，2016，1（4）：23-26.

［3］王留洋，李翔，王媛媛，等.工程認證背景下校企合作模式可行性方案探索［J］.教育現(xiàn)代化，2018，5（39）：178-179.

［4］施瑞盟，張朝暉，崔雅茹，等.工程認證相關(guān)問題研究與實踐［J］.中國冶金教育，2018（1）：121-124.

［5］陳中.理工科大學(xué)生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的路徑探究［J］.教育理論與實踐，2016，36（15）：24-26.

［6］吳亞麗.創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)模式下專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革初探［J］.教育理論與實踐，2017，37（36）：52-53.

G642

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.01.070

2095－6835（2021）01－0171－03

西安郵電大學(xué)教學(xué)改革研究項目“工科大學(xué)生應(yīng)用與創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究”（編號：JGA201717）的部分研究成果

丁鵬飛（1980—），男，重慶萬州人，碩士研究生，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、實踐教學(xué)改革與管理研究。

〔編輯：王霞〕