电类专业集散式教改探索与智能车比赛

摘要：面对国家工业4.0转型升级,以及产业对电类大学生专业能力的需求，为了改善大学生毕业时能力不足、无法达到企业要求的状况，通过对电类专业核心能力的集散式教学改革，探索了基于智能测控系统和智能车比赛的三融合教学模式，也即“理论与实践融合、集中与分散融合、课内与课外融合”。提出并实践了“学有目标、习有指标、实做真评、自主学习”的学用一体、课内外一体的教学方法，有效地发掘了电类大学生的自主学习动力，践行了华盛顿协议工程专业认证的先进理念，推动了全国大学生智能车比赛向更深入的方向发展。

　　当前工科电类大学生的实践能力差、应用所学知识(理论)解决实际问题的核心基础能力更差，已属工科高等学校的长期老大难问题，使得学生、教师、企业、高校和政府多方面均不满意，尤其是经过10多年的连续扩招，使得国家需求、社会期盼与大学毕业生真实能力之间的巨大反差持续扩大，曾经行之有效的传统教学理念和方法，在当今信息知识爆棚、网络发达的互联网时代，面对90、95后大学生的多样诉求和个性，以及来自校外各方面的导向性指令和目前国内高校的种种体制、机制的困局，实际上的教学效果和质量令人唏嘘，已经凸显出大学教育与能力培养的一些误区和弊病。为了改善这一现状，许多工科高校进行了大量的教学改革、研究和探索，并取得了局部的改良。

　　自2006年我校(河南工业大学)应邀参加第一届全国大学生飞思卡尔智能车邀请赛以来，已连续参加了十届比赛。针对电类学生理论与实践均较差的问题，以智能车比赛为抓手，在河南工业大学多个电类工科专业中进行了多年、多方位的持续教学改革，逐渐明晰了提升电类专业核心能力的教学思路，以河南工业大学的自动化、测控技术与仪器等专业为基础，进行了“集散式”教学改革，提升了电类专业大学生核心能力培养的实际效果，教改取得了令人欣慰的进展。

1 电类工科专业集散式教学改革的迫切性

　　据统计，全国共有558.4万在校工科大学生(2014数据)，其中自动化类、电子信息类、仪器仪表类、电气工程类、计算机信息类等电类工科在校生约有217.8万，占比39%。

　　普通高等学校(二本)由于受到人、财、物等条件的限制，在生源、教学理念、评估、排名、测评机制等方面遇到诸多困局，连年的扩招也导致实验教师和设施欠账较多、工科专业生师比巨大、新进师资大多是从学校到学校，缺乏工程经历和经验，大多存在着理论教学与实践教学分离、快餐式、观光式实践教学等问题;加之科研与教学考评机制的畸形局限，工科专业基础总课时大幅度减少，使工科大学生四年学过的知识不少，会用的知识不多，或者获得的课程知识是支离破碎的，时常出现“见木不见林”的现象。

　　因此，面对国家产业转型和工厂企业的职业需求，大学毕业生们腹中空空、手足无措，于是一些人放弃了辛苦4年的专业而转行或考研，工科大学生们从朝气蓬勃的高中生变成了就业大军中的弱势群体。

　　普通高校如何化解“课程多学时少、生均教学设备不足、实践教师贫乏、财政负担沉重等制约，且短期内不可能得到人、财、物的大幅提升”等困局，逐步提升工科专业的教学质量呢?

　　显然，唯有不断加大教学改革、创新思维模式、从内涵建设中寻找突破口。

　　在此背景下，河南工业大学不断探索工科专业建设的新路子，正视90后大学生的成长特点，按照工科专业能力培养的规律办学，吸收国际上先进的教学理念——华盛顿协议，基于全国大学生智能车比赛等赛事，进行了多年的电类工程专业集散式教学改革，在智能测控系统(涵盖MCUC语言模数电路等)等电类专业的基础类课程教改中取得了较好的进展，使得参与教改学生们的专业能力得到了较显著地提升，对毕业后的职业竞争有了更多的优势。

2 集散式学用一体教改实践思路

　　教育部副部长杜占元2014年4月部署重点工作时指出，高等学校应从发展方式、培养类型结构、培养模式、人才评价方式四个方面深化教育改革。即从过去注重规模转变为注重质量提升;从注重知识学习转变为知识学习和能力培养并重;从注重在学培养质量转变为在学培养质量与毕业后的职业发展质量并重。

　　电类专业“集散式学用一体”教改，主要是针对普通高校“学生多教师少、实践教师贫乏、动手能力差”等困局，以智能车比赛等全国大学生专业比赛为抓手，对智能测控(MCU微控制器)类课程进行了综合教学改革，通过“理论实践一体、集中引导讲评、分散自主实践”的教改实践，对具体的工程应用系统进行了简化和提炼，着力对“精细、小型、真实智能控制系统的实做能力”的培养，探索工科电类学生知识与核心能力并重的集散式培养新路子。

　　集散式学用一体教学改革的关键是三个融合：“理论与实践融合、集中与分散融合、课内与课外融合”。

2.1 理论与实践相融合

　　聚焦电类学生核心能力培养，以嵌入式微控制技术(MCU)领引教学改革，建立适宜学生自主研讨学习的专用教室，进行“同一教师、同一场地进行理论+实践教学一体化”教改实践，探索“实践-理论-再实践-再理论”的螺旋式质量提升教学路子，努力化解理论课、实践课分离导致的理论实验两张皮、实验变虚验的弊端。

2.2 集中与分散相融合

　　主要是针对普通高校受人财物限制，专业课学时过少，生师比过大，教学资源不足并且短期内无法改善等问题，努力实现每生一套低成本实验装置，探索课内集中讲评、分散分组实做，探索有指导、有约束的开放式、学生半自主学习模式，不局限在实验教室，一个学期内每位学生可以借出实验板套件，带离教室，自主安排课程实践的难度和进度。

2.3 课内与课外相融合

　　针对课程及实验学时少、实验教师不足、而学生又有大量的课余时间和充沛的精力无处应用的问题，改革目前的教学模式，充分利用学生的课外时间，在课程开始之初，根据学生的能力混合分组、学生和任课教师共同商议可以实做真评的结课实物大作业，例如三轮智能车、无线遥控智能车、超声波导航智能车、双轮自平衡智能车等，布置课内外预习和实践任务，加强课内外的讲评、研讨，鼓励学生上讲台，力图将学生的大量课余时间和注意力吸引过来，使他们远离网络游戏，将课余时间用于专业知识与核心能力的培养。

3 智能车比赛是集散式教学改革的高效抓手

　　当今大学的教育对象是90、95后大学生，教学应该适应他们的成长特点和学习诉求：90后年轻人的学习和做事目标性极强，但又较易受网络和外界的干扰，看不清的事宁可不做，“再等等?这门课有用吗?有趣吗?能自主学习吗?”是每一位教师经常遇到的问题，因此，面临大学生毕业后的职业生涯和专业诉求，教师应跳出单一课程的知识局限，站在国家产业前景和学生职业发展的高度去组织教学、教授课程，为懵懵懂懂学习的大学生指出较清晰的职业发展前景。

　　在当今智能网络信息时代，智能测控技术(MCU)具有重要的核心地位，它是提升产品智能化、网络化和产品附加值的核心技术，微控制系统(MCU)通常嵌入在各种数字化产品内部，使其具有智能化的功能，可以讲，没有微控制系统(MCU)就没有网络化、智能化和数字化，MCU是手机、IC卡、智能外设、变频家电、机器人等几乎所有“智能”电器、电子设备的心脏;所以，微制控系统(MCU)也是“中国制造——中国创造”的产业升级的必由之路，人才需求巨大，显然，智能测控类技术课程是十分有用的。

　　伴随智能时代的发展，物联网、车联网等互联网技术的发展日益广泛和深入，由教育部、自动化教指委和飞思卡尔公司共同倡导“全国大学生智能车比赛”经过10年的运行，已经深入到国内的几百所高校，成为电类工科专业大学生关注度、公正性和参与度最高的比赛之一。从电类工科专业教学的角度，智能车比赛几乎涉及到电类工科专业的众多基础和专业知识，智能车本身就是一个集传感检测、微控制器、计算机软件、智能算法、模数电、电力电子、自动控制理论等于一体的光机电复杂系统，几乎可覆盖电类工科专业的大部分课程和知识，是真实智能测控系统的一个实体浓缩，且经过10多届的比赛积淀，比赛模式和软硬件积累日趋丰富和多样，显然，智能车比赛是有趣的、能自主改进的。

　　因此，河南工业大学以智能车比赛作为电类工科教学的实践蓝本，积极参加了全国第一届智能车比赛，该赛2006年在清华大学举行，在120个参赛队中河南工业大学曾获得到第19名的成绩，现已连续参加了10届比赛，参加培养的学生逐年增多。

　　多年来，河南工业大学一直将智能车比赛作为电类工科学生的主力赛事去组织，并在自动化专业开设了《微控制器原理及应用》、在测控技术与仪器专业开设了《智能测控系统》等课程。建立了河南工业大学—美国飞思卡尔MCU联合实验室，在飞思卡尔大学计划的支持下，建立了360m2的大学生创新实践研究中心，先后有20多位教师参与全国比赛的指导和培训，每年吸引了众多的电类本科生参与竞赛活动，极大地提升了参与学生的电类基础能力和专业素质，许多参赛学生在毕业时获得了良好的专业自信，大部分学生在本专业岗位就业，许多刚毕业的学生薪金超出了指导教师们;部分学生由于良好的专业实践能力，在考研复试时脱颖而出，甚至后来者居上，成功考取了心仪高校的硕士研究生和博士研究生。

　　河南工业大学已将相关教学改革和实践的成果进行了总结，组织编写了多本基于飞思卡尔8位、16位、32位微控制器的智能控制教材，推动了全国大学生智能车比赛的开展。

4 集散式教改推进智能车比赛的广度和深度

　　为了适应国内嵌入式智能控制系统的职业要求，根据国家、师生、产业界提升本科教学质量和专业能力的要求，将集散式学用一体的教改思路与全国大学生智能车比赛进行了融合，目的是使得更多的大学生能够从中受益。

　　近几年，河南工业大学将智能车比赛进行了细化，出于比赛成本和扩大受益面的考虑，将其分为初级、中级和竞赛等3个层次和阶段，将智能车比赛的原则和机理进行了简化，在达到相关课程基本标准的前提下，使得每个学生可自己设定适合的智能车实践等级，要求每生应完成真刀真枪的智能车制作，且智能车实物应可动、可观测等。

　　另一方面，由于无人自动驾驶电动车和无人机的快速发展，尤其是物联网+、工业4.0的理念日益深入人心，河南工业大学尝试将智能车比赛的智能算法、无线传输、图像处理等技术引入到了高年级的教学和毕业设计中，使智能车大赛的技术能够更深的融入电类工科本科教育之中，领引相关的教学改革进程。

　　经过多轮、多层次的智能车比赛和教学改革，有效地吸引了大学低年级的学生，2015年学校参加智能车大赛的均是大一大二的学生，几个参赛队均获得华北(北京)分区赛二等奖，尽管成绩比往年成绩稍低，学校认为引导低年级学生尽早接触智能车比赛的综合智能测控技术，提升低年级的专业兴趣、明晰当今智能网络时代的大趋势和技术发展脉络，并为相关课程教学的顺利开展奠定基础，比获得几项比赛大奖更重要、更符合开展全国大学生智能车比赛的初衷，也有利于推进电类工科专业的教学改革和智能车比赛向更广和更深的方向发展。

5 智能车比赛和教改有利于促进工程专业认证

　　华盛顿协议是国际上通行的工科专业本科毕业生的质量标准，是近几年我国教育部针对各工科专业本科毕业质量的新一轮认证。

　　2015年4月新修订的中文版华盛顿协议指南中特别指出：

　　● 每个工科毕业生应具有解决复杂工程问题的基本能力，且通篇体现之;

　　● 强调学生能学到什么(不是老师教过什么);

　　● 以毕业生的核心能力与职业要求为导向并注重质量的持续改进。

　　这三个要求也是国内高校工科(包括电类等)专业培养的最薄弱部分。

　　显然，全国大学生智能车比赛的载体是自动驾驶，是体现了人工智能的复杂工程装置，它集成应用了光、机、电、软硬件等多个工科专业的基础核心知识，非常适合于工科学生的学习和实践，也更贴和华盛顿协议的12项认证标准，有利于支撑电类专业教学的相关改革。

　　同时，参与智能车比赛的众多专业：自动化类、电子信息类、仪器仪表类、电气工程类、计算机信息类、机电类等，均已列入华盛顿协议(中国)认证专业目录，如何落实协议的12项认证标准，将是未来中国高校工科专业教学及教学改革的指挥棒，河南工业大学已在这些方面进行了有益有效的教改探索。

　　因此、深入地开展智能车比赛和集散式教学改革，应用国际上先进工科专业认证教学理念，积极进行相关课程的改革、实践创新，一定会促进国内电类工科教学质量的提高，也有利于相关专业推进教育部新一轮的华盛顿工程教育专业认证工作。

参考文献：

　　[1]宋春林,郭爱煌,刘富强. 面向应用的“嵌入式系统”教学方法改革和探索[J].工业和信息化教育 2013(4)

　　[2]王威 . 普通高校自动化专业嵌入式技术教学思考 [J].电气电子教学学报.2010.32(3):9-13

　　[3]江维,桑楠. 面向高等教育的嵌入式系统教学改革 [J].计算机教育,2011(16):33-36

　　[4]蔡逢煌,王武.嵌入式类课程教学的思考和实践[J].电气电子教学学报，2015(1)