“微控制系统项目设计”的创新与探讨

胡 云 陈彦辉 许卫东 康 槿

(西安电子科技大学 通信工程学院， 西安 710126)

现如今，第四次工业革命正如火如荼地展开。我国积极推动新经济发展，抢占工业4.0、人工智能等科技革命的制高点。在新工科背景下，制造业急需培养具有工匠精神的高素质高技能人才[1-2]。当前全国高校的工科教学虽然已经加大了工程实践类课程的比重，但仍然存在一些“短板”，例如：实践教学内容和要求，与行业需求有一定差距，缺乏灵活创新的设计思维培养[3]。实践课程评价标准单一，评价方式依然是围绕“一个标准答案”，缺乏资源受限下的多目标综合优化的工程思维。在工程管理，团队合作，交流宣讲等活动中，学生往往把自己置于学生的固定角色中，总是希望教师和书本给出正确答案，缺乏批判性思维。因此，改革通信类工科教学思维与方法，迫在眉睫[4]。

“微控制系统项目设计”课程是通信工程学院“线上+线下混合式金课”建设项目，是一门符合新工科精神的通信类专业课程，将集成产品开发的实践教学融入其中[5-6]。该课程包括课内32学时的理论教学和课外14周的创新实践，适合通信工程专业、信息工程专业和空间科学与技术专业的老师教学，开课时间为大学第4学期。

根据新工科人才培养定位和创新创业教育目标要求，要求学生自主参与设计一个覆盖模拟和数字系统设计理论的实践平台，深刻理解实际产品的完整创作过程，培养多维能力与解决复杂工程问题的能力。基于丰富的创新创业教育课程资源，构建与新工科建设课程模式相融合的通信类工程综合型课程模式，有利于学生在工程技术环境中发展团队合作能力。

1.1 实验教学模式改革

实验中心从产业发展和学生自身发展角度思考，基于项目管理理念，结合中外合作教学项目的经验和优势，根据集成产品开发理念，对目前通信类工科教育进行尝试性改革[7]。

微控制系统项目设计以“产品开发”为主线，要求学生设计并制造一个小型智能设备样机，并在模拟环境下实现功能。学生团队设计和制造的智能设备可以识别不同的用户，具有各种传感器获取外部信息，并通过声音、LCD触摸屏与用户交互。其中，ARM Cortex-A微控制器及LCD触摸屏构成上位机用来处理各种业务；
ARM Cortex-M微控制器作为控制核心处理实时信息；
FPGA进行高速数据处理，驱动伺服电机转动机械结构。为了保证系统的完整性和实用性，要求设备提供两种工作模式：一种是维护模式，它允许设备维修工程师测试和诊断机器；
另一种是正常操作模式，系统接收到开始指令后，就自动工作。学生作品如图1所示。

该项目设计在通信工程学院进行试点教学改革，参与学生约796人/年，分为108组。项目实施过程中，来自不同专业的6～7名学生组建一家公司，学生们承担不同的职位。产品样机采用业界通用的构架，即计算机、嵌入式软件及数字技术进行有机结合，包括人机交互模块、微控制器模块、数字系统模块和机械模块，培养学生的“创新与技能的组合应用”“分析与综合的能力”[8]。课程要求学生迅速把自己的角色转换为一位专业工程师，按照真实公司运营、产品开发和项目管理的方式进行，并能够提供相关项目管理整套文档作为支撑。

1.2 考核评价体制创新

“微控制系统项目设计”的考核改革旨在通过解决一个实际工程需求，来评价学生对所学课程的能力掌握情况[9]。项目团队教学评估着重围绕“信息化”和“过程评价”进行了大胆的创新和实践。与传统的卷面考核相比，更侧重“新工科”所强调的实际解决问题的能力评价。

为了提高学生的自主学习意识，将实验课程教学方式改为“入门教-中间导-最终验”的方式。在教学质量考核与评价手段上，将实验考核成绩占总成绩的比例从20%扩大到50%，包括以下内容：作品介绍，功能演示，技术答辩，问题解答，报告书写。采用了教师、专家、学生共同评价的新方法，并使用微信、网络投票等信息化手段进行课程项目的展示和评比。图2所示为专家评委现场为小组项目设计成果评分。

图2 专家评委现场为小组项目设计成果评分

“微控制系统项目设计”通过对实践课程的内容设计加强对学生设计思维与工程思维的培养；
通过实践课程产品开发流程着重锻炼学生工程综合素养以及批判思维，独立思维的能力；
通过引导学生使用线上资源，差异性自学，利用行业办公管理软件模拟企业运营等手段，加强数字化思维，在一定水平上弥补了现有的工科实践与创新不足[10]。

以2017级通信工程专业的796名学生为样本，对本课程的实践实施方面进行课程情况问卷调查，对于充分了解学生对“微控系统项目设计”课程的认知与把握起到很大的帮助。

在学生团队组建自己的工程技术公司中，为了让每一位学生充分、全面地了解产品设计、创新创业的基本知识及其工程分析、设计的方法和手段，共设立9个职位。每位学生可根据自己的特长与喜好选择担任其任一职位，并按照真实公司运营方式进行产品开发和项目管理。

图3给出了2017级所有学生在项目设计中所担任的公司职位分布图。从统计结果可以看出，工程专业的学生会优先选择工程类的职位，与学生自己的专业属性息息相关，管理岗位的选择人数相对较少。调查结果说明，学生更容易在业务上进心钻研，对于工程管理的认识有所欠缺，重视程度不够。

图3 公司职位总体分布图

图4总结了796名学生对本项目设计课程的难易程度打分情况，1分为最易，5分为最难，3分为其他课程的平均难度。“微控制系统项目设计”的难易程度平均分为4.4分，位于其他课程平均难度以上，表明该课程设计是精心设计的项目里程碑计划，可为学生以后的创新创业提前进行系统化训练。

图4 项目设计的难易程度打分情况

“微控制系统项目设计”的实施过程共14周，根据项目进展，可分为7个内容逐步实施：第1-2周确定小组人员职位与项目计划列表；
第3-5周完成第一个项目计划；
第6-7周设计一套机械图纸；
第8周通过微控制器读取传感器；
第9-11周完成图形用户界面、机械原型和Web演示；
第12-13周演示PC程序控制下的分拣机；
第14周撰写实验报告。

从表1和图5所列出的项目设计的难易程度与学生收获打分情况可以看出，在第12周前，随着项目进度的推进，学生所体验到的难度也在不断增加，随后又难度下降。课程设计难度与学生在课程中所收获知识的感受是呈正比的。对于学生来说，要完成一个实际产品的完整设计过程，需要设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维的共同作用，难度从容易到困难逐步提升，最后再下降，项目设计过程完善且合理。

表1 项目设计的难易程度与学生收获打分情况

图5 项目设计的难易程度与学生收获打分情况

“微控制系统项目设计”课程旨在建立与新工科专业教育有机互融的通信类专业工程综合型课程新模式。该项目的设计思路满足新工科背景下创新创业实践教学建设要求，能够进一步提升毕业生的工程素养，增加人才竞争力。同时该课程也可以在电子信息类工科院校相关专业广大推广，对改进工科实验教学的教学模式、评价方式和质量监督方式具有积极作用。

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