張曉琪, 馬學條, 程知群, 鄭雪峰, 王 超

(1. 杭州電子科技大學 計算機學院, 浙江 杭州 310018;2. 杭州電子科技大學 電子信息學院, 浙江 杭州 310018)

當今社會已進入信息化時代,電子技術發(fā)展日新月異,人工智能、大數據、云計算等信息技術領域迅猛發(fā)展,為高?？萍紕?chuàng)新型人才培養(yǎng)帶來了良好的發(fā)展機遇,同時也面臨嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的科技創(chuàng)新實踐教學存在以下問題：

(1) 現有實踐教學與管理滯后于信息技術發(fā)展,實踐育人模式單一,難以適應電子信息技術的發(fā)展需要；

(2) 實踐教學項目圍繞理論知識點設立,很少超越書本，脫離工程實際,學生分析研究空間不足,不利于個性化人才培養(yǎng)需要；

(3) 創(chuàng)新實踐環(huán)境和資源開放共享機制滯后匱乏,忽視能力培養(yǎng)和達成,難以滿足學生自主研學和科技創(chuàng)新的需求[2]。

普通省屬高等學校電子信息專業(yè)人才培養(yǎng)應具有多樣性,既有學科型人才,更應該有大批能滿足國家戰(zhàn)略發(fā)展需求的科技創(chuàng)新型人才。依托杭州電子科技大學國家級實驗教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學中心和校企聯合實驗室,進行科技創(chuàng)新實踐教學探索和改革，激發(fā)學生的學習興趣,培養(yǎng)理論基礎扎實、實踐動手能力強、具有科技創(chuàng)新思維和工程實踐技能的科技創(chuàng)新型人才,更好地服務科技強國和教育強國建設[3]。

1 實踐教學改革目標

杭州電子科技大學大學生科技創(chuàng)新實踐基地由“杭電—Microchip 大學生科技創(chuàng)新孵化器”“杭電—Microchip 數字信號控制器聯合實驗室”“杭電—德州儀器 數字信號處理方案實驗室”“杭電—ALTERA EDA/SOPC聯合實驗室”和“杭電—利爾達 MSP430單片機實驗室”5個校企聯合實驗室組成,實踐教學改革目標如圖1所示?？萍紕?chuàng)新實踐基地在“跟蹤學科發(fā)展、對接行業(yè)需求”的育人理念指導下，以綜合性實踐項目為載體,實踐教學緊跟學科前沿、對接行業(yè)需求、注重學科交叉融合，通過構建“線上線下混合、課內課外融合、理論實踐結合”的實踐育人模式,將科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)注入各個實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新思維、自主研學能力和工程實踐技能。

圖1 實踐教學改革目標圖

2 實踐教學改革措施

2.1 科技創(chuàng)新實踐系列課程改革

注重實踐教學的理論研究,從理論和實踐2個方面解決傳統(tǒng)科技創(chuàng)新實踐教學中“教學內容、教學方法、課程組織及時間安排”上存在的問題。采用“實驗慕課”和“翻轉實驗室”的方式,把課內實驗變革為自主實踐;通過項目分析、任務驅動、考核激勵、引導學生進行研究性探索,逐步培養(yǎng)學生的自主實踐能力[4]。以“數字系統(tǒng)綜合設計”“創(chuàng)新性實驗”“智能物聯科創(chuàng)實訓”等系列科技創(chuàng)新實踐課程改革為切入點,優(yōu)化實踐內容、強化實踐環(huán)節(jié)，讓學生提前進入理論與工程實際相結合的訓練階段,鼓勵和幫助學生盡早進入實驗室完成創(chuàng)新性實驗設計,積極參加各種課外科技活動,培養(yǎng)學生的科技創(chuàng)新能力。

2.2 構建實踐育人新模式

緊跟信息技術發(fā)展步伐,積極探索將信息技術運用到實踐教學,構建了“線上線下混合、課內課外融合、理論實踐結合”的科技創(chuàng)新實踐育人新模式,以適應信息化實踐教學的需要[5]。通過在超星泛雅網絡教學平臺上開設網絡課程,在虛擬仿真實驗教學平臺上開放共享實驗教學項目等,滿足學生隨時獲取課程教學資源的需要,實現了線上線下混合式教學。依托“杭電—Microchip 大學生科技創(chuàng)新孵化器”等5個校企聯合實驗室延伸了實踐教學的時間和空間,實現了課內實驗與課外實踐環(huán)節(jié)的融合。通過組織學生積極參與國家、省、校、院級學科競賽,以及相應的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃,使學生將掌握的理論知識更好地應用到創(chuàng)新實踐中,實現了理論課程教學和實踐教學的融合。

2.3 校企共建科技創(chuàng)新實踐基地、共創(chuàng)協同培養(yǎng)模式

依托計算機國家級實驗教學示范中心和電工電子國家級實驗教學示范中心,與德州儀器、ALTERA、Microchip等一批高新科技企業(yè)聯合共建科技創(chuàng)新實踐基地,學生實踐項目與行業(yè)應用無縫對接,滿足工程實踐能力培養(yǎng)需要。以校企共建大學生科技創(chuàng)新實踐基地為平臺,以研發(fā)企業(yè)項目為載體,以參加企業(yè)培訓、工程師進校講座、高年級指導低年級為自主學習方式,以項目驗收和創(chuàng)新學分為考核方法,系統(tǒng)化地實現了校企協同培養(yǎng)模式。通過盡早接觸企業(yè)項目,讓學生近距離了解行業(yè)對人才的要求,使學生較全面地了解所學知識與行業(yè)應用的結合點，理論聯系實踐,開拓學生視野、培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新意識[6]。

2.4 建設自主研學的虛擬仿真平臺、開放共享虛擬仿真實驗項目

依托電子信息技術國家級虛擬仿真實驗教學中心,基于“資源開放與共享機制協調、硬件平臺與軟件資源協調、自主研學與質量監(jiān)管協調”的實踐資源建設理念,建設了集虛擬仿真實驗教學、實驗室管理、儀器自助借閱等功能于一體的開放式虛擬仿真實驗教學平臺。實現了學生自主預約開放實驗、在線提交電子報告、智能獲取實驗指導等。在充分保障開放式實驗教學有序運行的同時,進一步提高了資源使用效率[7]。

針對高危、高成本、長周期等難以通過真實實驗來完成的場景,基于三維仿真技術搭建原景在線式虛擬仿真實驗環(huán)境,開發(fā)了軟件共享、儀器共享和遠程控制3大類虛擬仿真實驗教學項目;通過在虛擬仿真中增加互動性,激發(fā)了學生實驗興趣和創(chuàng)新能力。其中,“電子技術在線虛擬仿真實驗”和“飛行器電磁散射及隱身特性分析虛擬仿真實驗”經浙江省教育廳推薦參與了2017年和2018年教育部國家虛擬仿真實驗教學項目認定工作。學生通過網絡,遠程共享實驗教學資源,突破地域空間的限制,在線完成虛擬仿真設計,遠程提交仿真結果,達到“處處能學、時時可學”的泛在學習[8]。

2.5 精心設計多學科交叉融合的實踐項目

結合科學研究和行業(yè)需求,采用持續(xù)動態(tài)更新的模式完成實踐項目庫的更新和建設,項目庫包括科研項目、工程實際項目、科技創(chuàng)新項目等,其建設流程如圖2所示。實踐項目首先用于科技創(chuàng)新實踐教學,學生將項目功能進行優(yōu)化、完善、擴展后可用于各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和學科競賽活動,經過逐屆傳承、培育后可進行產學研項目開發(fā),將產學研項目分解提煉后重新加入到實踐項目庫中,構建了動態(tài)更新的項目庫建設體系。

圖2 大學生科技創(chuàng)新實踐項目庫建設流程圖

(1) 任意波形信號發(fā)生器設計。任意波形信號發(fā)生器設計是理論與實際相結合的實踐項目,工作原理如圖3所示。學生采用工程仿真軟件,首先完成一個簡易正弦信號發(fā)生器設計,再完成一個包含正弦波、三角波、方波、鋸齒波等任意波形信號發(fā)生器的設計,最后完成一個各種頻率和相位成簡單整數比的李薩如圖形設計。實驗設計操作過程由淺到深、逐級深入,在有限的實驗教學課時數內,完成復雜數字電子系統(tǒng)的設計[9]。電路功能設計中,設計方法具有多樣性,可用原理圖、硬件描述語言、宏模塊等多種方法完成實驗設計。在此基礎上,學生可以根據具體情況進行實驗功能拓展,可擴展設計輸出的信號波形具有調幅功能,用VGA顯示觀察輸出的各類信號波形,用液晶顯示輸出頻率的大小等。學生按照實驗教學任務要求,經過選題申請、中期考核、實體平臺測試、答辯匯報等環(huán)節(jié)完成實驗設計,使學生在創(chuàng)新設計、團隊合作、口頭表達、論文撰寫等方面均得到有效的鍛煉,實現綜合能力素養(yǎng)的培養(yǎng)[10]。

圖3 任意波形信號發(fā)生器原理框圖

(2) 車載手勢控制系統(tǒng)設計。車載手勢控制系統(tǒng)設計為多學科交叉融合的實踐項目,工作原理如圖4所示?；贔PGA將動態(tài)手勢識別技術與遠程控制原理相結合,通過攝像頭采集手勢信號、異步FIFO緩存、SDRAM緩存、VGA顯示、圖像預處理、形態(tài)學處理、邊緣檢測、膚色分割、連通域識別等過程提取有效的手勢命令,經手勢庫匹配運算轉換為車載系統(tǒng)的控制命令,通過無線模塊發(fā)送至車載中控系統(tǒng),實現視覺手勢對車載人機交互系統(tǒng)的遠程控制。 實踐內容涉及人工智能、圖像處理、數學形態(tài)學、現代數字電子技術等多學科課程知識,學生通過分析和歸納影響手勢識別效果的原因,探索較佳的形態(tài)學處理方案，同時提高學生的成本意識,通過自主設計,降低系統(tǒng)對硬件指標的要求[11]。

3 實踐教學改革成效

大學生科技創(chuàng)新實踐基地面向電子、計算機、通信、自動化等19個電子信息類專業(yè)學生開展教學工作,每年參加實踐的學生超過3 000人,學生受益面廣,科技創(chuàng)新實踐教學改革成效如圖5所示。

圖4 車載手勢控制系統(tǒng)原理框圖

圖5 科技創(chuàng)新實踐教學改革成效圖

3.1 學生科技創(chuàng)新能力提升明顯

傳統(tǒng)科技創(chuàng)新實踐教學完成后學生設計的數字系統(tǒng)規(guī)模僅為幾百個邏輯門(如數字鐘、交通燈等),參加實踐課程改革的學生設計的復雜數字系統(tǒng)規(guī)模大都在三萬邏輯門以上(如車載手勢控制系統(tǒng)、智能樓宇照明系統(tǒng)等)。通過指導學生參與各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃和各類科研課題,使得學生自主完成創(chuàng)新性研究。經項目設計、項目實施、報告撰寫、學術交流等過程,鍛煉和提升學生的科技創(chuàng)新能力[12]。近3年,指導學生主持國家級、省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃及新苗項目共32項,650名學生直接參與教師各類科研課題共205項。

3.2 學生學科競賽成績顯著提高

以學生自主管理為模式,以參加各類學科競賽為載體,組織和指導學生進行自主實踐,培養(yǎng)了一大批理論基礎扎實和實踐動手能力強的科技創(chuàng)新型人才[13]。涌現了“小平科技創(chuàng)新團隊”“極客部落”“無線電俱樂部”等一批學生科技創(chuàng)新團隊。近3年,教師指導學生參加電子設計、互聯網+、挑戰(zhàn)杯、電子商務等學科競賽獲得國家獎36人次,省級獎81人次。

3.3 校企協同育人顯現良好效果

針對科技創(chuàng)新實踐育人模式單一,注重理論知識構造,忽視工程實踐能力培養(yǎng)和達成等問題。團隊教師長期探索如何使工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入實踐育人全過程,依托國家級實驗教學中心與企業(yè)共建平臺、共設項目、共同考核,系統(tǒng)化實現了校企協同培養(yǎng)新模式,以適應卓越工程師教育、專業(yè)工程認證和新興的“新工科”建設需要[14]。學生通過科技創(chuàng)新實踐基地對接行業(yè)應用,先后為臺灣松瀚公司、浙江省中醫(yī)院和浙江大學附屬中學等開發(fā)自主網燈控制系統(tǒng)、人體經絡分析儀、圖形化編程機器人等25項產品,實現產學研結合,提升了學生工程實踐創(chuàng)新能力。其中“杭電—Microchip 大學生科技創(chuàng)新孵化器”于2016年獲得中國共青團和全國少年工委頒發(fā)的大學生“小平科技創(chuàng)新團隊”稱號。

4 結語

基于科技創(chuàng)新能力培養(yǎng),進行實踐育人模式探索與實踐。以科技創(chuàng)新實踐系列課程改革為切入點,構建了“線上線下混合、課內課外融合、理論實踐結合”實踐育人模式,建設了以校企聯合實驗室為依托的大學生科技創(chuàng)新實踐基地及服務于自主研學的虛擬仿真教學平臺,極大地延伸和拓展了實踐教學的時間和空間,實現了優(yōu)質教學資源的開放共享。同時,以多學科交叉融合的實踐項目為載體,跟蹤學科發(fā)展、對接行業(yè)需求,通過有針對性的實踐鍛煉,有效地激發(fā)了學生創(chuàng)新意識,培養(yǎng)了學生自主實踐能力,使學生在理論知識、工程應用和科技創(chuàng)新3方面得到同步收獲[15]。