面向应用型人才培养的电信类实践课程教学设计

摘要：实践教学环节在高校培养应用型人才的过程中有不可替代的作用，围绕复杂工程问题进行教学案例设计有利于培养学生的工程能力，基于CDIO模式和项目情景模拟设计教学模式可实现综合素质的提升，最终，将学生培养成具有工程意识、工程实践能力和团队协作能力的应用型人才。

关键词：应用型人才培养；实践教学；复杂工程问题；CDIO；项目情景模拟

中图分类号：G642.0 文献标志码：A

项目基金：沈阳航空航天大学教学改革项目（JG240209D1）、辽宁省教育教学改革项目（SJG2021007）、辽宁省教育厅重点公关项目（LJKZZ20220031）

目前，国内很多本科院校将自己的办学目标定位于培养具有工程实践能力的应用型人才。以沈阳航空航天大学（以下简称我校）为例，作为一所办学特色鲜明的地方本科院校，我校提出将为航空航天领域和辽宁省地方经济建设培养高素质的应用型人才作为办学定位。与研究型人才相比，应用型人才的主要特征为实践能力和专业素养的均衡发展，能够利用所学的专业知识解决工程中遇到的各类实际问题，特别是复杂工程问题[1]。实践类课程是四年制本科大学生重要的教学环节，以电子信息类专业为例，在专业课之后学生通过实践课程中搭建较复杂的电子系统并完成工程项目的调试，将所学的知识应用于实践。实践课是提升学生工程实践能力的必经途径，是应用型人才培养中不可或缺的一个环节。

1 当前实践课程设计存在的问题

1.1 教学案例与复杂工程问题特征关联小

具有解决复杂工程问题能力是毕业要求中的核心指标点。实践教学环节的主线任务应当是围绕一个恰当的教学案例展开的，然而传统的实践教学往往是针对一门课程知识的实践，缺乏学科之间的关联性，系统复杂程度低。

1.2 教学模式与企业环境、社会环境关联小

受限于教学环境，实践课程的项目实施与企业有很大不同，一般只保留设计环节和开发环节，对前期的产品功能构思、后期的产品运作、全流程的项目管理和成本控制都鲜有涉及，这样就造成了教学与企业和社会环境的脱节，理论和实践结合不够充分。

2 紧扣解决复杂工程问题进行教学案例设计，实现工程能力培养

2.1 复杂工程问题对应用型人才培养的意义

工程教育专业认证是应用型人才培养的重要指南。在工程认证教育的12项标准中，有8项与培养复杂工程问题能力有关[2]。电子信息专业学生的毕业要求中，具备解决复杂工程问题的能力是核心指标点，从支撑工程专业认证和培训学生应用能力的角度来说，教学案例的设计必须具有复杂工程的特征。

2.2 围绕复杂工程问题进行教学案例设计

2.2.1 案例的设计

电信类专业的学生一般要求具备电子系统的设计能力，且一般具备嵌入式系统、传感器技术的先修知识。作为一所航空航天特色院校，卫星导航定位技术是我校的重点学科研究方向。因此本案例结合社会实际需求、学生的知识体系和专业办学特色，设计一种基于单片机、卫星导航技术、物联网技术的环境监测数据采集与传输系统作为教学案例。通过设计、调试这一复杂系统的过程，进一步加强学生对所学专业知识的理解和掌握，培养学生运用所学专业知识解决实际工程问题的能力。

该案例利用传感器技术实现对温湿度、气体、烟雾等参数的测定，利用北斗卫星导航系统实现定位，利用显示模块对环境参数和定位信息进行显示，利用物联网模块实现数据打包发送到上位机。方案的系统结构如图1所示。

根据学生自身能力情况可以选择完成基础任务或者选修任务，对于能力一般的同学仅要求完成基础任务：设计一个环境监测装置，实现对温湿度、气体、烟雾等参数的监测和显示，并可将相关信息通过串口发送至PC机，如图1中无背景部分。对于基础较好，有过相关设计经验的同学可完成选修任务，增加对定位模块和物联网模块的学习和使用，如图1中带背景部分，设计一个环境监测装置，实现对温湿度、气体、烟雾等参数以及当前位置信息的监测和显示，并可将相关信息通过物联网传输发送至PC端OneNET平台。

2.2.2 案例分析

工程教育认证标准中的复杂工程问题具备的特征包含7个方面[3]，该教学案例紧扣复杂工程问题特征进行任务设计，以期在完成产品设计的过程中培养学生解决复杂工程问题的能力。

（1）项目需要用到理论知识涉及多门专业课程，包括数字电路、模拟电路、单片机技术与原理、C语言、导航原理等，需要对专业课程具有较为扎实和深入的理解，并能够在实践过程中通过分析并综合应用，具备“复杂工程问题”特征1：必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决。

（2）完成项目的过程中学生需综合考虑硬件成本、国产化率等多方面的非技术因素，具备“复杂工程问题”的特征2：需求涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定的冲突。

（3）系统包括传感器数据采集、位置信息获取、数据显示、数据的有线传输、数据的无线传输等模块，可以视为环境检测系统、北斗定位系统、物联网系统的综合系统，学生要解决几个子系统关联的问题。具备“复杂工程问题”的特征7：具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

3 基于CDIO模式和项目情景模拟设计教学模式，实现综合素质的提升

3.1 CDIO模式和项目情景模拟对应用型人才培养的意义

CDIO工程教育理念由麻省理工学院于2004年创立，“CDIO”是四项工程项目实施内容的缩写，它们分别是：构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）[4]。这四项内容是以一线的产品实际研发为基础的，包含了一套完整的生命周期。CDIO模式将一个完整的产品研发过程作为主线，以实施一个项目的任务作为教学载体，以培养学生实践能力作为教学目标。在这个过程中，不但能够促进学生对工程知识的理解，还能提升学生的专业技能和职业素养。

项目情景模拟是一种利用仿真场景进行培训的方法，是指教师根据教学目标和教学内容，设计一种与实际工作场景类似的情景，师生在该情景下完成各自角色的扮演，将学习活动变成探索活动，让学生在类似真实工作的场景中获取知识、培养实践能力。

利用CDIO理念设计任务流程、利用项目情景模拟设计沉浸式课堂体验能弥补传统教学方法的不足，促进学生对理论知识的掌握和对企业实际项目流程过程的熟悉，尽量让人才培养过程接近真实的工作场景，利用场景的模拟激发学习兴趣，在过程中培养学生的实践能力、沟通能力、合作能力和工程意识，实现培养具有实践能力的应用型人才的培养目标。

3.2 课程任务流程设计

按照CDIO工程教育模式，以课程案例项目为主线、活动为载体、发展综合素质为最终目标开展项目式学习。将主任务拆解出9个活动环节，分别是任务下发与分析、硬件设计培训、硬件开发、硬件国产化率及成本分析、硬件验收与优化、软件设计培训、软件开发、产品经济效益分析与报价、产品验收及优化。分硬件线和软件线，分别形成构思、设计、实施、运作四个CDIO环节，具体流程及情景模拟中师生角色扮演情况如图2所示。

学生按照一个方向逐级递进攻克项目任务，在不同的阶段达成不同的素养培养，实现综合素质的提升。在构思环节，师生针对项目展开分析和任务分解。在设计环节，以公司对新入职的工程师进行培训的形式帮助学生掌握完成设计任务必备的技能，硬件方面包括EDA设计工具的使用、硬件电路设计规范的理解，软件方面则通过一些简单引导项目，帮助学生复习编程语言、掌握调试手段，最终培养学生能够基于硬件设计方案进行软件开发的能力。在实施环节，学生独立按照项目要求进行硬件和软件的开发和调试。在运作环节，学生对自己设计的硬件进行国产化率分析和成本核算，根据产品整体设计成本及经济效益完成模拟报价单的制作，以4-5人为一组模拟竞标，并判断中标情况，教师对学生的硬件设计、软件程序及样机进行验收，并引导学生进行优化反思。

通过构造虚拟的工程职业环境，将教学案例模拟成一个科技公司的真实项目进行实施，通过项目情景模拟与角色扮演，把教学活动组织成师生对该项目的共同研究活动。每个学生独立地完成开发与设计，体验项目开发的各个环节、各个角色的分工。教师扮演甲方提出需求以开展项目，同时也扮演乙方的指导人员，保证项目的顺利实施。教师角色由课堂的主导者转变为引领者，学生的角色由知识被动接受者转变成主动探究者。形成以教师为主导，以学生为主体的共同探究教学模式。

4 实施效果

从实施效果看，在2022—2023年通过该方案进行课程设计的实施，学生学习热情高涨，课堂氛围良好，课堂满意度在90%以上。学生的实践动手能力得到了提升，在参加全国大学生智能车竞赛中，获得全国二等奖2项，赛区一等奖2项，赛区二等奖3项，赛区三等奖2项。电子设计大赛获得省级一等奖5项，二等奖2项，3等奖12项。在后续的综合课程设计和毕业设计中，指导教师表示能感受到整体学生能力有所提升。

5 总结

当前实践课程的教学设计还存在着教学案例设计与“复杂工程问题”特征关联小，教学模式与企业环境、社会环境关联小的问题。围绕复杂工程问题进行教学案例设计，结合社会实际需求、学生的知识体系和专业办学特色，设计一种基于单片机和卫星导航技术的环境监测数据采集与传输系统，利用解决这一具有复杂工程问题特征的教学案例的过程培养学生的工程能力。基于CDIO模式和项目情景模拟设计教学模式，将教学打造成企业、社会真实项目场景，实现综合素质的提升。通过本研究提出的教学改革，可将学生培养成具有工程意识、工程实践能力和团队协作能力的应用型人才。教学改革实施效果较好。

参考文献

[1]杜灿谊，周周，钟慧多等.新工科背景下应用型本科人才实践智慧养成策略[J].中国现代教育装备，2023（407）：93-95.

[2]石飞，周燕云，陈娟，郭磊.面向解决复杂工程问题能力培养的单片机实践教学案例设计[J].实验科学与技术，2022，20（5）：66-70.

[3]赵世伟，张鹏，樊智勇.工程教育认证背景下项目式课程教学改革与研究实验室科学.2018，21（6）：125-129.

[4]李佳怡，刘东旭，辛瑞昊，等.面向新工科CDIO模式自动化专业实 践教学体系改革与实践[J].教育教学论坛，2020，472（26）：186-187.