面向解决复杂工程问题的电子信息类专业实践教学改革与实践

摘  要：针对解决复杂工程问题的能力培养需求，该文分析工程教育背景下实践教学尚需解决的问题，以大连民族大学电子信息类专业为例，剖析专业的复杂工程问题内涵，提出以面向复杂工程问题能力培养的多层次实践教学培养体系，并在不同实践环节中规划相应的复杂工程项目，合理设置项目内容要求，引入多样化实践教学形成性能力考核评价标准，以单片机系统课程设计为例详细说明面向复杂工程问题的实践教学实施过程及能力评价标准。通过改革与实施，有效提高学生实践能力和创新能力，为解决工程教育实践环节中如何融合复杂工程问题，提高学生解决复杂工程问题起到一定的借鉴意义。

关键词：复杂工程问题；实践教学改革；OBE；教学评价；电子信息类专业

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）05-0121-04

Abstract： Targeted at the requirements for ability training of solving complex engineering problems， this paper analyzes the problems existing in practice teaching under the background of engineering education. Taking the major of Electronic Information， Dalian Nationalities University as an example， we dissect connotations of the professional complex engineering problems， put forward the ability training-oriented multi-level system of practice teaching facing a complex engineering problems solving. We plan the corresponding complex engineering projects in different practical links， reasonably setting requirements of the project content， introduce diversified practice teaching assessment and evaluation criteria of formative abilities， and specify the implementation of complex engineering problems oriented practice teaching as well as the relevant evaluation criteria by taking SCM system curriculum design. Through reform and implementation， students' ability of practice and innovation has been improved effectively. It is of certain reference significance for integrating complex engineering problems into the engineering teaching practice and improving students' ability of solving them.

Keywords： complex engineering problems; practical teaching reform and practice; OBE; teaching evaluation; major of Electronic Information

目前，随着我国对应用型人才和创新性人才的需求不断增加，“有效提高工科类本科学生解决复杂工程问题的能力和创新能力”已成为应用型高校面临的重要问题。近年来，教育部开展了工程教育认证、新工科建设、一流专业建设等多项工程教育实践改革，都重点强调培养学生解决工程实际问题的能力。

在电子信息类专业新工科建设、一流专业建设中，以工程教育专业认证为重要着手点，对于加快推进各类工程教育实践改革和提高人才实践能力和创新能力培养有重要的意义。

工程教育认证对本科学生毕业时提出了12条毕业要求，毕业要求分别从学生毕业时应掌握的专业知识、应达到的综合能力、应具备的综合素养做出了规定。12条毕业要求中有8条是与解决复杂工程问题相关联，图1是8条毕业要求之间的递进关系。图1中，圆圈内层的5条分别为工程知识、现代工具使用技术、问题分析能力、系统设计/开发能力、研究能力。这5条毕业要求在考核能力要求上逐步递进，共同组成了解决复杂工程问题的核心要求。圆圈外层的3条分别为社会责任意识、环境和可持续发展意识、沟通交流能力，构成解决复杂工程问题的综合素质要求，内层和外层能力相互配合，共同完成专业面向复杂工程问题的解决[1]。

根据工程教育认证的标准，通过工程教育认证要明确并掌握本专业的“复杂工程问题”的内涵，在教学体系构建及教学过程实施中要融入“复杂工程问题”，提高学生解决复杂工程问题的能力。

大连民族大学（以下简称“我校”）电子信息类专业自开办以来，紧紧围绕“应用为主、服务民族”的办学理念，始终致力于培养各民族高素质应用型电子信息类人才，强化对学生综合素质和工程实践能力的培养。经过多年的建设，形成一套相对完整的教学体系，取得不少的成绩。就专业认证对能力的要求而言，目前课程体系相对比较完整，而实践教学体系未能完全体现成果导向，各实践环节教学目标与所支撑的毕业要求指标点关联度不够紧密，针对提升复杂工程问题的实践环节项目偏少，实践环节课程缺乏形成性评价，未能与学生创新创业教育相结合。实践教学改革与实施质量在一流专业建设中还需要不断的提升。

国内学者们对工程教育改革及如何提高本科学生解决复杂工程问题能力提出自己的看法。杜威提出“从做中学”的教学模式，在做中学，在学中做，促使学生思考，从而学到知识。燕山大学胡正平等[2]认为提高学生解决工程问题能力的关键在于毕业设计。大连理工大学李志义[3]提出基于成果导向教育的高等工程教育教学改革，着力实现以学生为中心，以持续改进实现理论和实践环节教学改革。胡正平等[4]认为工科教学中提高解决复杂工程问题能力的重要途径是采用三级项目。夏秀峰等[5]提出一种以复杂工程问题为牵引的校企协同育人机制，详细论述了校企协同育人机制的诸多关键问题，提出了相应的解决方案。

本文剖析了专业的复杂工程问题内涵，提出了以面向复杂工程问题能力培养的多层次实践教学培养体系，并在不同实践环节中规划了相应的复杂工程项目，合理设置项目内容要求，引入多样化实践教学形成性能力考核评价标准，逐步提高电子信息类专业学生的实践能力和创新能力。

一  电子信息类专业复杂工程问题的界定

根据复杂工程问题特征[6]，结合学校办学定位、专业特色及人才培养要求，剖析并确定了电子信息类专业的复杂工程问题的7个特征。

特征1：能够运用电子信息类专业相关的信息检测、信息处理、信息传输、信息存储等多学科知识分析、解决复杂工程问题。

特征2：问题的解决要能够综合考虑电子信息相关的技术、工程等各方面的矛盾和冲突。

特征3：解决电子信息类专业复杂工程问题必须通过对信息、通信系统进行建模，要突出解决问题的创新性。

特征4：复杂工程问题的解决要依托电子技术、信息、通信及新一代信息技术等多学科技术、方法和手段的综合应用。

特征5：复杂工程问题中涉及到因素包括工程伦理、生态安全、经济发展等，已有标准、规范不能完全解决。

特征6：复杂工程问题涉及到不同的利益诉求，要重视并具备协调处理各方不同的利益诉求。

特征7：复杂工程问题要以实现整体目标要求为出发点处理好局部之间的关系[7]。

电子信息类专业实践教学环节包括各类实习、课程设计、毕业设计等。目前，校内课程设计多侧重于知识而非工程；各类实习中学生也大多是走马观花，培养学生对复杂工程解决能力所能达到的层次较低。另外，毕业设计内容及实施过程与复杂工程问题解决能力培养要求差距也较大。

综上所述，目前电子信息类专业实践教学中融入复杂工程问题，并在不同的实践环节中有效实施，对于专业认证和一流专业建设具有重要的意义。

二  实践教学改革与探索

（一）  多层次实践教学培养体系的构建

我校电子信息类专业实验实践类课程在第2到第8学期开设，针对面向解决复杂工程问题的需求，基于成果导向原则，构建了“四年不断线、多层次一体化”实践教学培养体系，如图2所示。

按照学生毕业应掌握的能力目标递进分解，一体化设计电子信息类专业多层次实践教学体系。第一层次为各类专业基础课程及专业课程实验，贯穿到第1学年到第3学年，通过综合性实验的设计实施，提升学生知识应用能力、现代工具的使用能力、方案设计能力及研究设计能力，为解决复杂工程问题提供一定的基础准备；第二层次为工程认知实习、校内实训、电子技术课程设计，通过产学融合的育人模式，共建实习基地和校内实训基地，提升学生工程素养、团队合作，跨学科知识应用能力，在这一阶段可以解决相对简单的复杂工程问题；第三层次包括生产实习、电子信息工程建模与仿真、单片机系统课程设计、各类创新竞赛等实践环节，培养学生工程创新能力、分析能力、系统设计能力、沟通能力，解决较复杂工程问题；第四个层次为新一代信息技术工程实践、毕业设计，把新工科背景下的人工智能、智能控制、机器人技术等新一代技术融入传统的实践教学内容中，培养学生的文献综述能力、工程能力、工程素养和解决实际问题的能力。

按照实践教学体系3个层面，重组实践教学内容，合理安排不同类型实验比例，加强综合性、设计性和创新性实验，按照从简单到复杂，从小规模到大规模，循序渐进的复杂工程问题规律。

工程认知实习引入了图形化编程的智能车项目（图3），以3～5个同学为一个团队，对复杂工程项目的技术和非技术因素形成初步的认知；同时，与企业共同举办智能车竞赛，使全体学生都参与到创新比赛。

电子工艺实习引入超外差收音机虚拟仿真平台，如图4所示，建设了校内虚拟仿真网站，实现电子工艺实习的虚实结合的新的方式。

单片机课程设计、专业综合实践课程设计以2～3名同学为一个团队，利用一学期的时间，完成一个复杂系统设计。课程从资料查阅、方案设计、方案论证、硬件制板、软件实现、验证测试、系统调试、课程设计报告撰写、实物验收、答辩等多方面对学生进行训练。通过课程设计的实施，学生对复杂工程项目有了深刻的认识。

面向新一代信息技术，设置不同的实习方向，生产实习按照电子产品设计与生产方向、物联网系统软件开发方向、智能硬件系统设计方向、通信网络搭建与测试、人工智能应用等不同的方向，依托不同的企业完成。将复杂工程项目、企业实习、就业实习一体化。

（二）  基于复杂工程问题的实践环节实施

以“闭环直流电机控制系统”“智能车控制系统”等工程项目为依托，重新设计集中性实践环节内容，有效地促使学生掌握深入工程原理，结合工程实际，在技术及非技术能力上得到训练。

基于复杂工程问题，对实践环节教学组织、实施、重新规划。

以单片机系统课程设计中“闭环电机控制系统综合”项目为例，说明基于“复杂工程问题”实践环节综合项目教学实施进程图，如图5所示。项目内容围绕单片机控制直流电机，涉及到传感器技术、电子技术、单片机技术、无线通信技术、PID控制技术等多学科综合知识，考核学生的知识应用能力、问题分析能力、设计与开发能力、使用现代工具能力、团队合作能力、交流沟通能力、终生学习能力等综合能力。