新工科背景下“光機電算一體化”挑戰性實驗課程的設計

漆 強， 劉 爽

(電子科技大學 光電科學與工程學院， 四川 成都 610054)

“挑戰性學習”(challenge based learning，簡稱CBL)是一種創新的教學模式，在具體的教學實踐中，采用以學生為中心，以項目為導向的教學思路。所選項目來源于實際的工程實踐和競賽題目，具有一定的趣味性和實用性，如光電導航智能小車、無人機尋跡投球等。教師在教學時只需要講授必要的基礎知識，同時引導學生進行方案的選擇和設計，具體實現則是由學生以團隊形式，通過親手設計和制作的方式完成項目，在項目的實施過程中掌握知識，培養實踐能力、自主學習能力以及團隊協作能力[1]。

1 課程建設背景

1.1 “新工科”建設要求

“新工科”是基于大數據、物聯網、人工智能等新經濟領域背景而提出的，是相對于“傳統工科”的新概念。目前教育部倡導全國高校積極開展“新工科”的研究和實踐，從而深化工程教育改革，推動“新工科”的建設與發展。 “新工科”除了增加一些新的工科專業以外，更多的是對原有工科專業的新要求，這就需要建設一批體現產業和技術最新發展的新課程、建設一批跨學科的實踐平臺、培養一批工程實踐能力強的高水平專業教師?；谶@樣的背景，設計了“光機電算一體化”挑戰性實驗課程[2]。

1.2 依托多層次、全方位的學科競賽體系

光電科學與工程學院構建了“校級”“省級”“國家級”3層次、全方位的學科競賽體系，學校層面的“京東方杯”電子科技大學光電設計競賽、省級層面的四川省光電設計競賽、國家層面的全國大學生光電設計競賽，實現了“普惠性”的科技創新競賽體系。利用光電競賽平臺，可以促進光電知識的普及，加強學生實踐、創新能力和團隊精神的鍛煉和培養。同時通過“以賽促學”“以賽促教”的理念，推動人才培養模式和實踐教學改革，提高學生的培養質量[3-5]。

2 教學實施方案

在以學生為中心，以項目為導向的指導思想下，依托第四屆全國大學生光電設計競賽的競賽題目“基于光電導航的智能移動測量小車”，設計了光電導航智能小車實踐教學平臺，并以該平臺為基礎，將教學目標分解到一個一個的小項目中，學生通過具體的項目設計，就可以完成教學目標、掌握相關的知識點[6]。

2.1 光電導航智能小車實踐教學平臺

光電導航智能小車實踐教學平臺的設計采用項目驅動的方式，要求學生設計一輛具有光電導航功能的智能車，從線路的指定點出發，沿軌道上鋪設的“8”字形導航條走完全程。在行駛過程中，測量并記錄沿途所通過的3段隧道各自的長度及沿途路邊樹木(用鉛筆代替)的總棵數。賽道的示意圖如圖1所示。

圖1 賽道示意圖

以該項目任務為基礎，將整個設計任務分解成各個功能模塊。光電導航智能小車實踐教學平臺的功能模塊如圖2所示。

圖2 光電導航智能小車模塊結構圖

在實際的教學實踐中，由教師提供系統設計方案和功能模塊電路。各個功能模塊只給學生提供相應的設計參考思路，如賽道中隧道長度的測量，可以利用反射型光電傳感器、激光傳感器和超聲波傳感器等多種傳感器實現；賽道的尋跡可以使用分離的紅外光電傳感器、線陣CCD和攝像頭等多種模塊完成。學生需要查找相關資料、分析各個方案之間的優劣、繪制模塊的電路原理圖、印制板圖、完成硬件的焊接和測試，并利用杜邦線和熱熔膠將各個功能模塊連接和固定，最終完成整個光電系統的設計[7-9]。最終的硬件實物如圖3所示。

圖3 光電導航智能小車硬件實物圖

2.2 教學內容和教學設計

光電導航智能小車是一個跨學科的實踐教學平臺，涵蓋了“光學設計”“機械構造”“電路分析”“算法處理”等多個學科的相關知識，其包括的教學內容如圖4所示。

圖4 光電智能導航小車實踐教學平臺的教學內容

在具體的教學設計上，也注重和具體的工程實踐相結合，以項目為導向來講授相關的知識點。

以其中電路部分的微控制器設計為例，在傳統的教學模式中，往往是先介紹某一款微控制器的基本框架，然后按照時鐘系統、通用輸入/輸出接口、中斷系統、定時器、串口通信和數模轉換等各個模塊逐一介紹。這種教學模式將課程分割為章節，每個章節介紹一個模塊，強化了各個模塊自身的學習，但是弱化了各個模塊之間的相互聯系。學生在學習時，僅僅是知道了相關模塊的使用方法，而對于這些模塊在實際工程項目中的具體應用卻無法了解，更無法建立一個光電集成系統的整體設計概念[10]。

在使用光電智能導航小車實踐教學平臺進行教學時，每一個知識點除了介紹基本原理和用法以外，都有對應的應用項目與之關聯。比如學習了通用輸入/輸出接口后，就可以利用這個接口輸出高電平或者低電平去控制電機的正轉和反轉，進而控制小車的前進和后退；學習了PWM(脈沖寬度調制)后，可以利用它去控制舵機，進而控制小車轉向時的轉動角度；學習了定時器后，可以利用它的計數功能完成對賽道旁樹木的計數。這樣的學習模式做到了有的放矢、言之有物，可充分啟發學生的學習興趣和學習目的[11]。

以微控制器設計部分為例，各個模塊所對應的項目任務如圖5所示。

圖5 微控制器設計各個模塊對應的項目任務

在完成所有知識點的學習后，將整個系統中的電源電路、驅動電路、光電傳感器、機械結構等光機電算模塊整合，完成小車尋跡和測量任務。在這個復雜任務的學習過程中，學生不再是簡單地學習各個單一的知識點，而是發揮自身的主觀能動性和團隊合作精神，去探索和實踐。通過項目驅動的方式，將原來簡單的知識灌輸變成了知識探索，讓學生在完成一個個的任務過程中掌握了相關的知識和工程技能，同時對各個知識點的聯系和系統的整體設計也了然于胸[12-13]。

2.3 采用“以賽促學”“以賽促教”的全新考核方式

采用了“以學生為中心”“以項目為導向”的教學模式后，傳統的考試方式已經無法測試學生對于相關工程實踐技能的掌握，需要采用一種新的考核手段來檢驗學生的學習效果。經過多年的教學實踐，結合光電科學與工程學院構建的“校級”“省級”和“國家級”3層次、全方位的學科競賽體系，探索出一條“以賽促學”“以賽促教”的全新考核方式，即通過學科競賽檢驗學生的學習效果。

具體的做法是根據學生的不同年級鼓勵學生參與不同層次的學科競賽，大一的學生參與校級的“京東方杯”電子科技大學光電設計競賽，大二的學生參與省級的四川省光電設計競賽，大三的學生參與國家級的全國大學生光電設計競賽。

在競賽的參與過程中，除了檢驗學生的學習效果以外，由于學科競賽的參與形式一般是3人一組，需要團隊協作，這樣也鍛煉了學生的團隊合作和協同學習的能力。同時學科競賽還要求學生提交設計報告和答辯報告，可以鍛煉學生的科技論文寫作能力、文獻查閱能力、口頭表達和自我展示能力(見圖6)[14]。

3 課程成效及創新點

本課程自2016年立項并實施，至今已經開課4次，累計受益人數200余人，在教學改革、教學研究以及學科競賽獲獎方面都取得了一定的成效：申請校級教學改革項目2項、發表教研論文3篇、參與課程的學生獲2017年全國大學生電子設計競賽全國一等獎2項、2017年第一屆四川省大學生光電設計競賽一等獎1項及二等獎2項。同時課程的部分成果由學院整合后獲評2017年四川省教學成果一等獎，并申報2018年全國教學成果獎。

本課程還具有以下創新點：

(1) 全新的教學模式(教學方式、考核方式)。 “以學生為中心”“以項目為導向”的教學模式，發揮了學生的主觀能動性，激發了學生的學習激情，大部分學生在完成相應的項目模塊后，都能獲得相關的工程實戰經驗。以學科競賽為考核的模式，增加學生的團隊合作精神。同時學科競賽的題目難度對于課程的學習內容而言有一定的拔高，需要學生進行有一定深度的學習。

圖6 光電設計競賽的測試和答辯

(2) 契合“新工科”設計思想。在“光機電算一體化”挑戰性實驗課程中，構建了光電導航智能小車實踐教學平臺，它涵蓋了光機電算各個相關學科的知識，是一個跨學科的綜合實踐平臺，契合了教育部在新工科背景下建設一批跨學科實踐平臺的要求，具有一定的示范作用。

(3) 競賽題目的落地。學科競賽中的競賽項目，一般都結合工程實際，又貼合行業熱點，把與生產生活相關的實際問題轉化為競賽題目。在課程的建設中，將這些競賽題目進行課程化、項目化，既可以借助競賽平臺提高競賽指導水平、培養拔尖創新人才，又激發了學生的學習興趣，培養學生解決復雜工程問題的能力[15]。

4 結語

“光機電算一體化”挑戰性實驗課程是實施人才培養改革中做出的一種探索，它從學生的角度出發，以學生為中心，以項目為導向，針對每個知識點設計相關的項目任務，并整合所有任務，最終完成一個光電系統的整體設計。本課程經過兩年來的實踐，取得了一定的成效，但還存在很多需要改進的地方，比如項目指標的細化、加強學生制造工藝方面的介紹等。