【新工科教改·挑战性标杆课程】“进阶式”挑战课引导学生“积跬步以致千里”

——信息与软件工程学院以多旋翼飞行器设计为载体的教改探索

文:王晓刚 学生记者团 高千雯 图:课程组 / 来源:学生记者团 / 2019-09-17 / 点击量:2830

  【编者按“课堂是教育的主战场。课堂一端连接学生,一端连接着民族的未来。教育改革只有进入到课堂的层面,才真正进入了深水区。课堂不变,教育就不变;教育不变,学生就不变。课堂是教育发展的核心地带。”近年来,学校坚持立德树人,持续深入推进教学模式与培养模式改革,建设高水平挑战性研究型教学体系和高水平新工科教育体系;掀起“课堂革命”,不断打造“金课”、淘汰“水课”,涌现出一批先进人物和典型案例。新闻中心开设“课堂革命”栏目,将陆续报道分享他们的好做法、好经验。本期推出新工科教改优秀案例、信息与软件工程学院“进阶式挑战性课程设计”的教改经验,以飨读者。

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  跨度三个学期,难度逐渐增大,课程结束时,当初选课的“小白”已经成长为可以自己设计制作多旋翼飞行器的“大神”,在实习实训“双选”时受到业内知名企业的亲睐,这样的挑战性课程让学生在课堂内外没少费心思,甚至是绞尽了脑汁,但也让他们乐在其中。

  “这个课内容丰富、形式灵活,老师不强行追赶进度,时常挑选小组挑战性地研究知识点并分享给全班同学。”谈起对课程的印象,软件学院2017级韩嘉兴同学说,“课程很硬核,跟着老师的指引动手做一个四旋翼飞机,就能深刻理解操作系统的底层架构了。”

  课程组负责人廖勇副教授表示,该案例是软件工程专业跨度1.5年的进阶式系统性工程实践课程,以多旋翼飞行器设计与实现作为挑战性问题,通过贯穿三个学期的工程实践激发学生能动性,通过高强度互动和团队合作,培养学生的批判性思维、实践与创新能力和快速获取新知识并综合运用的能力。

“项目驱动+问题驱动”

动手实践把知识变成工程能力

  进阶式挑战课程设计I/II/III课程以系统性、挑战性项目的设计与实现为主线进行教学,聚焦某些关键环节进行研讨,激发和引导学生课后开展项目实践,培养学生的系统思维、批判与元认知思维方式,并帮助学生逐步建立综合系统能力、交叉复合能力,为成为高层次软件系统工程师打下基础。

  课程采取“小班授课+小班研讨”的方式,实施过程以“To learn by doing”为理念,以学生为主体开展动手实践。“多旋翼飞行器”只是“系统性、挑战性项目”中的诸多项目之一。实际上,这种进阶式挑战课程的教学理念可以融合到更多的实践中去。这也就意味着,它可以为其他新工科课程提供参考和借鉴。

  据了解,该课程自2012年开始执行,到现在已连续在六届本科生中实施。由于效果明显,其模式、方法和学生评价机制自2016年起在软件工程专业全线推广,并列入培养方案和“软件工程专业516核心课程平台”,占培养方案中毕业学分的7%。

  “学生的收获还是挺大的。”廖勇表示,“这个案例对于培养综合系统能力、交叉复合能力和复杂工程问题解决能力很有帮助,Intel、大疆、展讯等大公司都喜欢要我们的学生,学生在后续一年的企业实习中表现都很好。”

  该案例已获得两项教育部产学合作项目的支持,并荣获中国软件工程教学案例竞赛一等奖,被列入中国软件工程优秀教学案例库进行推广。此外,该案例库的部分内容已连续三年应用在法国鲁昂高等电力工程工程师学院的《Embedded Real-Time Operating System》课程中。

“分段开展+逐级递进”

循序渐进“积跬步以致千里”

  据介绍,进阶式挑战课程设计分为三个阶段:I、II、III,分别在第3、第4、第5学期实施,学分分别为3分、4分和3分。这三个阶段的后续阶段都依赖前续阶段的成果,各阶段综合应用相应阶段课程的核心知识点,逐步进阶,依据毕业标准指标点考核,最终完成完整系统设计。

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嵌入式方向的进阶式挑战课程设计I/II/III

  其中各个阶段按照工程认证规范和本专业毕业要求指标点来确定教学大纲。软件工程专业包含五个本科特色方向,分别是系统与技术、嵌入式系统、数字信息处理、互联网安全、数字动漫等。在教学大纲指引下,这五个各方向根据各自的特色组织老师教学研讨,拟定符合“进阶式”、“挑战性”和“系统性”理念的课程设计题目及任务书。这些题目经过逐年筛选和凝练,已形成经典的进阶式挑战课程设计项目库。

  “多旋翼飞行器设计”是项目库中的一个经典项目。这个题目以多旋翼飞行器设计与实现为主线进行教学,聚焦某些关键环节进行研讨,激发和引导学生课后开展项目实践。

  系统硬件设计是多旋翼飞行运动平台的设计,飞行器运动平台包括加速度、角速度、磁场、温度、气压等传感器以及电调、电机、摄像头、系统板等。一个完成基本功能的四轴飞行器实现采用了以STM32F401RE为核心的嵌入式处理器,通过一块自制转接板与其他硬件模块相连接。

  软件子系统基于开源嵌入式实时操作系统uc/OS II,通过对uc/OS II相关知识的学习与相应代码的剖析、移植,以及对其进行深入理解并综合应用,帮助学生建立初步的系统观。学生可以在自己研制的硬件子系统的基础上,进行上层软件子系统、反馈控制子系统设计,并完成系统集成与测试。

  再经过反复测试与调试,一个基本的可稳定飞行的多旋翼飞行器原型系统便成型了。该设计与实现涉及到了本科阶段主体的专业知识,并且综合应用了研究生阶段嵌入式系统设计、高级计算机结构、软件架构模型与设计等其它专业相关课程。实践证明,该系统的设计能有效帮助学生建立初步系统能力。

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“小班研讨+团队协作”

课堂组织充分调动学生能动性

  该课程的实施过程由学院实验中心统一组织,过程管控、成绩评定和考核都由实验中心自主研发的“实践教学管理信息化平台”进行监管。实验中心将项目库的各项目分阶段、分年级在指定时间节点发布给学生,学生根据个人兴趣组队选择题目和指导老师,在指导老师和实践教学管理信息化平台的监管下实施,比如时间节点管理、在线提交报告、教师在线评阅和总成绩计算等。

  在课堂组织方式上,依托学校第一批“探究式小班教学”教改项目和“高素质软件工程人才的系统能力培养模式”教改项目成果,借鉴廖勇在法国鲁昂高等电力工程师学院的教学经验开展小班研讨。

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  在教学方法上,课程组围绕各个阶段的任务和设计中遇到的问题,定期开展小班研讨、答疑、进度检查、文档写作交流。研讨环节强调以学生为中心、以问题驱动;教师发挥引导作用,采取引导式和启发式方法,适时地针对教学内容提出一些问题,让学生积极思考,并根据思考过程推导出新的知识点。这就调动了学生的积极性和主动性,活跃了课堂气氛。

  “我感觉这个课程很有趣,老师在课堂上经常‘挖坑’,鼓励我们独立思考,然后在学习过程中一个个把‘坑’填平,学到最后,就会有一种豁然开朗的感觉。”软件学院2017级漆孟灵同学说,“廖勇老师不会直接教我们四轴飞行器所用的系统,而是教我们学会知识和能力的迁移,形成以不变应万变的能力。”

  在鼓励学会发挥能动性的同时,该课程还十分重视团队协作能力。学生以组为单位(每组约5人)进行进阶式挑战课程设计,在老师引导下查阅资料、分析、设计和实现系统,再根据设计进度,在课内研讨自己的学习和设计思路,在老师的组织引导和启发下开展课堂研讨。这样既充分锻炼了学生的自学能力、总结能力、知识点梳理能力、融会贯通能力、设计能力、批判思维能力、表达能力、团队协作能力,又可将重要的、抽象的知识点具体化,使学生的理解更加深刻,从而把知识转换成能力和素质。

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“面向能力+注重过程”

考核评价“指挥棒”引导学生结硕果

  软件学院2017级杨嵘同学在学过课程后表示,自己学到了嵌入式操作系统的典型特征、经典算法以及应具备的模块功能等,更大的收获在于,自主学习、知识和能力迁移能力得到了极大的提高。

  杨嵘有一次在课上提出有关“关中断”的疑问向老师和同学们请教,没想到廖勇直接把任务布置了杨嵘自己,让他了解并掌握μC/OS-II三种“关中断”的相关知识并给同学们分享。廖勇说:“一次精彩的分享,就是要让台下的人尽可能少的动用他们的智力就能听懂你所讲的东西。”这句话令杨嵘至今难忘。

  注重学生的能力,这是该案例课程评价的基本特点。据介绍,进阶式挑战课程设计I/II/III每个阶段独立评价,每个阶段分为初期、中期和期末答辩三部分进行考核,最终成绩与各部分比例如下:总成绩(100%) = 初期(20%)+中期(40%) +期末答辩(40%)。

  这种评价方法,十分注重过程评价和平时能力评价。过程评价和平时能力评价包括成绩构成中的初期和中期两部分,各部分分别由相应节点内的平时成绩平均值构成。各小组单次平时成绩由指导教师在定期开展的小班研讨环节,根据学生课程设计完成情况、能力展示情况给出;小组内各成员成绩在小组成绩基础上通过小组互评给出。

  期末答辩成绩由实验中心组织的、由3人组成的答辩组共同评定,期末答辩成绩包括两部分,具体比例为:期末答辩成绩(100%)= 包括报告成绩(40%)+ 答辩成绩(60%)。报告成绩和答辩成绩根据各阶段所支撑的毕业要求指标点,分项详细量化评价。

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  “学生真正有获得感,我们课程组的老师们都很欣慰。”廖勇表示,进阶式挑战课程设计I/II/III是在学院“卓越工程师计划”培养模式下实施的,顺应了新工科人才培养发展趋势。它是本科生在学习本专业基础课和核心课的时候同时协同开展的,是培养学生形成专业能力和素质的重要手段。课程组将持续探索,把课程做得更好,让更多学生受益。



编辑:王晓刚  / 审核:林坤  / 发布者:陈伟