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【轉】【新工科教改·挑戰性學習課程】“進階式”挑戰課引導學生“積跬步以致千里”——信息與軟件工程學院以多旋翼飛行器設計為載體的教改探索

發布時間:2019-09-17 13:09:07 發布者:學院辦公室 作者: 查看:1065

【編者按“課堂是教育的主戰場。課堂一端連接學生,一端連接著民族的未來。教育改革只有進入到課堂的層面,才真正進入了深水區。課堂不變,教育就不變;教育不變,學生就不變。課堂是教育發展的核心地帶。”近年來,學校堅持立德樹人,持續深入推進教學模式與培養模式改革,建設高水平挑戰性研究型教學體系和高水平新工科教育體系;掀起“課堂革命”,不斷打造“金課”、淘汰“水課”,涌現出一批先進人物和典型案例。新聞中心開設“課堂革命”欄目,將陸續報道分享他們的好做法、好經驗。本期推出新工科教改優秀案例、信息與軟件工程學院“進階式挑戰性課程設計”的教改經驗,以饗讀者。

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跨度三個學期,難度逐漸增大,課程結束時,當初選課的“小白”已經成長為可以自己設計制作多旋翼飛行器的“大神”,在實習實訓“雙選”時受到業內知名企業的親睞,這樣的挑戰性課程讓學生在課堂內外沒少費心思,甚至是絞盡了腦汁,但也讓他們樂在其中。

“這個課內容豐富、形式靈活,老師不強行追趕進度,時常挑選小組挑戰性地研究知識點并分享給全班同學。”談起對課程的印象,軟件學院2017級韓嘉興同學說,“課程很硬核,跟著老師的指引動手做一個四旋翼飛機,就能深刻理解操作系統的底層架構了。”

課程組負責人廖勇副教授表示,該案例是軟件工程專業跨度1.5年的進階式系統性工程實踐課程,以多旋翼飛行器設計與實現作為挑戰性問題,通過貫穿三個學期的工程實踐激發學生能動性,通過高強度互動和團隊合作,培養學生的批判性思維、實踐與創新能力和快速獲取新知識并綜合運用的能力。

“項目驅動+問題驅動”

動手實踐把知識變成工程能力

進階式挑戰課程設計I/II/III課程以系統性、挑戰性項目的設計與實現為主線進行教學,聚焦某些關鍵環節進行研討,激發和引導學生課后開展項目實踐,培養學生的系統思維、批判與元認知思維方式,并幫助學生逐步建立綜合系統能力、交叉復合能力,為成為高層次軟件系統工程師打下基礎。

課程采取“小班授課+小班研討”的方式,實施過程以和“To learn by doing”為理念,以學生為主體開展動手實踐。“多旋翼飛行器”只是“系統性、挑戰性項目”中的諸多項目之一。實際上,這種進階式挑戰課程的教學理念可以融合到更多的實踐中去。這也就意味著,它可以為其他新工科課程提供參考和借鑒。

據了解,該課程自2012年開始執行,到現在已連續在六屆本科生中實施。由于效果明顯,其模式、方法和學生評價機制自2016年起在軟件工程專業全線推廣,并列入培養方案和“軟件工程專業516核心課程平臺”,占培養方案中畢業學分的7%。

“學生的收獲還是挺大的。”廖勇表示,“這個案例對于培養綜合系統能力、交叉復合能力和復雜工程問題解決能力很有幫助,Intel、大疆、展訊等大公司都喜歡要我們的學生,學生在后續一年的企業實習中表現都很好。”

該案例已獲得兩項教育部產學合作項目的支持,并榮獲中國軟件工程教學案例競賽一等獎,被列入中國軟件工程優秀教學案例庫進行推廣。此外,該案例庫的部分內容已連續三年應用在法國魯昂高等電力工程工程師學院的《Embedded Real-Time Operating System》課程中。

“分段開展+逐級遞進”

循序漸進“積跬步以致千里”

據介紹,進階式挑戰課程設計分為三個階段:I、II、III,分別在第3、第4、第5學期實施,學分分別為3分、4分和3分。這三個階段的后續階段都依賴前續階段的成果,各階段綜合應用相應階段課程的核心知識點,逐步進階,依據畢業標準指標點考核,最終完成完整系統設計。

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嵌入式方向的進階式挑戰課程設計I/II/III

  其中各個階段按照工程認證規范和本專業畢業要求指標點來確定教學大綱。軟件工程專業包含五個本科特色方向,分別是系統與技術、嵌入式系統、數字信息處理、互聯網安全、數字動漫等。在教學大綱指引下,這五個各方向根據各自的特色組織老師教學研討,擬定符合“進階式”、“挑戰性”和“系統性”理念的課程設計題目及任務書。這些題目經過逐年篩選和凝練,已形成經典的進階式挑戰課程設計項目庫。

“多旋翼飛行器設計”是項目庫中的一個經典項目。這個題目以多旋翼飛行器設計與實現為主線進行教學,聚焦某些關鍵環節進行研討,激發和引導學生課后開展項目實踐。

系統硬件設計是多旋翼飛行運動平臺的設計,飛行器運動平臺包括加速度、角速度、磁場、溫度、氣壓等傳感器以及電調、電機、攝像頭、系統板等。一個完成基本功能的四軸飛行器實現采用了以STM32F401RE為核心的嵌入式處理器,通過一塊自制轉接板與其他硬件模塊相連接。

軟件子系統基于開源嵌入式實時操作系統uc/OS II,通過對uc/OS II相關知識的學習與相應代碼的剖析、移植,以及對其進行深入理解并綜合應用,幫助學生建立初步的系統觀。學生可以在自己研制的硬件子系統的基礎上,進行上層軟件子系統、反饋控制子系統設計,并完成系統集成與測試。

再經過反復測試與調試,一個基本的可穩定飛行的多旋翼飛行器原型系統便成型了。該設計與實現涉及到了本科階段主體的專業知識,并且綜合應用了研究生階段嵌入式系統設計、高級計算機結構、軟件架構模型與設計等其它專業相關課程。實踐證明,該系統的設計能有效幫助學生建立初步系統能力。

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“小班研討+團隊協作”

課堂組織充分調動學生能動性

該課程的實施過程由學院實驗中心統一組織,過程管控、成績評定和考核都由實驗中心自主研發的“實踐教學管理信息化平臺”進行監管。實驗中心將項目庫的各項目分階段、分年級在指定時間節點發布給學生,學生根據個人興趣組隊選擇題目和指導老師,在指導老師和實踐教學管理信息化平臺的監管下實施,比如時間節點管理、在線提交報告、教師在線評閱和總成績計算等。

在課堂組織方式上,依托學校第一批“探究式小班教學”教改項目和“高素質軟件工程人才的系統能力培養模式”教改項目成果,借鑒廖勇在法國魯昂高等電力工程師學院的教學經驗開展小班研討。

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在教學方法上,課程組圍繞各個階段的任務和設計中遇到的問題,定期開展小班研討、答疑、進度檢查、文檔寫作交流。研討環節強調以學生為中心、以問題驅動;教師發揮引導作用,采取引導式和啟發式方法,適時地針對教學內容提出一些問題,讓學生積極思考,并根據思考過程推導出新的知識點。這就調動了學生的積極性和主動性,活躍了課堂氣氛。

“我感覺這個課程很有趣,老師在課堂上經常‘挖坑’,鼓勵我們獨立思考,然后在學習過程中一個個把‘坑’填平,學到最后,就會有一種豁然開朗的感覺。”軟件學院2017級漆孟靈同學說,“廖勇老師不會直接教我們四軸飛行器所用的系統,而是教我們學會知識和能力的遷移,形成以不變應萬變的能力。”

在鼓勵學會發揮能動性的同時,該課程還十分重視團隊協作能力。學生以組為單位(每組約5人)進行進階式挑戰課程設計,在老師引導下查閱資料、分析、設計和實現系統,再根據設計進度,在課內研討自己的學習和設計思路,在老師的組織引導和啟發下開展課堂研討。這樣既充分鍛煉了學生的自學能力、總結能力、知識點梳理能力、融會貫通能力、設計能力、批判思維能力、表達能力、團隊協作能力,又可將重要的、抽象的知識點具體化,使學生的理解更加深刻,從而把知識轉換成能力和素質。

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“面向能力+注重過程”

考核評價“指揮棒”引導學生結碩果

軟件學院2017級楊嶸同學在學過課程后表示,自己學到了嵌入式操作系統的典型特征、經典算法以及應具備的模塊功能等,更大的收獲在于,自主學習、知識和能力遷移能力得到了極大的提高。

楊嶸有一次在課上提出有關“關中斷”的疑問向老師和同學們請教,沒想到廖勇直接把任務布置了楊嶸自己,讓他了解并掌握μC/OS-II三種“關中斷”的相關知識并給同學們分享。廖勇說:“一次精彩的分享,就是要讓臺下的人盡可能少的動用他們的智力就能聽懂你所講的東西。”這句話令楊嶸至今難忘。

注重學生的能力,這是該案例課程評價的基本特點。據介紹,進階式挑戰課程設計I/II/III每個階段獨立評價,每個階段分為初期、中期和期末答辯三部分進行考核,最終成績與各部分比例如下:總成績(100%) = 初期(20%)+中期(40%) +期末答辯(40%)。

這種評價方法,十分注重過程評價和平時能力評價。過程評價和平時能力評價包括成績構成中的初期和中期兩部分,各部分分別由相應節點內的平時成績平均值構成。各小組單次平時成績由指導教師在定期開展的小班研討環節,根據學生課程設計完成情況、能力展示情況給出;小組內各成員成績在小組成績基礎上通過小組互評給出。

期末答辯成績由實驗中心組織的、由3人組成的答辯組共同評定,期末答辯成績包括兩部分,具體比例為:期末答辯成績(100%)= 包括報告成績(40%)+ 答辯成績(60%)。報告成績和答辯成績根據各階段所支撐的畢業要求指標點,分項詳細量化評價。

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“學生真正有獲得感,我們課程組的老師們都很欣慰。”廖勇表示,進階式挑戰課程設計I/II/III是在學院“卓越工程師計劃”培養模式下實施的,順應了新工科人才培養發展趨勢。它是本科生在學習本專業基礎課和核心課的時候同時協同開展的,是培養學生形成專業能力和素質的重要手段。課程組將持續探索,把課程做得更好,讓更多學生受益。


 

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