编者按：为深入推进卓越工程师培养，天津大学持续深化落实新工科建设“天大方案”，实施并推进项目式教学，切实提升人才培养质量和学生创新创业能力。2021年，学校举办了首届新工科项目式课程设计大赛，评选出14门获奖课程。为了充分发挥优秀课程的示范引领作用，本报就获得一等奖的《设计与建造》《计算机组成与体系结构》《智能电子创客设计与实践》3门项目式课程进行重点推介。

践行创新精神与实践能力的培养

——我校首门新工科课程《设计与建造》建设侧记

□ 机械学院 张冠伟

2019年9月，作为天大新工科落地的第一门项目式课程——《设计与建造》终于与2019级“未来智能机器与系统平台”的同学们见面了。与传统课程不同的是，《设计与建造》课程没有长篇大论、没有手把手的解题方法的精讲，学生们直接就接到了一份课程项目任务书——“物流循迹小车”项目及一个长长的中英文书单。学生们自行组成了多个学习小组，每个小组必须在整个学期中通力协作，最终都要制作出符合考核指标的“物流循迹小车”，才能拿到课程成绩。这种颠覆传统课堂的方式，给学生们的学习带来了巨大挑战。在一个学期的学习中，学生们每天都不得不努力适应从“读书郎”向“未来工程师”的转变，包括学着克服自学各种知识的苦恼，包括站在台上向所有人汇报工作的进展……

新工科项目式课程《设计与建造》学生作品竞赛

这样的场景3年来已经在我校新工科教育的实践中逐步成为常态，而《设计与建造》这门课程也逐步在实践中不断完善，已成为学校新工科教育实践中的典型课程代表。

打破课程边界多个学科融合培养

《设计与建造》课程是面向本科一年级学生开设的一门有关产品设计与开发的入门级课程，旨在培养学生运用现代设计技术与方法解决设计问题的能力。授课内容包括：工程师的职责、项目管理、产品规划、概念设计、详细设计、机电控制、产品制作、经济分析。实验课包括：手绘、SolidWorks软件、虚拟现实、3D打印机组装、作品制作，结合项目制作，实践围绕一个产品的构思、设计、制作与展示全过程。

该课程教学团队坚持开放、融合、动态发展的理念，打破课程和学科壁垒，吸收各方向专业教师参与课程教学；通过组织、参加新工科教学研讨会等方式改变教师教学理念，及时获得国内外工科教学改革经验与最新研究成果；通过共享多种国家级一流本科课程教学资源，形成高阶性、创新性、挑战度的线上线下混合式教学过程。

课程教学团队打破传统工程课程设计、制造、控制脱节的局面，以培养系统工程师为目标，从开发产品系统的角度重新归纳凝练相关知识点；以产品设计理论为主线，将传统的设计制造类课程与信息控制类课程贯通，使学生在一门课中了解和掌握基本的机械设计、工程图学、3D打印、自动控制、嵌入式编程等知识，培养学生综合运用知识解决复杂工程问题的能力。课程选用国外经典教材为主教材，全面系统阐述复杂产品开发的流程、工具和方法，为提高学习者自主创新能力提供有力的理论和方法支持；配备工程图学、三维造型软件、机电控制等教学参考书；课程团队建设了课程网站，用于学生提交课程报告；教学PPT、项目任务书、元器件使用说明书、编程案例等资源均可在网上随时获得。

注重素质提升培养学生工程思维

该课程结合天津大学培养具有“家国情怀、全球视野、创新精神、实践能力”卓越人才办学定位，以立德树人为统领，在教学中融入思政元素，以国内企业自主创新、走向世界的历程，激发学生具有敢为“天下先”的创新精神，“精益”的工匠精神和为国奉献的情怀。

该课程通过项目制教学，阐释产品开发流程、设计表达、控制系统、制造技术等概念，使学生掌握产品规划、概念设计、详细设计、控制编程的实践步骤与方法，应用系统思维，使用结构化方法解决产品设计开发中的问题；在课程实践中，培养学生具备良好的团队协作精神，掌握合作与分工的工作方式，提高项目管理和团队领导力；通过多次项目进展汇报和成果答辩，有效锻炼学生的表达能力和用应用工程思维、系统思维定义分析问题、进行决策的能力；以各种工程上成功及失败案例分析，培养学生认真负责、诚实守信、追求卓越的工匠精神。

改革教学方式创新过程评价体系

该课程不再以教师讲授为主，而是包含堂上授课、研讨和实验三大部分，以学生自主学习和合作学习为主。教师的职责由灌输变为引导，按照“学懂-会用-敢为”的教学理念，创新教学模式，每一章的课程教学按“授课-研讨-实验”形成循环，结合课上所学在项目中实际应用。该课程的考核方式也更加注重过程考核，通过改变课程考核评价，注重全过程分项考核和组内个人贡献差异，包括书面课程报告、口头汇报研讨和作品跑测竞赛，综合考察学生掌握知识的程度。

该课程受到同学们的广泛好评，2020级学生评教问卷得分排在前三位的是：能力培养、兴趣引导、评价与考核。学生在留言中写道，“这次产品设计流程完整，感觉学习到了很多”，“有很多交流、合作和展示的机会，并能亲身参与产品制作”，“满意地制作出作品，有成就感”。

学生在赛道上调试项目作品— 派送小车

全国新工科建设工作组、学校教务处组织领导专家现场观摩了课程，获得同行好评。《中国教育报》《中国青年报》、“新华网”“人民网”“光明网”等多家媒体进行了报道，获得了显著的社会影响。《设计与建造》教学团队编写的《设计与建造项目式课程建设实录》一书，已由天津大学出版社出版发行。

“奋斗一学期 造台计算机”

——记《计算机组成与体系结构》项目式教学实践

□ 智算学部 魏继增

近年大家熟知的“华为事件”说明了我国的IT产业发展必须要依靠一套成熟的自主可控生态体系。该体系的缺失势必导致IT产业“缺芯少魂”。但目前我国高校的计算机专业培养了大量注重应用的“码农”，而真正的计算机创新人才极度匮乏，究其原因是系统能力培养的缺失。

系统能力是指能够理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，掌握计算机硬软件协同工作机制，并能综合运用多种知识与技术完成全系统开发的能力。《计算机组成与体系结构》作为系统能力培养的关键一环，其传统教学模式主要存在以下痛点：一是多采用横向“解剖式”教学方法，缺乏纵向“贯穿式”知识传授；二是实践教学多、综合验证少，使得复杂计算机系统中存在的深层次问题难以暴露；三是受限于实验室管理制度，实验缺乏灵活性和开放性；四是期末考试为主的评价方式无法反映学生阶段性学习效果，缺少对团队协作和解决复杂工程问题能力的评判。

针对上述问题，该课程团队围绕“奋斗一学期，造台计算机”的教学目标，构建了贯穿多个计算系统类知识点的项目式课程，旨在培养掌握自主可控技术的IT产业创新型人才。

课程教学目标：注重系统能力培养

该课程遵循基于产出的教育教学理念，以学生未来职业发展和国家重大需求为导向，基于软硬件协同设计方法学，围绕“设计一台功能完备，可支持操作系统和常见应用运行的计算机系统”这一复杂工程问题，构建与前后多门课程知识点“一以贯之”的项目式课程，了解计算机软硬件协同工作机制，从认知、分析、设计、集成、优化、应用多个层次实现对于学生“系统能力”的培养，使学生深入地理解计算机系统的运行机理，提高计算机系统分析能力、设计与集成能力、优化与应用能力，具备自主学习、辩证思维、团队合作的素质，最终成长为掌握自主可控技术的IT产业创新型人。

课程实施路径：分层次递进式

该课程重构了知识体系，具有珠串化知识特点；将该课程与前序课程和后续课程的知识点进行梳理、重构和珠串化，明确各课程在系统能力培养过程中所起的作用。摒弃过时的知识体系，建立具有“贯穿式”和“系统思维”特征的计算系统知识体系，是该课程特色之一。

项目组参加2019年中国计算机大会本科教学论坛

该课程设计了分层次、递进式项目实践体系，遵循基础能力培养-专业能力培养-综合能力培养这一流程，构建分层次、递进式项目式实践教学体系，即“奋斗一学期，造台计算机”。按照业界开发团队的组织架构，每6-8位学生组成了一个开发团队，每个团队又细分为模拟器开发组、CPU设计组、片上系统设计组、验证测试组，分别承担如下任务：1、CPU仿真测试环境的设计：采用高级语言设计指令集仿真器，用于实现对程序执行过程的模拟和调试，为后续的处理器及片上系统设计提供模拟环境。2、CPU设计与实现：在熟悉各类指令在流水线中的处理流程基础上，采用原理图方式设计流水线处理器的微架构；采用基于硬件描述语言的现代集成电路设计流程，完成具有标准5级流水线的CPU的建模。3、片上系统设计与实现：基于IP复用方法学，围绕所设计的CPU完成片上系统的集成和搭建，整个片上系统功能完备，具有处理器、存储系统和常见输入/输出外设，可运行操作系统微内核和常见应用。4、系统验证与测试：设计并提供各类测试用例，用于完成系统功能测试和性能评估。

该课程建立了“虚实结合、云端结合”的实践平台：“实”和“端”是指学生的设计运行在真实的硬件上，为学生提供了现场可编程逻辑门阵列口袋实验板，以便学生可随时随地开展实验。“虚”和“云”指的是课程基于口袋实验板搭建了远程实验系统，可同时满足上百名学生的实践需求，同时解决实验中心成本、安全及损耗问题。平台为学生提供开放的、共享的、无时间无地域限制的全新实践环境，提高了实践教学的效率和效果。

该课程制定了过程性、多元化评价机制，具有典型的“两性一度”特征。为避免出现“从入门到放弃”的情况，并充分考虑团队协作和单兵作战相配合，该课程实施过程性、多元化考核。在最终成绩中，设计方案陈述占20%，整体设计报告占40%，成果展示及汇报占20%（进一步细分为教师评分60%，组内互评30%，组间互评占10%），期末考试占20%，此外，对于达到特定要求的团队可获得期末免试的资格。

成效与推广价值：获好评多校选用

该课程取得了一定的教学成效：撰写教材3本，其中，《片上系统设计方法与实现》获天津大学优秀教材建设一等奖，《计算机系统设计》获天津大学优秀教材建设二等奖；课程入选2021年中国计算机教育大会教学资源建设优秀课程配套资源与优秀教学案例；率队参加全国大学生处理器设计大赛，获二等奖、三等奖多项。

据学生反馈，该项目式教学获得了大部分学生的充分肯定，反馈效果好，学生评教成绩在95分以上。学生普遍反映项目虽然挑战性高，但内容丰富，教师讲解具体、逻辑清晰，任务设置合理。此外，学生反映该项目式课程有利于能力提升，使系统思维得到了充分训练，同时激发了学习的积极性。

项目组参加计算机系统能力培养教学与实践高峰论坛

该课程教材《计算机系统设计》日前已被30余所高校选用，课程教师受邀参加多个教学研讨会，分享课程建设经验，如参加“第一届长三角计算机系统能力培养教学与实践高峰论坛”“第六届计算机系统能力培养峰会”“慕课联盟实践教学研讨会”等。

工程领军人才培养初探

——以《智能电子创客设计与实践》项目式课程为例

□ 求是学部 自动化学院

陈曦等

我校求是学部于2019年开始招收“未来智能机器与系统”平台本科生，目标是培养具有创造精神和能力的工程领军人才。首批全新设置的新工科项目式课程于2019年开始授课。《智能电子创客设计与实践》作为首批新设课程之一，在工程领军人才培养上进行了有益的探索。该课程获批天津市一流本科建设课程，获天津大学首届新工科项目式课程设计大赛一等奖，《中国教育报》、“新工科”微信号对该课程进行了专题报道，同时该课程作为新工科示范课程在天津大学“教学观摩月”中向全校推广。

新工科示范课程在“教学观摩月”中向全校推广

顶层设计精心组织课程建设

确立课程性质和教学内容

该课程自筹建之初，就得到了学校和相关学院的大力支持，多次召开会议组织授课教师就课程进行深入讨论，确立了课程性质是“面向‘零电学知识、零机械知识、零编程基础’的大一新生开设的，以机电设计为载体的创造思维实训课”，教学内容由“创客电子设计、新型传感器讲解、文献检索、手机App开发”等十部分构成。

领军人才特质与教学难点分析

创新性战略思维、优秀的综合能力是公认的工程领军人才必备的特质。该课程旨在解决“思维与能力培养”这一领军性人才培养中的核心难点问题，通过引入创客教育，构建以思维为导向、以“提出问题”为目标、满足“两性一度”要求的全新项目式课程，引导学生从战略角度重新审视生产、生活乃至人类社会面临的多种挑战，提出独特新颖的问题并综合利用机、电、声、光、智等多种技术手段来解决问题。

跨学院跨学科的教学团队组建

该课程几乎涵盖了工科主要学科，所以在自动化、机械、精仪、智算、微电子学院（部）和图书馆的协同配合下，由6个院级单位教师组建了跨学院、跨学科的教学团队。

特色鲜明重构教学全流程

该课程在教学实施过程中，按照《天津大学新工科建设方案》对教学全流程进行了重构。

2.0版项目式教学新模式。影响学生创造性思维的不仅仅是课程内容的设计，教学过程如目标设计、题目设计、场景设计、实施过程设计和评价过程设计都是影响创造性思维达成的关键环节。该课程突破了传统项目式课程既定题目、既定内容的模式，以“提出问题”为目标，以“解决问题”为导向，不给学生设定“边界条件”，通过理论和实践教学达到利用各种机电“黑科技”去逆向激发学生创意的目的，让学生主动发现各种社会、生产或生活中的问题，之后在教师指导下由学生自己将这些问题变为项目题目，进而利用所学习的机电知识和技能，设计全新的装置来完成项目。

创新性的项目主题设置。该课程不设具体的项目题目，只规定项目主题为火星探测器着陆场和未来火星常驻基地；基于《创新学》中环境重构理论，通过将项目主题设置在火星，引导焕发学生创新创造激情，并通过讲解科学知识和方法，实现了从“科幻”到“科学”的升华。

课赛结合实现过程性评价。该课程在教学过程中，同步启动了“X-Mars”火星创客挑战赛。该比赛由通关赛和决赛构成。通关赛安排在日常教学中，采用不设标准答案的开放性题目，除能力和知识点考核外，还增加了个人获得感描述性题目，实现全方位的过程性评价。

学生设计作品——“手中长眼”的柔性机械爪

教师一次评价与业界人士二次评价相结合。为让有创新设想的学生脱颖而出，该课程的成果评价采用由教学团队老师按评分表打分和由企业家、自由创客、初创公司负责人、创客空间组织者评价相结合，重在思维与能力的考核。

课程思政贯穿育人全过程

课程思政团队建设

为充实课程思政建设力量，该课程邀请了天津社科院资源环境与生态研究所、深圳柴火创客空间等单位党员专家，与教学团队教师共同组建了跨领域、校企联合的党员小组，为课程思政提供保障。各位校外专家积极献言献策，扩充了思政教学的广度和深度。比如天津社科院张新宇副所长在详细分析“双碳”目标的历史背景、重大意义和变革路径基础上，指出“双碳”目标既是国家战略，是中国共产党矢志不渝地为中国人民谋幸福的具体体现，又与每位同学的日常生活息息相关，建议2022年的课程项目设计以“双碳”作为主题。

全景式展现课程思政重要作用

该课程几乎涵盖了工科主要学科，为此依据不同学科属性和特点，将课程思政相关内容最佳匹配到相应学科，让学生全景式学习体验课程思政对工科发展的重要作用。例如在介绍“中国梦和创客梦”时，老师讲解习近平科技创新理论在中国成功实践的案例，促使学生将国家发展、科技进步、民生改善作为自身创新的精神源动力，践行了以专业知识讲解为载体，内嵌思政元素，助力对学生综合素质培养的课程思政方案。

该课程得到了学生的积极评价，2020级王馨甜说：“没有严格限制要求的项目设计工作有助于我们在更广阔的思考空间中大胆求索，突破自我，从而培养自身的创新思维，实现项目的创新设计。”袁萌启说：“这是一门激发想象的课程，更是一门教会我如何去将自己的想象变成现实的课程。”该课程教学团队将不断深化改革教学内容和方法，完善评价体系，引入第三方开展对领军人才培养效果的定性/定量评价，尽快出版课程配套教材，扩大课程影响力、辐射力和带动力。

（学生编辑 丁怡丹）