“卓越工程師計劃”試點班課堂教學改革與實踐

李江昊 常丹華 張寶榮 黃震 郭璇 劉雪強

[摘要]卓越計劃試點班的課堂教學要求面向工程實際、增加實踐內容，課堂教學的方式方法需要進行改革以適應卓越計劃人才培養的需求。以開拓知識視野、激發學習熱情、培養實踐能力為目的，探討了基于一點兩面原則的三環相扣式的教學方法，該方法圍繞學生這個中心，通過課內教學、課外訓練和課程設計3個緊密聯系的環節，以各種途徑和方法拓展了理論知識面和工程實踐知識面。

[關鍵詞]卓越工程師計劃；課堂教學；教學方法

[中圖分類號]G642[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634(2012)01-0046-04

0引言

“Made in China”這句曾經讓無數國人感到自豪的英文，如今帶來的更多是沉重。在科技創新飛速發展的今天，中華民族迫切期待的是“Designed in China”。創新始于教育，國家民族的希望也在于教育，這已經成為國人的共識，工程技術領域創新的基礎源于學生時代的工程教育。

本著為未來工程領域培養優秀工程師后備軍的目標，2010年6月國家教育部啟動了“卓越工程師培養計劃”，它要求高校轉變辦學理念、改革人才培養模式，培養出面向世界的優秀工程技術人才，以提升我國產業的國際競爭力[1]。筆者所在燕山大學有幸成為第一批卓越工程師計劃試點高校之一。學校經過對報名學生進行遴選，最終選拔出175名學生組成了3個“卓越計劃”試點班（以下簡稱“卓越班”）。

“卓越計劃”目標遠大，激動人心，但萬丈高樓，起于累土，未來的優秀工程師也是從今天的一門門課程中汲取營養，逐漸成長起來的。因此，擔任“卓越班”授課任務的教師倍感責任重大，如何圍繞卓越計劃的培養目標進行教學方式方法的改革，這是縈繞在每位授課教師心頭的首要問題。

課堂教學改革是摸著石頭過河，特別是對待卓越班這樣的新生事物，需要經驗、智慧和勇氣。本文提出了“一點兩面”三明治式的教改原則，針對卓越班學生的實際狀況，結合多年的教學經驗、想法，進行了多環節的教學改革實踐，并以電類專業基礎課《數字電子技術基礎》為例，在教學內容篩選組織、教學方法等方面進行了嘗試，取得了不錯的教學效果。

1“一點兩面”的教改原則

1.1教改原則

沒有規矩不成方圓，教學改革要遵循一定的原則。針對卓越班制訂了“一點兩面“三明治式教改原則，“一點”指以學生為中心，無論如何改革，都要根據學生自身的實際條件因材施教；“兩面”指以教材中的理論知識和工程實踐知識為支撐面，這兩個支撐面的知識又有多種渠道來源。教改原則中的“點、面”構成如圖1所示，理論知識（面）的來源有兩個，分別為教材中必修內容和選修內容；工程實踐知識（面）的來源包括教師做過的工程課題等4個，均來自教材外。

“兩面”為“一點”服務，并且兩面的面積要根據一點的大小設定，即要適合點的大小。這里的“面積”指理論、工程實踐知識的廣度和深度，點的“大小”則指學生的自身條件，如基礎、理解力等。如果超越學生自身條件，片面追求所謂的卓越，任意增加知識的廣度、深度，則會揠苗助長，事與愿違。

1.2卓越班學生狀況分析

卓越班的學生都經過層層選拔，是原班級中比較優秀的學生，有較好的基礎。最重要的是他們有從事工程技術工作的熱情和興趣，愛因斯坦有句名言：“興趣是最好的老師”，學生自身有熱情、興趣，對教師優化課堂教學大有裨益。

此外，卓越班的許多課程是單班上課，包括筆者所教的《數字電子技術基礎》，這也是筆者第一次給單班上課（此前至少是4個教學班同時上）。單班上課比多班上課有很大的優勢，教師可以更好的掌握課堂，以前多班上課時不容易采用的問答、互動等教學手段此時都可以方便地使用，而學生的注意力、聽課效果也會極大提高。

卓越班的不利因素是課程過多。根據培養計劃，前3年要修完所有課程，第4年安排實習，因此不少課程提前半年學習。課程多、壓力大，容易引起思想上的波動，影響學習效果。因此教師一方面進行思想工作，給學生減壓，另外授課時也注意當堂消化，不增加課業負擔。

2三環相扣的教改實踐

教改實踐包括3個環節：課內教學、課外訓練和課程設計。課內教學是基礎，是積累知識；課外訓練是初訓，初步鍛煉實踐能力；而課程設計是實訓，全面檢驗理論和實踐知識的掌握情況，它們之間的關系如圖2所示。這3個環節由外至內是一個包容的關系，即內層知識是外層知識的基礎。而由內至外則是一個發散的過程，學習理論和實踐知識的最終目的是創新、是應用，所以知識按照圖1中的流程收縮積累后，必須發散出去。

2.1廣內容和多方法相融合的課內教學

作為教改的第一個環節，課內教學涉及的內容廣、學時長，因此是最重要、投入精力最多的環節。課內教學是廣內容與多方法相融合的過程，廣內容指拓寬理論知識和工程實踐知識兩個方面，多方法指改變靜態、呆板的教學方法，采取較為有效的新方法，如主動學習、探索性實驗[2]。廣內容、多方法的實施目的有3個：開拓知識視野、激發學習熱情、奠定實踐基礎。

1）教學內容的拓展。為拓寬理論知識，將多班授課時不講的選修內容選擇一部分向卓越班學生進行講解。之所以選擇一部分，時間因素是一方面，另外有些內容理論深度較大，況且在實際應用中也很少用到。選講的內容要考慮學生未來在工程中可能遇到的情況，如“門電路”這一章中，必修內容為CMOS電路和TTL電路兩大類，但二者混用時的接口電路卻不是必講內容。但考慮到CMOS和TTL電路混用實際情況的存在，因此將二者接口電路內容也向學生作了介紹。類似內容還如“組合電路的競爭——冒險現象”等，也屬非必講內容，但工程設計中卻會常常遇到。

拓寬工程實踐知識的途徑主要有4種，已經在圖1中列出。拓寬的具體內容則來源于教師多年的工程設計知識和經驗積累。這些途徑及其所涉及的具體內容的形成經過任課教師的深思熟慮，難度、深度都要控制得當，因為必須考慮到學生的工程理解能力還處于萌芽狀態這一實際情況。

未來學生從事工程技術工作，首先面對的應該是資料的查閱，因此將“工程資料查閱方法”作為工程知識面拓展的第一個內容。資料查閱涉及內容很多，比如查論文、查專利、查集成電路等。筆者選擇的是介紹查閱集成電路“Datasheet”（即使用手冊）的方法，因為學生做數字電路設計時會使用到各種型號的集成電路，這些集成電路的邏輯功能、引腳功能都包含在Datasheet中，因此掌握Datasheet的概念、查閱和閱讀方法都十分必要。另外，同論文、專利的查閱相比，Datasheet的查閱需求更迫切，也容易上手。

以往經常有學生問“學的這個知識有何用”。工程知識拓展引入的第二個內容“與授課內容有關的工程實例”，就是為了回答這個問題。選擇的實例應是學生比較熟悉的生活中的例子。例如，組合邏輯電路一章中有“編碼器”、“譯碼器”、“數碼管”等內容，工程實例舉的是利用這些器件構成“醫院的病房呼叫系統”，患者發出的呼叫信號經編碼器編成BCD碼，再經顯示譯碼器輸出到數碼管，直觀顯示患者的病房號。其實學生對病房呼叫系統這個概念并不陌生，但并不知道它是如何構建起來的。通過這個例子，學生加深了對相關內容的理解。再比如，講到“單穩態觸發器”時，舉的實例是樓道中控制照明燈點亮時間的“觸摸延時開關”，這個開關就可以用單穩態觸發器來實現。

作為一名優秀的電子工程師，必須及時跟蹤自己領域最新的技術發展。因此，工程知識拓展的第三個方面介紹了“最新數字電路的設計手段”，即電子設計自動化（簡稱EDA）技術。向同學們簡述了EDA技術硬件方面的CPLD、FPGA和軟件方面的Max+plus II、Quartus II等內容，為后續進行數字電路的課程設計作了鋪墊。

拓展的第四個內容是“教師做過的工程課題”，將實際課題中同數字電路相關的內容剝離出來講解，教師現身說法，學生表現出很大的興趣。例如筆者碩士期間做過的“塑料光纖直徑測量系統”課題，涉及到的數字電路知識就包括了A/D轉換、EDA技術、數碼管驅動及顯示、D/A轉換等很多方面。通過這個例子，學生能切實感受到數字電路強大的功能。

理論、實踐知識面的拓展需要占用一定的課堂時間，這個時間可以通過精煉必修內容、適當提高必修內容的講解速度獲得。例如介紹集成電路生產廠商、器件Datasheet等內容占用了1課時，這個時間就是節省出來的。卓越班學生基礎較好，適當提高講課速度是可行的。

2）多種教學方法。教學效果的好壞與教學方法密切相關，卓越班的單班授課形式為多種教學方法的實施創造了條件。目前采用的教學方法主要分三類：師生互動、（學生）主動學習和探索性實驗教學。其中師生互動教學具體包括提問、多媒體展示等。

“提問”是一個古老而有效的課堂教學方法。講課時，不時拋出一些略需動腦的小問題給學生，不失為單班授課的一個好方法。其實問題回答正確與否并不重要，重要的是讓學生動了腦筋，同時也集中了聽課注意力。但要注意的是不要問難度較大的問題，一旦回答不上了，學生自尊心可能會受到打擊，反而對學習不利。

隨著電子教學手段的飛速發展，投影儀、實物展臺等多媒體教學儀器早已進入到了課堂之中，必須充分加以利用。如在拓展工程知識面的教學活動中，教師制作了圖文并茂的課件；在介紹教師課題時，通過展臺展示了課題電子系統的實物。通過這些多媒體手段，學生對拓展的工程知識有了直觀的感受，它的效果比任何華麗的語言都有效。

主動學習式的教學中師生角色要互換，學生在學習知識后要為教師和其他同學作現場講解。主動學習方式除了可以鍛煉學習能力之外，還能鍛煉學生的語言組織能力和表達能力，在未來工作中，這兩點也非常重要。主動學習又可分為半主動式和全主動式兩種。半主動學習中的學習內容由教師安排，例如安排學習“同或、異或互為反運算的證明”之后，選一名學生到黑板上進行了證明和講解，最后教師作點評。全主動學習的具體內容則由學生自主確定，教師只確定一個大的范圍，例如讓學生搜集、整理數字電路方面的課外知識，然后利用PPT形式作講解。PPT形式的講解受啟發自文獻[3]，該文作者讓學生利用其進行課程答辯，不失為一種好的方法。全主動模式注重的是“自由”，讓學生自由選題，思想自由翱翔。

長期以來學生習慣了對教材中理論、方法全盤接受，但課本中的有些內容與實際有些出入。先賢孟子曾說“盡信書不如無書”，探索性實驗教學就鼓勵學生對課本中一些有“爭議”的內容進行實驗。例如對于“TTL電路輸入端負載特性”進行探索性實驗后，學生發現實際情況與課本結論不一致，經分析是課本中的模型和實驗時的器件參數不同。探索性實驗的選題要有實際意義，并且復雜性要低、操作要簡單，同正常教學計劃安排的較為復雜的實驗區別開來。

2.2注重自學能力和團隊精神培養的課外訓練

未來從事工程設計工作，獨立自學能力和團隊精神是十分重要的。為培養卓越班學生這方面的能力，設置了課外訓練這一環節。課外訓練的題目由教師給出，選題的原則是能讓學生得到自學訓練和團隊訓練。如設計“病房呼叫系統”，要完成該題目需要自學一部分教材上的知識，該系統需要用數碼管顯示病房號，而數碼管及其顯示譯碼器內容課上介紹的比較簡略，因此要完成這部分工作需要學生自學相關內容。此外，該設計需由若干個模塊構成，這樣每個同學可以負責一個模塊，分工明確、各司其職，同時相互間又必須有合作，因為每個模塊的輸入輸出信號都與其他模塊息息相關。如此學生們既具有獨立性，又具有合作性。就如同人體的內臟器官，作為個體存在、實現各自功能的同時，又作為一個整體來運行。

題目安排下去后，學生自由結組，設置組長一名，負責人員的分工和協調。在經過資料查閱、方案制定、討論、完善等步驟后，各組將最終方案提交。期間教師可以為學生提供咨詢幫助，但注意應以傳授解決問題的方法為主，而不是幫學生解決具體問題。

考慮到卓越班學生課業負擔較重，因此課外訓練的題目難度較低，訓練次數以1次為宜。另外只要求給出設計方案，不要求具體實施，方案的具體實施訓練可以在課程設計階段進行。最終方案介紹可讓學生通過PPT形式完成，教師進行現場點評。其實各組方案的優劣并不重要，重要的是通過這樣一個過程錘煉了個體的自學能力、思考能力，團隊的分工協作能力。

2.3注重綜合實踐能力培養的課程設計

數字電路的EDA課程設計開設多年，已被證明是培養學生綜合運用所學知識、提高實踐能力的有效手段，是將來勝任實際工程設計工作的一塊敲門磚。

EDA課程設計的題目都比較貼近實際生活，如交通燈控制器、病房呼叫系統、出租車計價器等，要求學生在規定的時間內，在實驗室中利用計算機軟件完成電路的設計，再利用實驗箱進行硬件的操作，因此對學生的實踐鍛煉非常有幫助。由于卓越班培養目標的特殊性，對其EDA課程設計作了一些特殊安排。首先，課程設計時間由兩周延至三周；其次，設計題目難度增加，并且鼓勵學生用“原理圖”和“硬件描述語言（如VHDL）”兩種方法來完成設計。

1）鼓勵式指導、探索性實驗 。在課程設計指導過程中，也注重應用鼓勵式指導和探索式實驗等方法，一則可以激發學生的設計熱情，另外學生也會有更大的收獲。例如有學生詢問“模塊的端口順序如何調整”問題，實際上這個問題筆者此前也未遇到過，于是鼓勵學生“希望你自己多探索、多嘗試，如果成功一定將答案告訴我”。不久該學生找到了調整方法，并告之了指導教師，顯得很興奮很有成就感。筆者始終相信：鼓勵方式比批評方式更利于學生的成長。

2）注重“漁”傳授。正如“授之以魚，不如授之以漁”，在EDA指導過程中，教師更注重“漁”的傳授，讓學生收獲更多的“漁”。設計過程中，學生遇到的軟、硬件問題非常多，如果指導教師單純幫助學生解決問題本身，雖然所需時間少、能輕松一些，但這樣學生收獲并不大。正確的做法是：對于簡單問題，將解決問題的方法、思路告訴學生，讓學生自己動手解決；對于棘手的問題，教師固然可以幫助學生解決，但之后必須要講解問題產生的原因、解決問題的原理等，即讓學生做到“知其然，更要知其所以然”。

3）鼓勵討論、支持創新。目前，課程設計由于時間充裕，并未采用小組方式，而是一人一題（有重題）的方式進行。盡管如此，學生之間的相互討論還是非常熱烈的，對此指導教師持鼓勵態度。只要適當引導和監督，學生間的學習、交流會使彼此學到更多的知識，正所謂“三人行，必有我師”。此外，對課設中出現的一些創新性設計甚至奇思妙想，教師也非常支持。每個題目都有一個常規的設計方案，但總有學習興趣濃厚的學生不走尋常路，另辟蹊徑，這種精神值得肯定和鼓勵。例如“ALU算術邏輯單元”這個題目要求用LED顯示計算結果，而一個學生進行了創新，改用數碼管顯示結果，更加直觀。再如“自動奏樂器”這個題目要求演奏一個簡單的樂譜，但一個學生利用其原理實現了《菊花臺》整首曲子的演奏，并且為了獲得良好的演奏效果，還自己購買了質量更好的蜂鳴器來播放。這確實是一個奇思妙想的杰作，對此指導教師給出了很高的評價。創新是工程設計之魂，難能可貴，必須鼓勵、支持，對創新過程中的失敗也應報以寬容之心。

3結束語

在“一點兩面”教改原則的指導下，通過課內教學、課外訓練和課程設計三個環節的環環相扣，使得《數字電子技術基礎》的教學改革能夠適應目前卓越試點班的培養目標。然而任重道遠，作為新生事物的卓越計劃會逐漸完善，伴隨它的教學改革也會不斷的進行下去。未來工作著重于“兩強”：一要強化教師自身素質和能力，如定期組織研討、交流經驗等；二要強化新的教學手段和方法，如制作簡易的實驗板，以在課堂上實現一些重要內容的實驗演示。

參考文獻

[1]張文生,宋克茹.“回歸工程”教育理念下實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].西北工業大學學報(社會科學版),2011,31(1):77-79.

[2]張安富,劉興鳳.實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高等工程教育研究,2010,29(4):56-59.

[3]黃震,畢衛紅,張保軍,等.光纖通信教學實踐與總結[J].教學研究,2011,31(3):58-59.