新形勢下以學習為中心的電子信息類實踐課程的構建與改革

武一，韓力英

（河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401）

0 引言

教育部吳巖司長在教育2020年收官系列新聞發布會上指出，中國高等教育已經進入普及化發展新階段，隨著信息技術的發展，高校要準確識變、積極應變、主動求變，緊緊圍繞立德樹人根本任務，緊緊扭住全面提高人才培養能力的核心點，全面推動專業建設，課程建設，打造具有國際水平的一流專業、一流金課。吳司長在答記者問時談到普及化高等教育有四個特點，多樣化的特征，學習化的特征，個性化的特征和現代化的特征。特別是2020年一場突如其來的疫情促使高校改變了傳統的教學模式，使在線教學，掀起高等教育領域的“學習革命”，實現了中國高等教育“變軌超車”[1]。疫情期間，所有高校全部實施在線教學，全國108萬高校教師開出1719萬門次課程，學生在線學習人數達到35億人次，改變了教和學的關系，形成了時時、處處、人人皆可學的教育新形態，突顯了本科教學的學習化特征。同時也暴露出了一些問題，在網絡允許的情況下，理論課程很容易地可以轉成MOOC學習或者在線實時教學，但是實踐課程就沒有那么容易了，要么等疫情結束學生返校后再開課，要么就是降低質量要求，實踐改成完全仿真或者純粹地寫設計論文結束課程。

面對當前高等教育的新特點以及可能會出現的種種新情況，高校應該更加重視人才培養質量的提升，把本科教育放在人才培養的核心地位、教育教學的基礎地位、新時代教育發展的前沿地位[2-3]。作為高校電子信息類實踐課程如何改革，如何建設，是值得探討的話題。本文就當前形勢下，我校電子信息類實踐課程在實驗室建設和課程建設的教學理念，教學方法，教學成果方面改革情況進行闡述，以供其他高校相關專業和課程學習和借鑒。

1 實驗室建設

電子信息類實驗為弱電實驗，實踐課程的實驗設備大多是以實驗箱為主，傳統的實驗箱如圖1所示，器件都是固定好的，這種實驗箱一般價位在5000-10000之間，經過幾輪學生實驗以后，上面常用到的器件損壞嚴重，或者與計算機相連的仿真器存在不穩定現象，致使實驗根本無法順利進行下去，而且幾乎都是固定在實驗室不允許外借，學生實驗課也必須是在固定的實驗室進行。時間空間都必須嚴格遵守課程和實驗室的要求。實驗內容也幾乎都是統一的，只是大家根據實驗設備的多少和實驗室空間來進行分組，統一2學時或者4學時做一個做傳統的驗證性實驗，即使是綜合性實驗，最多也就4學時課堂時間，通常都是只有少數組別能夠做出來，大部分同學最后都是觀察一下做出來的同學的結果而已，對設計過程，硬件調試過程還是一知半解，久而久之，學生對實驗課程也就停留在按時出勤了，按時寫報告交報告就能得高分的狀態，至于是否真正調試出正確得結果無所謂。特別是在遇到特殊情況學生不能來實驗室上課的情況下，課程更是無法開設，這種傳統的實踐教學形式嚴重打擊了學生的積極性，不利于學生實踐工程能力和創新能力的培養。

圖1 傳統實驗箱

近年來，河北工業大學電子信息工程學院在實踐教學設備方面進行了全新的改革建設。首先更新了傳統的實驗設備，對于理論課課內實驗，例如數電課程實驗箱我們課程組自己設計成了這樣，如圖2所示，即使一個小小的加法器實驗都是要求學生自己設計，從器件的選擇到電路的連接，每一步都是學生親自動手完成，中間各個環節都可能出現問題，要求學生自己查找解決，培養了學生動手能力，工程實踐能力以及解決問題能力。但是復雜一些的像交通燈實驗，即使學生自己提前預習設計好電路圖和進行了軟件仿真，如圖3所示。在課堂2學時內要將這樣復雜的電路連接調試好，也只能有極少數學生能夠順利完成。大部分同學只能完成簡單的單路交通計時器硬件連接設計結果如圖4所示。

圖2 自己開發設計的實驗箱

圖3 數字電子技術交通燈仿真設計圖

圖4 單路交通計時器硬件連接設計

當然，像素電這樣的理論課程課內課程實驗設置并不是很多，只是一些基礎性的實驗，輔助學生對理論知識的理解。對于綜合性和設計性非常強的實踐課程，統一建設了口袋實驗室。如圖5所示。在授課期間學生每人持有一塊口袋實驗板，學生進行創新大賽和畢業設計期間，學生也可以從實驗室借出一開口袋實驗板一直持有到使用結束。口袋實驗板集成度高，性價比高，不容易損壞，便于攜帶，更重要的是使用口袋實驗板進行設計不受時間空間限制，可以利用碎片時間，有學生反映，自己在用EGO1實驗板做一個萬年歷項目的時候，完全沉浸其中，忘記了吃飯和睡覺，就一直想把它調試好。這種學習狀態是在實驗室做實驗沒有的，可見口袋實驗板這種實踐課程形式，更能夠激發學生的興趣，培養學生的實踐動手能力，提高學生解決復雜工程問題的能力和創新能力。

圖5 口袋實驗板

電子信息類實踐課程除了在實體中心實驗室（包括學科基礎實驗室，專業實驗室和創新實驗室）建設時更新了硬件實體實驗設備外，還搭建了虛擬仿真實驗教學中心，主要針對數字圖像處理，高頻電子線路，光線通訊，通信原理，信號與線性系統，計算機網絡等課程，建立了開放式虛擬仿真實驗教學管理平臺，實現了實驗室管理的信息化，提高了實驗室資源利用率促進了學校間的資源共享。學生打破時、空限制，通過虛擬仿真實驗中心提供的虛擬器材自己動手搭建和調試實驗模型，豐富了實物實驗的教學內容，為實驗教學注入新的活力和新的內容。

到目前為止，河北工業大學電子信息工程學院通過匯聚校內外資源，建立了國家級電子與通信實驗教學示范中心和虛擬仿真實驗教學中心，構建了虛實結合分層遞進式的實踐教學運行形勢，如圖6所示，軟硬件平臺的建設，為學生解決復雜工程問題提供了條件。

圖6 虛實結合的實踐教學模塊

2 課程建設

前面已經提到高等教育的四個特征，河北工業大學作為地方院校，本科教育就應該以國家戰略需求為牽引，以服務地方經濟發展為目標，那么課程建設就要考慮學生的個性化與普適化要求，充分利用互聯網＋等信息技術[4-5]，保障全體學生最大化學習各種知識、提高素養。作為實踐課程，不能再做40年前的小榔頭，教學內容和方式必須因時而變，因需而設。低年級時的基礎課內實驗，使學生對工程實踐有了一個初步的了解，后期就是高階能力的培養。電子信息工程學院，目前已經完成了從教學內容到教學方法，從基礎實驗到綜合設計實驗再到創新實踐課程的整合改革，三個專業的實踐課程如表1所示。下面以EDA技術綜合設計課程為例，針對當前形勢，對實踐課程改革進行剖析。

表1 三個專業實踐課程設置

3 《EDA技術綜合設計》課程改革案例剖析

3.1 教學理念

文獻[6]中總結出“新工科”下高等工科教育人才的培養目標。那么新形勢下，實踐課程的教學理念就要基于工程教育和創新教育，以高階性、創新性、挑戰度為標準，為培養具有批判意識、實踐能力和創新精神的高素質“新工科”人才而進行。實踐課程的設置目的在于培養學生基礎知識的綜合運用設計開發能力，工程實踐問題的解決能力，自我知識提升的終身學習能力，團隊協同合作的組織管理能力，所以實踐教學要充分考慮學生發展的層次化，內容設置要多樣化，教學方式要靈活化，EDA技術綜合設計課程就是從這些方面考慮，基于項目的理念[7-9]，進行啟發式的教學[10]，多方合作打造了一個以學習為中心的全新實踐課程，使學生多自由度自主健康發展學習，提升教師的教學質量。

3.2 教學改革思路

EDA技術綜合設計課程主要圍繞教學內容教學方法從四個方面進來全面改革。

（1）重構了教學設計方案、打造了可視隨動的立體化教材。EDA技術課程組在教和學的方式上進行了多次探討，得出這類實踐課程的前沿發展在企業，學校必須和企業合作，融合信息技術，協同育人，以此達到校企共贏。轉變傳統的教學設計方案，教學設計方案從“內容教學”向“思維教學”轉變，從“知識教育”向“能力教育”轉變，從“以教師為中心”到“以學生為中心”[11-13]再到“以學習為中心”轉變。課程組選了和依元素科技有限公司合作，充分利用依元素的合作方，賽靈思官方微信向學生推出最新的技術培訓和相關技術發展前沿動態，構建了泛在學習環境，同時將學生做的項目上床到河北工業大學云平臺，并且實時更新，形成了可視化的立體教材。

（2）重構了能力本位的學習體系和內容。按照“兩性一度”標準，進行能力達成和拔尖人才培養。充分考慮學生的普適化和個性化需求以及終身學習的能力培養需求，設計分級課程內容和分級課程培養目標，將課程內容項目設計分為基礎、設計、綜合和創新四個層級，培養目標分為基礎能力、綜合能力、創新能力達成。每一屆學生設計項目不斷更新，保持與時俱進，使之具有前沿性和時代性。

（3）重構了教學空間、學習方法、教與學的關系。打破時空限制，通過配置口袋實驗板，將兩三周短學期實踐課程延伸到半學期甚至一學期、學校企業建立了現場、在線培訓空中課堂，形成了時時、處處、人人皆可學的教學新形態，一切教學活動均服務于“以學習為中心”的教學模式，最大化挖掘了學生的創新能力、提升了教師的教學水平和教學質量，教師輔導采用現場和線上兩種方式，實驗室教師工作時間在實驗室、授課教師全天候QQ在線答疑解惑，學生分享設計以現場分享和錄制視頻上傳作業庫相結合的方式進行。

（4）重構了實踐教學全面考核評價體系。實踐教學評價不能簡單地以階段性結果考核定成績，例如文獻[14]中提出一套包含學生、教師、專家及教學管理人員三位一體的實驗教學質量評價體系。現場驗收時學生對開發工具的熟練掌握程度，翻轉課堂學生講解自己的設計思路和實現過程，以及遇到問題時的解決方案等全部納入考核評價體系中，從項目延伸、價值塑造、法律法規、團隊合作、反思創新、學習方法、解決問題的能力、情感等全面進行考核，把立德樹人作為教育的根本任務[15]。

3.3 教學效果

EDA技術課程組與依元素合作對省級資源共享課程“EDA技術”，先后進行了分級教學，翻轉課堂教學，實驗設備更新等校企合作，并以此參加了鼎陽杯全國案例教學大賽獲得了國家級二等獎3項，賽區一等獎2項，并獲得2020年國家“校企合作，雙百計劃”典型案例，立項了校級教改項目2項，教育部產學合作項目2項，河北省省級教改項目1項，并且被立項為了學校優質課程建設項目。最近幾年每年暑假都有學生到現場（2019年）或者在線（2020年）參加依元素公司的培訓課程。同時，利用EDA技術的基礎學習和延伸學習，也培養了多名學生獲得校級省級優秀畢業設計。

4 結論

本文從本科實驗室設備更新和實踐課程改革兩個方面闡述了新形勢下實踐課程的改革探索，可以為高校應變科技進步，適應新經濟發展需求的人才培養而定位實踐課程提供改革方向，為培養創新人才提供改革思路，為校企合作、協同育人課程改革方式提供有力的借鑒意義，為推動高校一流課程建設、企業進步提升競爭力具有重要的促進作用，為應變疫情等突發事件實踐教學的順利開展提供經驗，更是為企業提供新型工科人才的保障。