新工科電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式探索與實(shí)踐

榮海林， 徐向華， 姚福安

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南250061)

0 引言

“電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”原本包括“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”，“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”，“電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”和“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)”等系列課程。在我校啟動(dòng)的新一輪本科生培養(yǎng)計(jì)劃中，已將“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”設(shè)為兩門獨(dú)立的課程。同時(shí)為了加強(qiáng)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的工程實(shí)踐，提高學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，又開設(shè)了為期一周的“電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)”。此外，每年暑假期間利用暑期學(xué)校，開設(shè)“全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)”課程，組織并培訓(xùn)學(xué)生參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)從教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上已經(jīng)不能適應(yīng)新工科發(fā)展的需要。為了適應(yīng)電子技術(shù)發(fā)展要求，加大電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的改革力度，從改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)入手，從實(shí)驗(yàn)教材的編訂、實(shí)驗(yàn)室硬件平臺(tái)建設(shè)、實(shí)驗(yàn)課程體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及手段等方面，逐步達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。構(gòu)建了基礎(chǔ)、綜合、提高三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，突出了電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和先進(jìn)性[1～2]。

1 電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生進(jìn)入電子技術(shù)領(lǐng)域的入門階段，此階段的設(shè)計(jì)將大大影響學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)。從改進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，編寫實(shí)驗(yàn)教材，校企共建實(shí)驗(yàn)室以及自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備等方面對(duì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革與實(shí)踐。

1.1 建立“層次化，遞進(jìn)式”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

根據(jù)“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的要求，加強(qiáng)理論課與實(shí)驗(yàn)課之間的聯(lián)系，精選了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，做到經(jīng)典與現(xiàn)代的融合，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分成四個(gè)層次。

(1)基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn)：該部分是學(xué)生初次進(jìn)入電子技術(shù)學(xué)習(xí)所做的基本實(shí)驗(yàn)，包括常用電子元器件及集成電路性能測(cè)試，常用電子電路的測(cè)量。目的在于加深學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的興趣。

(2)設(shè)計(jì)層實(shí)驗(yàn)：該層次將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。教師將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及要求提出來，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)方法，最后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝、調(diào)試，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。目的是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力及書寫設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。

(3)綜合設(shè)計(jì)層實(shí)驗(yàn)：該層次要求學(xué)生利用常用器件，采用新的設(shè)計(jì)方法及手段設(shè)計(jì)完成綜合性較強(qiáng)的電子系統(tǒng)，要求學(xué)生熟練利用EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)設(shè)計(jì)、分析電子電路，目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用電子技術(shù)的能力。

(4)創(chuàng)新研究層實(shí)驗(yàn)：對(duì)于理論知識(shí)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，采用開放式教學(xué)方式，利用當(dāng)下時(shí)興技術(shù)，應(yīng)用到具體工程環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行科學(xué)研究的素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，培養(yǎng)學(xué)生撰寫科技論文的能力。

1.2 制定滿足學(xué)生工程實(shí)踐能力鍛煉、創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的教材

全面研究了國(guó)內(nèi)外同類教材發(fā)展趨勢(shì)，編定了將知識(shí)、工程能力培養(yǎng)于一體的《電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與仿真》實(shí)驗(yàn)教材。該教材是參照教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)最新修訂的電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求編寫，其內(nèi)容融入了作者多年從事電子技術(shù)理論教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)及電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽活動(dòng)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及體會(huì)撰寫而成，滿足不同教學(xué)要求及教學(xué)對(duì)象的需要[3～5]。

1.3 搭建校企聯(lián)合、具有國(guó)際水平的實(shí)驗(yàn)教學(xué)硬件平臺(tái)

要培養(yǎng)具有國(guó)際一流水平的本科生，實(shí)驗(yàn)室必須具有國(guó)際水平的測(cè)試儀器、實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室里全部配置了國(guó)際著名公司Aglent的DSO-2002A數(shù)字存儲(chǔ)示波器、DDS信號(hào)發(fā)生器等國(guó)際一流的實(shí)驗(yàn)儀器；EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)實(shí)驗(yàn)室安裝了正版的國(guó)際流行的最新電子電路計(jì)算機(jī)輔助軟件NI公司的Multisim，并購置NI MyDAQ數(shù)據(jù)采集卡，學(xué)生可在任何時(shí)間任何地點(diǎn)進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)踐學(xué)習(xí)；電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室與國(guó)際知名公司TI公司聯(lián)合成立了“山東大學(xué)—美國(guó)德州儀器大學(xué)生創(chuàng)新中心”，TI公司提供最新的MSP430和MSP432系列單片機(jī)，C2000等處理器，以及電源管理，AD/DA，運(yùn)算放大器等集成芯片，供學(xué)生參加科技創(chuàng)新制作、電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等創(chuàng)新活動(dòng)。與Xilinx公司建立聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生提供最前沿的FPGA硬件及技術(shù)平臺(tái)。

1.4 自制訓(xùn)練學(xué)生綜合素質(zhì)及創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置大多數(shù)功能簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目單一、綜合性差，難以完成對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。為此，自制了一整套電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備。

(1)開發(fā)研制了電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置這一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上采用全開放式設(shè)計(jì)思路，可以完成“基本實(shí)驗(yàn)”、“綜合實(shí)驗(yàn)”和“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”等，為學(xué)生留有足夠多的實(shí)驗(yàn)資源，能更好的激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。

(2)自主制作了基于MyDAQ模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方便攜帶、可在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

(3)自行設(shè)計(jì)了基于MyDAQ的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要解決的問題是電子技術(shù)的“虛擬仿真”不真實(shí)問題，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的軟件化問題等。真正做到“虛擬技術(shù)”與“硬件技術(shù)”相結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(4)改革數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，探索自主式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目與FPGA融合，科學(xué)地構(gòu)建了“以FPGA器件為基礎(chǔ)的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，全面地提高學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)的能力，使其在FPGA基礎(chǔ)上掌握先進(jìn)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。

這種根據(jù)學(xué)生實(shí)際需要自制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力起到了非常好的效果[6]。圖1所示為自制的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備。

圖1 自制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

2 加強(qiáng)電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)綜合實(shí)踐實(shí)訓(xùn)建設(shè)

為了積極落實(shí)“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育行動(dòng)方案”，深化教育教學(xué)綜合改革，全面提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力，同時(shí)分階段檢驗(yàn)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用，提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，提升社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，面向本科二年級(jí)學(xué)生開展“學(xué)以致用”電工電子綜合設(shè)計(jì)比賽。大賽宗旨：與所學(xué)知識(shí)結(jié)合，所學(xué)即用；與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，活學(xué)活用。比賽的形式為全開放式，要求根據(jù)比賽題目的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成實(shí)物制作。比賽分層設(shè)置環(huán)節(jié)，要求呈現(xiàn)遞進(jìn)式提高，知識(shí)能力遞進(jìn)。比賽題目結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，有理論知識(shí)分析運(yùn)用，又有實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)物制作。知識(shí)理解到分析運(yùn)用再到實(shí)踐轉(zhuǎn)化，遞進(jìn)式完成能力的提升。在比賽期間，堅(jiān)持做“與你分享”答辯交流、“名師助我成長(zhǎng)”專家講座、以及優(yōu)秀作品展示，讓榜樣的力量指引學(xué)生前進(jìn)的方向[7～8]，通過此類校內(nèi)實(shí)訓(xùn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和熱情顯著提升。

3 課賽結(jié)合，打通創(chuàng)新型人才培養(yǎng)通道

電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的目的是培養(yǎng)創(chuàng)新能力人才，學(xué)生能力的體現(xiàn)不能局限于課堂上或者校內(nèi)，真正的實(shí)踐能力的檢驗(yàn)應(yīng)該放眼全國(guó)，同全國(guó)各大高校的學(xué)生“華山論劍”。

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)基本目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高學(xué)生電子設(shè)計(jì)的興趣，加強(qiáng)工程實(shí)踐能力的訓(xùn)練。依托學(xué)校電工電子創(chuàng)新教育平臺(tái)，對(duì)電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)行全方位開放式的教學(xué)，依靠電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽協(xié)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理。自2015年成立以來，電子設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)發(fā)展迅速，大批熱愛電子設(shè)計(jì)與科創(chuàng)的學(xué)子聚集在這里，協(xié)會(huì)為電子設(shè)計(jì)愛好者打造了共同交流的廣闊平臺(tái)，為電子設(shè)計(jì)初學(xué)者開拓了一條掌握電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)能力的開闊渠道，為全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽打造了一方儲(chǔ)備人才的希望基地。

為了滿足學(xué)生對(duì)電賽培訓(xùn)的需求，實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生們配備了充足的常用的電子元器件，各種測(cè)量?jī)x器以及常用電子模塊。教學(xué)模式采用理論與實(shí)踐結(jié)合、討論與交流互動(dòng)等靈活的教學(xué)方法進(jìn)行。近年來，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)室為了應(yīng)對(duì)各種不同的題目，專門制作了多個(gè)常用的電設(shè)模塊，比如電源升降壓模塊，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)恒流源的設(shè)計(jì)；濾波器模塊，可實(shí)現(xiàn)高通濾波，低通濾波；儀表放大器模塊；有效值轉(zhuǎn)換模塊；運(yùn)算放大器模塊等等。模塊化教學(xué)一直是電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽培訓(xùn)的教學(xué)模式，有了這些基礎(chǔ)模塊，學(xué)生可以更快更好地學(xué)習(xí)單元知識(shí)，進(jìn)一步將單元累加成一個(gè)完整的系統(tǒng)[9～11]。

賽后和同學(xué)們溝通，大家普遍反映，電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽考驗(yàn)的是同學(xué)們一個(gè)總的實(shí)踐能力，從硬件電路設(shè)計(jì)、模塊化調(diào)試到CPU選擇、程序編寫、調(diào)試，作品的組裝等等，是綜合能力的培養(yǎng)，完全符合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)要求，對(duì)學(xué)生以后學(xué)習(xí)研究和入職工作都很有幫助[12～15]。近年來電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得的成績(jī)?nèi)绫?所示，2018年獲得全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽模擬電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)邀請(qǐng)賽TI杯。

4 實(shí)施成效

基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式以現(xiàn)代實(shí)踐教學(xué)教育理念為指導(dǎo)，以培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、提高本科生綜合素質(zhì)為目標(biāo)，經(jīng)過有效的組織實(shí)施，取得了豐碩的成果。

表1 近年來電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽取得成績(jī)

全面提高了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)了大批的高素質(zhì)優(yōu)秀人才。每年都有多名學(xué)生被保研到清華、中科院、交大、浙大、北航等名牌大學(xué)。

自主設(shè)計(jì)開發(fā)的“基于MyDAQ模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”、“基于MyDAQ的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，在全國(guó)高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽獲獎(jiǎng)，在校內(nèi)取得良好的應(yīng)用效果，并被山東中醫(yī)藥大學(xué)，山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院等高校引用。

自制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備獲獎(jiǎng)讓書如圖2所示。

圖2 自制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備獲獎(jiǎng)證書

建設(shè)了一支高水平的教師隊(duì)伍，使青年教師的教學(xué)能力迅速提高，承擔(dān)了多項(xiàng)省、校級(jí)教研課題，實(shí)驗(yàn)室管理與研究項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目。

多年開展全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，覆蓋了學(xué)校濟(jì)南校區(qū)，青島校區(qū)以及威海校區(qū)，控制學(xué)院，電氣學(xué)院，機(jī)械學(xué)院，能動(dòng)學(xué)院，微電子學(xué)院等眾多工科學(xué)院，打通了校區(qū)之間以及學(xué)科之間的隔閡，使得所有電子設(shè)計(jì)愛好者都能投入其中，從中學(xué)到真本領(lǐng)。

5 結(jié)語

基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式改革從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)入手，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；到參加電子技術(shù)實(shí)踐實(shí)訓(xùn)，鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐動(dòng)手能力；最后到全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，同全國(guó)學(xué)生一起角逐，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到強(qiáng)有力助推。內(nèi)容廣泛，影響寬廣，改革思路符合新工科的新結(jié)構(gòu)、新質(zhì)量、新理念、新體系、新模式，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐創(chuàng)新能力，具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型“新工科”人才，起到了極其重要的促進(jìn)作用。