新工科背景下電子技術實驗教學改革與創新探索

陳杰　黃世澤　洪玲　歐冬秀

[摘 要] 以新工科人才培養理念和要求為指引，探索實踐了新工科背景下交通工程專業電子技術實驗課的教學改革方案。在分析了現有問題的基礎上，提出了以學生為中心，以工程實踐能力、綜合設計能力和創新意識培養為主導的教學改革思路;詳細闡述了改革后的自主綜合設計性創新實驗的實驗方案、教學模式和考核評價。實踐表明，改革后的實驗教學方案有效提升了電子技術實驗課的教學效果和學生在工程實踐、科技創新等方面的綜合素質，符合新工科人才培養理念和要求，可為其他專業基礎課的實驗教學改革提供借鑒。

[關鍵詞] 新工科;交通工程專業;電子技術實驗;教學改革

[資助項目] 2020年度同濟大學實驗教改第15期“‘交通信息傳輸原理及技術實驗教材建設”

[作者簡介] 陳 杰（1972—），男，上海人，學士，同濟大學交通運輸工程上海市實驗教學示范中心助理工程師，主要從事交通信息工程與控制研究;黃世澤（1983—），男，河南信陽人，博士，同濟大學交通運輸工程上海市實驗教學示范中心副教授，主要從事交通信息工程與控制研究;洪 玲（1972—），女，浙江武義人，博士，同濟大學交通運輸工程上海市實驗教學示范中心教授級高級工程師，主要從事交通運輸規劃與管理研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）45-0050-04? [收稿日期] 2021-02-18

一、引言

電子技術廣泛應用于社會生產生活的各個領域，也是現代交通工程裝備必不可少的部分。電子技術基礎課程是筆者所在學院面向交通工程專業（信息方向）的學生開設的專業基礎課程。課程教學目標是使交通工程專業（信息方向）的學生掌握電子學的基本原理和實用技術，培養學生運用理論知識分析、設計交通電子系統的能力[1]。課程知識既是軌道交通信息與控制工程的重要基礎，又是道路交通智能管控及服務工程和航空交通信息與管控的重要技術內容。目前，交通工程專業（信息方向）的電子技術基礎實驗課存在的主要問題是實驗內容單調，實驗內容都是圍繞理論教學的某一個知識點展開，如整流電路、晶體管共射級放大電路、集成運算放大電路、加法器、譯碼器、觸發器等實驗，其教學方法是教師講解后學生進行驗證，各實驗小組都是重復同樣的實驗。學生只要按照實驗步驟進行操作就能順利完成實驗，很少對實驗數據、實驗現象或實驗結果進行分析。另外，實驗內容設計與交通工程專業基本沒有概念上的關聯，學生很少有意識地從專業背景和職業意識角度去思考實驗，對做電子技術實驗缺乏興趣，實驗效果欠佳。

教育部于2016年提出了新工科的人才培養理念和要求，對人才培養提出了更高的要求。在新工科背景下的人才培養要求從學科導向轉為行業導向，從傳統知識驅動向應用驅動，人才培養要面向工程，具備更全面的工程實踐能力和專業認知能力。本文以“新工科”人才培養理念和要求為指引，針對筆者所在學校交通工程專業（信息方向）電子技術實驗課存在的問題，提出電子技術基礎實驗教學的改革思路和實踐方案。

二、改革思路

針對新工科對人才培養的要求，電子技術實驗內容設計除了讓學生在實踐中更深刻地理解理論知識，更要考慮突破傳統驗證性實驗的局限性，以學生為中心，以工程能力、綜合能力和創新意識培養為主導，加強學生的自主研究和探索性實踐訓練，著力培養學生理論結合實踐的應用能力、科研素養、工程素養和創新意識[2]。具體改革思路如下。

1.單獨設置實驗課，強調實驗的重要性。交通工程專業（交通信息工程與控制方向）作為非電子信息類專業，最初并沒有單獨設置電子技術實驗課，實驗學時和實驗內容偏少，不能滿足提升學生實踐能力的需求。單獨設置電子技術實驗課除了增加課時外，還有助于強調實驗的重要性，提升課程實驗教學的定位。通過單獨設置學分制實驗課，使學生重視實驗，督促教師提高對實驗教學的重視度，豐富教學手段，有效提高教學質量和效果。

2.增加仿真實驗，強化原有基礎驗證性實驗。強化驗證性實驗，要求在原來只做實物實驗的基礎上新增仿真實驗。作為實物實驗的實驗預習和前置實驗，仿真實驗讓學生在進行實物實驗前，提前熟悉實驗任務，弄清實驗原理和電路結構，了解需要使用哪些儀器和元器件，為實物實驗做好準備，以保證在有限的課時內，高質量地完成實物實驗，并使學生建立牢固的基礎知識和基本原理認知。

3.增加自主綜合設計性創新實驗，轉變實驗類型和方式。在原有驗證性實驗的基礎上，新增自主綜合設計創新實驗[3]。根據新工科對人才培養的要求，新增的實驗方案強調自主開展、任務驅動、創新探索、團隊協作和自主學習。

4.實驗成績多元化考核，調動學生學習的主動性和積極性。為了調動學生學習的主動性和積極性，高質量地完成電子技術實驗課程，可采用多元化的考核模式。驗證性實驗除了實物實驗及實驗報告考評外，增加了對仿真實驗報告評價的考核，考核主要針對基礎理論知識的掌握及實驗報告的質量;新增的綜合設計性創新實驗則關注能力和過程考核[4]。

三、改革和創新實踐

基于新工科的人才培養理念和要求，根據電子技術基礎課程的教學目標和改革思路，對交通工程專業（信息方向）電子技術實驗教學進行了改革探索和實踐。下面針對新增自主綜合設計性創新實驗這一教學改革重點內容的具體實施情況，進行詳細闡述。

（一）實驗方案設計

根據改革思路，新增的綜合設計性創新實驗方案設計體現自主性、專業性、設計性、綜合性、探索性、創新性和工程性。

1.自主性。從實驗題目選擇、團隊組建、實施乃至最后對實踐成果的評價，都由學生自主開展，教師主要進行引導和指導。在實驗選題開題過程中，教師通過開題匯報的方式進行引導和指導，既要避免實驗內容過于簡單達不到綜合設計性實驗的目的，又要避免電路太復雜難以實現的問題而影響學生的積極性。

2.專業性。具體的實驗內容是實現某些功能的電路，但要求學生的選題報告要結合交通行業和交通科技前沿知識展開。撰寫選題報告時要說清楚實驗內容在交通領域中的應用背景和應用場景，在概念上形成電子與交通學科的交叉，引導學生關注電子技術在交通領域的相關應用，增強學生的工程實踐和社會服務意識。選題報告中關注交通領域的前沿技術，可激發學生的興趣，通過引導學生思考并查閱相關資料，不僅能開闊學生的視野，而且能促進他們的學習主動性。

3.設計性。設計性主要體現在要求學生運用所學知識，自行提出問題，進行選題并設計研究方案，通過實施實驗、觀察實驗，對實驗結果進行分析并得出研究結論，最后進行報告撰寫。實現電路功能所需要的各種元器件，要求各小組自主完成選型設計，確定元器件的型號、規格等參數后自行采購或者匯總至指定學生代表處統一采購，這樣可使學生對從應用分析、電路設計到具體實施有一個更加完整清晰的認識。

4.綜合性。綜合性主要體現在具體實驗過程中，學生可運用課程所學知識靈活解決實驗過程中的實際問題。由于是自主綜合設計性創新實驗，具體實現功能都是各小組自主商定并經教師指導后確定，教材上沒有具體電路圖可參考。為了確保實驗的順利開展，要求學生要有詳細的電路原理分析，并對電路進行仿真，及時解決仿真過程中發現的問題，最后在實驗裝置上搭建實驗電路實物圖，并進行調試和功能實現。

5.探索性。綜合設計性創新實驗沒有現成的實驗方案和步驟，需要學生自己去探索和總結，因此在過程中難免會出現問題和挫折。學生在實驗過程中出現問題時教師除了及時給予恰當的幫助和引導，更要鼓勵組內學生或組間形成積極交流、共同學習、共同提高的學習模式和敢于探索嘗試的精神，讓學生在面對難題不斷探索的過程中學會勇于嘗試，善于總結，進而快速成長。

6.創新性。鼓勵學生在實驗選題時從交通出發，結合新技術、新模式，將交通工程專業知識和信息技術結合起來思考如何解決交通問題，創新意識自然融入實驗過程。

7.工程性。在選題和環節中要求突出交通工程應用背景、應用場景和技術可行性分析;在設計和實現過程中則要求既有軟件仿真，又有硬件電路搭建和功能實現，較好地體現了交通工程的概念和電子工程實踐的過程，培養學生的工程意識。

（二）教學模式

與原有驗證性實驗相比，自主綜合設計性實驗在形式和內容上都有很大的調整，要求也更高，因此在實驗過程中必然會遇到各式各樣的問題，這對教師提出了更高的教學要求，不僅需要教師具有豐富的教學經驗，而且要求具有寬厚扎實的理論基礎、相關學科的專業知識及工程實踐經驗，能夠分析解決實驗過程中出現的各種問題。

根據綜合設計性創新實驗的總體要求和過程要求可知，實驗的教學模式是可以靈活切換的。教師既是知識的傳授者，又是實驗過程中的引導者、設計者、互動者、答疑者、監督者和評價者。在整個實驗教學過程中，強調學生學習的自主性和探究性，鍛煉學生綜合運用課程知識的能力，培養學生分析、解決復雜問題的意識素養[5-7]。

（三）考核評價

綜合設計性創新實驗從交通出發，就學生所設想的電路功能具有確定性，但有些學生所察覺和關注的交通問題、需求，以及提出的創新性解決思路和應用場景等具有一定的研究價值，因此其結果具有很大的不確定性和延伸性。教師應鼓勵學生以此為起點，運用專業知識挖掘其中的科研寶藏，從科學研究、工程實踐、社會發展等角度系統性地思考問題，持續發展自我驅動的學習研究能力，為今后的學習、工作、科研和工程實踐打下堅實的基礎。因此，創新實驗不能像驗證性實驗那樣考核評價，而應更關注過程考核和能力考核，即針對過程中各階段的實際情況，包括選題、交流討論、電路搭建調試、總結報告、匯報展示等環節中學生所表現出來的學習、研究能力和態度進行考核評價。能力評價可以從電子技術應用設計和交通工程專業領域解決方案等多方面來開展，包括發現問題的能力、創新意識、自主學習能力、研究分析能力、設計開發能力、協作溝通能力等。

考慮到創新實驗大多是利用課外時間來完成，因此過程和能力考核需要師生共同參與，即除了教師點評，還要求小組間互評和組內同學互評。小組間互評可增加學生的創新意識和競爭意識，組內同學互評可充分掌握學生對實驗的參與度和投入度，這也反映出學生的學習態度。在最后匯報展示環節，可以邀請具有豐富工程實踐和創新經驗的專業課教師到場參與點評，學生可以從更多的角度了解自己所設想的應用場景、解決方案、創新思路的可行性，以及其中存在的研究價值。

（四）實踐效果

將改革后新增的自主綜合設計性創新實驗在筆者所在學院交通工程專業（信息方向）本科生中進行了初步實踐，實踐經歷了自由分組、自主選題、指導改進、實驗仿真、元器件采購、搭建調試電路與課堂匯報展示7個環節，學生通過互相學習、相互借鑒、研究分析、動手實踐，成功將自己設想的電路設計了出來并實現其功能。在整個實驗過程中，每個小組在不同的環節或多或少都經歷了挫折，但通過不斷研究分析和優化設計，最終都圓滿完成了任務。在實驗過程中，學生既體會到失敗后重新開始的滋味，又感受到了成功的喜悅，激發了自信，更重要的是理解了學習、科研和工程實踐所需要的堅持、努力和創新精神。

學生在選題時結合交通行業目前熱門的應用背景和場景，如智慧停車、智能網聯汽車、車路協同、智能車檢器、自適應信號控制等研究熱點，在這些應用場景中切入具體的電路設計和功能實現，如汽車尾燈控制電路、停車場車位計數電路、交通信號燈控制電路、計時控制交通燈電路、地下停車場燈光分批控制電路、航標路標信號燈節能電路等，充分地發揮奇思妙想及對交通問題的觀察與見解，將對交通的熱愛融入其中，體現了學生的交通意識、社會責任感，以及學習、研究的愿望。由于在實驗過程中突出了學生的主導地位，鍛煉了學生獨立分析問題、解決問題的能力，因此對課程的理論知識理解得更為透徹。另外，強調實驗的專業性和工程性使學生更加務實，能夠從交通行業和職業意識等角度系統性地思考問題，更加重視實驗過程中的團隊協作，有利于培養敢于創新、獨立思考和實踐能力強的交通工程專業人才。

在期末實驗成果展示匯報課堂上，邀請了學院實驗教學中心領導和系部相關教授現場觀摩和點評。在學生的展示匯報環節，顯示出綜合設計性創新實驗在激發學生對本專業知識的興趣，以及提升學生科研、工程實踐素養和創新意識等方面達到了不錯的效果，既得到了現場觀摩教師的積極肯定，也贏得了學生的普遍好評，教學效果良好。從學生的好評和觀摩教師的點評可知，改革后新增的綜合設計性創新實驗模式和實踐方案是可行有效的。

四、結語

面向新工科的人才培養，工程實踐能力和創新意識的培養是關鍵。交通工程專業（信息方向）作為非電類專業，電子技術課程及實驗除了使學生具有了從事交通電子技術工作所需的專業基礎知識外，還應強調如何應用電子技術去識別、描述、分析、解決交通工程中的復雜問題和創新應用。本文以電子技術實驗教學中的實際問題為基礎，提出了改革思路，重點對綜合設計性創新實驗的實踐方案進行了闡述，從實驗方案、教學模式和考核評價等方面對實驗教學進行了探索，取得了良好效果，可為其他專業基礎課的實驗教學改革提供借鑒。

參考文獻

[1]黃世澤，歐冬秀，董德存，等.面向綜合交通信息工程的電子技術基礎課程教學探討[J].教育教學論壇，2016（39）：172-174.

[2]朱新寧，楊汀瀅，張春紅，等.面向科研素養的大學生創新教育探索與實踐[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2020，22（6）：108-118.

[3]吳根忠，李劍清.綜合性設計性實驗在電子技術基礎教學中的應用[J].實驗室科學，2020，23（1）：95-97.

[4]桑林，付強，師楠，等.電工電子技術實驗多元化考核方式的研究與實踐[J].當代教育實踐與教學研究，2019（19）：112-113.

[5]李榮強，李波，杜國宏.基于新工科的學科交叉實驗教學研究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019，44（7）：156-160.

[6]郭立強，劉戀.面向工程實踐能力培養的實驗教學改革探索[J].長春師范大學學報，2020，39（2）：129-135.

[7]項嬪，朱旋，韋民紅，等.“新工科”背景下電工電子學實驗教學改革探索[J].曲阜師范大學學報（自然科學版），2020，46（4）：123-125.

Teaching Reform and Innovation of Electronic Technology Experiment under the Background of Emerging Engineering： Taking Traffic Engineering Major Oriented in Information as an Example

CHEN Jie， HUANG Shi-ze， HONG Ling， OU Dong-xiu

（Shanghai Experimental Teaching Demonstration Center of Transportation Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： Guided by the training concept and requirements of emerging engineering talents， this paper explores and practices the teaching reform scheme of electronic technology experiment course of traffic engineering major under the background of emerging engineering. By analyzing the existing problems， it puts forward the student-centered teaching reform idea based on the cultivation of engineering practice ability， comprehensive design ability and innovation awareness. The experimental scheme， teaching model and evaluation of the independent comprehensive design innovative experiment after the reform are elaborated. Practice shows that the reformed experimental teaching scheme effectively improves the teaching effect of electronic technology experiment course and the comprehensive quality of students in engineering practice and scientific and technological innovation， which fits the talent training concept and requirements of Emerging Engineering， and can provide a reference for the experiment teaching reform of basic courses of other majors.

Key words： Emerging Engineering; traffic engineering major; electronic technology experiment; teaching reform