基于項目驅動的綜合電子技能課程改革探討

王新剛，余穎

（1.防災科技學院，河北三河 065201；2.中國石油集團海洋工程有限公司工程設計院，北京 100028）

我國現階段本科教育特別是工程類專業教育的特點是理論與實踐并重，理論方面的目標是培養學生對所學專業知識的綜合應用能力，而實踐方面的目標則是學生能夠靈活應用所學理論知識解決工程實際問題。為此，各專業都制定了詳細的人才培養方案，力求保證專業理論知識體系的完整性，同時配以相應實踐體系，作為支撐。各課程在具體講授過程中，也盡量引入CDIO（Conceive （構思）—Design（設計）—Implement（實現）—Operate（運作））[1-2]等先進的教學理念和方法，以項目帶動課程理論學習，有效地激發了學生學習的積極性和主動性，提高了課程的教學質量。

1 問題提出及分析

各高校雖然大力推動實際項目下的課程教學，同時不斷加大實踐教學環境和實踐設備的投入，但本科生對知識的綜合應用能力以及實踐能力仍然與人才培養目標有著較大的差距。投入與產出存在差距，主要有以下兩個原因：

第一，單一課程雖然引入了實例化教學、CDIO教學等以實際項目驅動的課程教學，但一個實際項目往往融合了多門課程的知識內容，而單一課程受限于知識覆蓋面和課時，只能涉及實際項目的某一方面，而且不同課程一般是由不同教師講授，所采用的案例和項目各不相同，在無后續課程對同一項目進行連續支撐的條件下，單一課程對提高學生綜合應用所學專業知識能力的作用有限。同時，旨在訓練學生對所學知識綜合應用能力的畢業設計，通常是在大四最后一學期進行，在這一學期，由于考研、就業等諸多因素的干擾，很多學生往往無法集中精力做畢業設計，導致畢業設計質量不高，學生對所學專業知識的綜合應用能力沒有得到有效提升。

第二，隨著各高校加大了對實踐環節的資金投入力度，實踐設備趨于大型化、高端化，實際元器件及線路一般封裝在設備內部，操作面板做得越來越精美且便于使用，學生無須接觸實際電路，只要根據實踐任務，在操作面板上進行接線，就可以完成較為復雜的綜合型、設計型實踐任務。這就導致學生不熟悉本專業基本的元器件，高度依賴實驗設備，脫離實驗設備解決實際問題的能力較弱。

2 課程創新思路

鑒于傳統單一課程在提高學生實踐能力及對知識綜合應用能力方面作用有限，打破傳統思維，建立新型課程甚至是課程體系，是解決目前高校本科生能力不足問題的重要思路。新型課程應具備結果的實用性、過程的完整性和實戰性、內容的綜合性的特點[3-5]。

2.1 實用性

課程依托的實際項目最終是學生所制作出的實物，這個實物如果是以實驗為目的的產物，則往往在測試完實物的功能，教師評價打分后就不再使用。但如果制作的實物是以生產投入使用的產品為目標，那么產品的制造者必須考慮到產品的功能、成本、外觀等諸多因素，培養學生精益求精的治學態度。

然而，實際項目的來源和內容恰恰是制約本科學生能力素質提高的關鍵因素，也是課程教學創新的關鍵。目前，關于項目來源普遍的思路是校企聯合、產學融合。學校以實習的方式，通過將企業技術人員請進來，或是將學生送到企業，參與企業生產，實現產學融合[6-8]。然而，實習中企業出于產品成本和質量的考量，學生實習僅限于參觀。因此，雖然通過校企聯合增長了學生的見識，提高了他們學習專業知識的興趣，但在實質性提高學生綜合應用專業知識解決實際問題能力方面的作用有限。而對專業基礎課程實驗設備的需求所催生的實際項目，例如電類專業的單片機實驗箱、電路實驗箱等，這類設備以實驗箱為主，特點是使用頻率高、故障率高，過了保修期則設備的淘汰率就會迅速提升，淘汰設備達到一定數量，就產生了設備需求。面對這方面的需求，因為實驗箱相對較為便宜，單臺最便宜的為一兩千元，貴的為四五千元，因此高校一般是購買新設備。但如果將這些需求轉化為實踐教學項目，在教師的帶領下，由學生自行生產，再調整課程開設順序，予以配合，便可以在校內實現真正的產學融合，讓學生親身經歷產品生產過程中的每一個環節，在這個過程中，學生不僅是產品的設計者、制作者，更是產品功能的測試者和使用者。而且自己生產的實驗系統相較于購買的實驗箱，具有體積小、便于攜帶、功能選擇靈活的特點，還具有可根據后續課程的實際需求靈活定制的特點，從根本上解決了由于實驗設備不能帶出實驗室而造成的開放實驗難放開的問題（見圖1）。

圖1 自制小型實驗設備

2.2 過程的完整性和實踐性

課程必須以完整的實際項目為依托，在完整的工程教育模式下，以真實的產品研發到產品運行的完整生命周期為載體，讓學生以主動的方式實踐操作工程項目，通過實踐項目加強課程之間的有機聯系，不但鞏固了理論知識，而且鍛煉了工程實踐能力，培養了工程思維和意識。

2.3 綜合性

一個實際項目的實現是以多種理論知識為基礎的，因此，課程教學所包含的知識點應該針對學生前期所學過的某一課程群，使學生在教師的引導下，在項目實現的過程中，主動綜合應用課程群的知識去解決實際問題，以提升對所學知識的綜合應用能力。

3 探索實例

按照上述思路，課題組在電子科學與控制工程學院的電氣工程及其自動化專業進行了課程創新的試點工作，依托學院構建的四個實踐平臺之一的行業化綜合實踐平臺，根據先修和后續課程之間所形成的課程群，在該專業大二第二學期開設了電子系統綜合設計課程，通過該課程，在實際項目探索、教學內容設計、課程開設方法、課程評價體系等方面進行了有益的嘗試，并取得了不錯的效果。

3.1 實際項目探索

選擇在大二第二學期開設電子系統綜合設計課程，是因為前期課程單片機原理及應用，該課程是一門實踐性很強的專業基礎課程，也是學院電氣、通信、測控三個專業的公共課程。實驗設備采用單片機實驗箱，同時滿足三個專業8個班，共計350人左右的單片機實驗需求。由于使用頻繁，又過了保修期，目前能使用的實驗箱不足10臺，因此很多實驗采用虛擬仿真實驗，嚴重影響了課程實踐教學質量。同時，由于單片機實驗箱不能被帶出實驗室，課下學生只能通過仿真軟件彌補實踐課時的不足。因此，學生對單片機實驗設備的強烈需求催生出了實際的項目需求，而電子系統綜合設計課程的任務就是根據電氣專業單片機課程的實踐需求，在該課程實驗課開始之前，設計和生產單片機實驗設備，也就是單片機開發板。開發板必須具備小體積、低成本、便于攜帶和維修等特點。

3.2 教學內容的綜合性探索

單片機原理及應用課程的前期課程為電路、模擬電子技術、數字電子技術和旨在訓練學生焊接、元件識別和繪圖能力的電子技能訓練一、二、三。單片機課程本身包括兩部分內容：一是單片機原理，主要介紹單片機結構、引腳功能、內容硬件資源以及C51語言程序設計；二是以外部器件為主體，包括各類模擬器件、數字器件的單片機控制技術，實驗項目也主要出自這部分內容。單片機控制技術能夠融合先修課程，達到綜合應用所學知識的目的，但由于課時所限（一般理論課32學時，實驗課16學時），教師在單片機對外部器件控制部分教學的組織上，只能略講大多數內容，降低了學生綜合能力提高的效果。而新開設的電子系統綜合設計課程，是根據單片機課程的實踐需求，進行單片機開發板的設計與制作，課程不僅能夠有效提升學生的實踐能力，為后續單片機實驗提供相關設備，而且設計過程需要設計相應的模擬電路功能模塊、數字電路功能模塊，制作過程需要用到直插式元件及貼片元件的焊接技能，因此，電子系統綜合設計課程的開設在前期課程群的綜合應用和后續單片機控制技術之間起到了承上啟下的作用[9-12]。

3.3 課程開設方法的探索

（1） 在課程內容方面，電子系統綜合設計課程的先修課程與單片機課程相同，包括電路、模擬電子技術、數字電子技術以及電子技能訓練，基本元器件的識別訓練、焊接技能訓練、繪圖技能訓練已經在先修課程，特別是電子技能訓練課程中完成，因此，電子系統綜合設計課程的主要內容包括構思系統框圖、原理圖設計、PCB圖設計以及硬件制作及測試，如圖2所示[13-14]。

圖2 課程內容設計

（2）在課程課時及課程銜接方面，作為給單片機課程提供自制實驗設備的課程，電子系統綜合設計課程一定要在單片機實驗開始之前完成開發板的設計、制作以及測試，兩門課程銜接緊密，因此，在開設順序上，兩門課雖然在同一學期開設，但單片機課程開課時間必須延后，因此，課程組對單片機課程的開課時間進行了調整。根據課程內容的工作量及難度，確定了電子系統綜合設計課程的教學總學時為32學時，周教學學時為4學時，共8個教學周。單片機教學學時為理論課32學時，實驗課16學時，實驗課的開設時間是在理論課開始后的第5周進行，因此，兩門課程的開課時間為：電子系統綜合設計從第1個教學周開始，而單片機課程從第5個教學周開始，這樣電子系統綜合設計在第8個教學周結束，單片機實驗從第9個教學周開始，從而做到了兩門課程實踐內容的無縫銜接。

（3）在評價體系方面，由于學生在整個過程中既是產品的設計者、制作者，同時還是產品的使用者，因此，對于學生的考評也應該主要從這三方面考慮。作為設計者，要求原理圖功能完整、正確且整齊、美觀，有明確的功能劃分；PCB圖板型及尺寸規劃合理，元器件布局緊湊、合理、美觀。同時，在PCB圖設計過程中要兼顧生產者和使用者的需求，同一類型的元件要遵守方向一致性原則，以降低制作過程中的錯誤率，并且對關鍵引腳要進行文字標注，以方便用戶使用。作為生產制作者，要求在焊接制作過程中保持板面的清潔，焊點要好，不能出現虛焊的現象。作為使用者，要求在單片機課程實驗結束后，以報告的形式提交對產品的評價。

4 總結與展望

課程組所開設的電子系統綜合設計課程區別于通常的電子制作類課程，課程以研制生產真正投入使用的電子產品為出發點，以產品從研發到制作、再到測試應用中各環節先后順序為主線，從產品設計者、制作者和使用者三個不同維度訓練學生對所學知識的綜合應用能力，切實提高學生的實踐能力，同時，為后續課程的教學改革提供了堅實的物質基礎。

然而，由于課程學時所限，學生也是首次以設計者的身份進行實際產品的設計，存在設計經驗不足的問題，因此，在整個設計過程中，特別是產品設計階段框圖的制定、PCB圖的設計部分，學生主要是在指導教師的帶領下，以模仿教師的設計為主。整個過程中學生設計部分的獨立性、自主性方面能力提升不夠，缺少足夠的時間打磨，還需對后續課程包括專業實習、生產實習等進行持續改革。