師范院校電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革與探索

禹旺兵 劉萬(wàn)新 歐陽(yáng)鋼

(湖南師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410081)

隨著工程技術(shù)行業(yè)快速增長(zhǎng),對(duì)工程技術(shù)方面的人才需求逐年增加。地方師范院校在招生規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時(shí),也逐漸向工學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)等與區(qū)域產(chǎn)業(yè)聯(lián)系較緊密的專業(yè)轉(zhuǎn)型。目前,工科類專業(yè)已位居師范院校各學(xué)科之首,設(shè)置專業(yè)總數(shù)高達(dá)1157個(gè),占專業(yè)總數(shù)的19.59%[1]。電子類專業(yè)本身具有較強(qiáng)的實(shí)踐性,而地方師范院校由于受辦學(xué)模式和硬件設(shè)施的限制,專業(yè)創(chuàng)新性、實(shí)踐性培養(yǎng)效果并不明顯,實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施仍然存在較大的不足。為此,本文旨在探索構(gòu)建適合地方師范院校的電子類專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系。

1 存在的問(wèn)題

1.1 實(shí)踐教學(xué)認(rèn)識(shí)不足,意識(shí)不強(qiáng)

師范院校傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)一般以文理科為主,其工科專業(yè)基本上都是依托原有的基礎(chǔ)學(xué)科專業(yè)而設(shè)立的。由于受傳統(tǒng)教育觀念的影響,這些工科專業(yè)本科教學(xué)很大程度上仍未擺脫傳統(tǒng)教學(xué)體系的束縛,重理論而輕實(shí)踐,對(duì)實(shí)踐教學(xué)認(rèn)識(shí)不足,實(shí)踐意識(shí)不強(qiáng)[2-4]。主要反映在以下幾方面:其一,師范院校在教學(xué)理念上注重學(xué)科知識(shí)之間的連貫性和系統(tǒng)性,強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識(shí)之間的邏輯順序及銜接關(guān)系,在教學(xué)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)對(duì)基本原理、物理過(guò)程以及數(shù)學(xué)方法的掌握和理解。教學(xué)過(guò)程中比較關(guān)注理論分析與過(guò)程推導(dǎo),而不強(qiáng)調(diào)實(shí)際運(yùn)用。而工科專業(yè)重視學(xué)科的工程性、實(shí)踐性、應(yīng)用性。因此,兩者在教學(xué)理念、內(nèi)容和方法上存在巨大差異。其二,在教學(xué)實(shí)施中,理論性學(xué)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位,而實(shí)踐環(huán)節(jié)課時(shí)嚴(yán)重不足,且實(shí)踐類型和方式比較單一,一般都為驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn),綜合性實(shí)驗(yàn)不多,學(xué)生實(shí)踐機(jī)會(huì)很少,幾乎接觸不到整體電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)踐。

1.2 教師自身的實(shí)踐教學(xué)能力不理想

師范院校的電子專業(yè)基本上是以原物理類專業(yè)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的,且大部分與物理專業(yè)在同一個(gè)二級(jí)學(xué)院,因此都帶有物理專業(yè)人才培養(yǎng)模式的痕跡。其原有師資大部分來(lái)源于物理專業(yè)教師,新引進(jìn)的專任教師也重在科研成果,而不注重工程實(shí)踐能力考察。這些教師擅長(zhǎng)于從事理論研究,但對(duì)于實(shí)踐性、工程應(yīng)用則顯得力不從心,尤其是面對(duì)電子電路設(shè)計(jì)、仿真、組裝和調(diào)試,以及電子產(chǎn)品的性能分析時(shí)差距更加明顯,這就極大地制約了實(shí)踐環(huán)節(jié)的有效實(shí)施。此外,相比于傳統(tǒng)工科院校,師范院校的教師接觸工程項(xiàng)目的機(jī)會(huì)比較少,缺乏工程項(xiàng)目的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)積累。同時(shí),現(xiàn)行的高校人事制度也導(dǎo)致了實(shí)踐教師嚴(yán)重不足,從而限制了實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施。

1.3 實(shí)踐條件不能滿足要求

電子信息是本世紀(jì)以來(lái)發(fā)展最快也是最熱門(mén)的行業(yè)之一,其實(shí)踐性要求也非常高,主要的實(shí)踐教學(xué)條件包括實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)踐基地以及為學(xué)生提供諸如參加學(xué)科競(jìng)賽、技能培訓(xùn)等支持。由于知識(shí)與技術(shù)更新非?？?實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要及時(shí)更新。受經(jīng)濟(jì)條件限制,師范院校的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)無(wú)法在實(shí)施過(guò)程中滿足技術(shù)發(fā)展的需要。此外,師范院校也缺乏相關(guān)企業(yè)作為學(xué)生實(shí)踐的場(chǎng)所。這種理論與技術(shù)的脫節(jié)極大地阻礙了實(shí)踐人才的培養(yǎng)。

2 “四位一體”實(shí)踐教學(xué)改革

實(shí)踐教學(xué)是高校人才培養(yǎng)方案的重要組成部分,是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)[5-7]。根據(jù)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)和要求,實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心構(gòu)建了“訓(xùn)、踐、創(chuàng)、作”四位一體“遞進(jìn)式”的實(shí)踐教學(xué)體系(如圖1所示),將實(shí)踐課程劃分為專業(yè)實(shí)訓(xùn)、社會(huì)實(shí)踐、創(chuàng)新訓(xùn)練、設(shè)計(jì)制作等四個(gè)遞進(jìn)層次。實(shí)踐課程安排由簡(jiǎn)入深,循序漸進(jìn),從基礎(chǔ)層到應(yīng)用層四層逐層深化,從工程基本能力到綜合能力逐級(jí)提升(如圖2所示),使學(xué)生以理論知識(shí)為基礎(chǔ),通過(guò)一定的綜合實(shí)踐梳理知識(shí)體系,從而激發(fā)創(chuàng)新潛能,提高實(shí)踐水平。

圖1 四位一體“遞進(jìn)式”的實(shí)踐教學(xué)體系

圖2 四種能力的培養(yǎng)

2.1 專業(yè)實(shí)訓(xùn)

專業(yè)實(shí)訓(xùn)面向大一新生開(kāi)設(shè),以電子技術(shù)基本技能訓(xùn)練為主,分為課內(nèi)實(shí)訓(xùn)和課外實(shí)訓(xùn)。課內(nèi)實(shí)訓(xùn)主要包括制版、焊接工藝實(shí)訓(xùn)以及儀器儀表的使用和元器件的識(shí)別與測(cè)量,實(shí)踐時(shí)間約為40個(gè)學(xué)時(shí)。目前大部分師范院校的專業(yè)實(shí)訓(xùn)是給學(xué)生發(fā)放現(xiàn)成的焊接套件,學(xué)生按照電路圖焊接電路。這樣的訓(xùn)練方法簡(jiǎn)單便捷,但學(xué)生的收獲不多,對(duì)電路制版工藝流程認(rèn)識(shí)不足。為此,我們改革實(shí)訓(xùn)模式,將現(xiàn)成的電路板以電路圖(Protel制圖)的形式發(fā)放給學(xué)生,讓學(xué)生完成圖到板的環(huán)節(jié),熟悉制版工藝流程。同時(shí)為了激發(fā)學(xué)生對(duì)電子技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣,焊接對(duì)象也不局限于收音機(jī),我們選用一些更具有科技感的、更能反映技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)品,如手機(jī)充電器、數(shù)碼時(shí)鐘、流水燈、藍(lán)牙音箱等。

課外實(shí)訓(xùn)以課外電子制作的形式開(kāi)展,按技術(shù)需求確定電路功能,利用EDA軟件設(shè)計(jì)具體的電路并裝配圖紙,再通過(guò)萬(wàn)能板(或面包板、PCB板等)焊接、組裝、調(diào)試等工序,最終做出電子成品的全過(guò)程。

2.2 社會(huì)實(shí)踐

社會(huì)實(shí)踐面向大二學(xué)生展開(kāi),以電子系統(tǒng)的綜合測(cè)試與故障排除為主,主要包括廢舊儀器的拆裝與檢測(cè)和家用電子電器的測(cè)試與維修兩個(gè)方面。實(shí)驗(yàn)中心特別是電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備更新速度是比較快,每年都會(huì)有一批儀器設(shè)備需要報(bào)廢處理,這些設(shè)備包括有示波器、穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等等。通過(guò)對(duì)這一部分廢舊設(shè)備的拆解和調(diào)試,一方面可以認(rèn)識(shí)具體的器件,了解電子技術(shù)的發(fā)展,提高科學(xué)素養(yǎng)[8-9]。例如在“模擬電子技術(shù)”中,我們介紹了電子技術(shù)從電子管到晶體管,再到集成電路的發(fā)展過(guò)程,但通常都是以圖片和幻燈片的形式展現(xiàn)給學(xué)生,他們對(duì)于具體的器件以及電路根本沒(méi)有具體的概念只能憑空想象。學(xué)生通過(guò)拆解報(bào)廢的電子管和晶體管示波器,觀察機(jī)器內(nèi)部的電路變化可以很明顯地感受到電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,這是任何文字和圖片無(wú)法替代的。另一方面,通過(guò)對(duì)具體儀器的拆解、對(duì)具體電路的檢測(cè),可以進(jìn)一步加深對(duì)理論知識(shí)的理解。以直流穩(wěn)壓電源為例,直流穩(wěn)壓電源電路主要包括變壓器電路、檢波電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。教材上基本上只給出了基本的原理性電路,實(shí)驗(yàn)箱也只能簡(jiǎn)單地觀測(cè)一下各電路的電壓或者波形,學(xué)生對(duì)于其具體的工作電路知之甚少。通過(guò)對(duì)具體穩(wěn)壓電源的拆解,學(xué)生可以了解穩(wěn)壓電源各模塊功能單元的劃分以及具體功能的實(shí)現(xiàn),教材上的原理性電路并不能應(yīng)用于實(shí)際的工作電路,具體的工作電路還包括許多輔助電路,而這些輔助電路卻對(duì)儀器設(shè)備的功能和性能產(chǎn)生決定性的影響。

此外,家用電子電器的普及與發(fā)展也為學(xué)生的綜合實(shí)踐提供了便利。為了進(jìn)一步提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力,我們?cè)趯W(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室成立了一個(gè)家電維修測(cè)試中心,一方面服務(wù)了全校的師生,另一方面鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。例如在開(kāi)設(shè)的“電視機(jī)原理”課程中,學(xué)生對(duì)于電視機(jī)的工作過(guò)程并不了解,我們通過(guò)對(duì)家電維修測(cè)試中心保留的一臺(tái)黑白電視進(jìn)行拆解和測(cè)試,學(xué)生可以很清楚地看到顯像管、電子槍、顯示電路、偏轉(zhuǎn)電路等,通過(guò)對(duì)這一系列的電路進(jìn)行測(cè)試,加深了學(xué)生對(duì)電視工作原理的理解?，F(xiàn)在用于英語(yǔ)聽(tīng)力的“小蜜蜂”,其內(nèi)部電路基本上覆蓋了“高頻電子線路”的主要知識(shí)點(diǎn),通過(guò)對(duì)“小蜜蜂”內(nèi)部電路的維修與調(diào)試,加深了學(xué)生對(duì)調(diào)頻和調(diào)幅以及接收機(jī)的理解。

2.3 創(chuàng)新訓(xùn)練

在大三期間進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力,創(chuàng)新訓(xùn)練包括大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和參與教師科研項(xiàng)目?jī)蓚€(gè)方面。大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目是本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)的重要組成部分,是提升學(xué)校教學(xué)水平和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的重要途徑[10-12]。大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目一般由3名學(xué)生組成一個(gè)團(tuán)隊(duì),他們根據(jù)自己的興趣方向擬定項(xiàng)目?jī)?nèi)容和實(shí)施方案。這種以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)踐活動(dòng),極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、主動(dòng)性和創(chuàng)造性,改變了實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱、動(dòng)手能力不足的傳統(tǒng)教學(xué)模式,進(jìn)一步提高了實(shí)踐教學(xué)的效果。

雖然國(guó)家和省級(jí)主管部門(mén)以及高校都設(shè)立了大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、研究專項(xiàng)等來(lái)激發(fā)大學(xué)生從事創(chuàng)新活動(dòng)的興趣,提高綜合實(shí)踐能力,但這類項(xiàng)目指標(biāo)較少,只有極個(gè)別學(xué)生能獲得支持。因此,我們實(shí)驗(yàn)中心組織部分年輕教師結(jié)合自身研究特點(diǎn),瞄準(zhǔn)本專業(yè)學(xué)科前沿問(wèn)題,凝煉科研課題,對(duì)學(xué)生開(kāi)放部分科研實(shí)驗(yàn)室。這些科研課題既與理論教學(xué)緊密結(jié)合,又注意把先進(jìn)性、開(kāi)放性的科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)踐教訓(xùn)的新內(nèi)容。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室目前開(kāi)設(shè)了包括“FPGA語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)”“憶阻器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)”等一系列實(shí)踐項(xiàng)目。通過(guò)這些項(xiàng)目可以使學(xué)生理論學(xué)習(xí)和科學(xué)實(shí)踐緊密結(jié)合,加深對(duì)專業(yè)課程的相關(guān)知識(shí)的理解,培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力。

2.4 設(shè)計(jì)制作

設(shè)計(jì)制作在大四期間執(zhí)行,主要包括電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽和實(shí)驗(yàn)儀器自制兩個(gè)方面,在該階段實(shí)踐過(guò)程中,引入CDIO(Conceiving-Designing-Implementing-Operation,即構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作)工程教育理念[13-14],以項(xiàng)目需求為主導(dǎo),學(xué)生作為主體,以團(tuán)隊(duì)形式完成實(shí)踐項(xiàng)目(如圖3所示)。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是提高學(xué)生綜合實(shí)踐能力的重要抓手,儀器自制是鍛煉學(xué)生工程實(shí)踐能力的主要手段。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求學(xué)生根據(jù)技術(shù)要求提出設(shè)計(jì)方案,選擇合適的器件,設(shè)計(jì)和調(diào)試程序以及硬件電路并進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試,需要綜合應(yīng)用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)、DSP、傳感與檢測(cè)技術(shù)等多門(mén)學(xué)科知識(shí),同時(shí)要求學(xué)生能熟練應(yīng)用各種電子測(cè)量?jī)x器。電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題是一個(gè)完整的工程項(xiàng)目,參與電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽是對(duì)學(xué)生工程綜合實(shí)踐能力的一次鍛煉,有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力,同時(shí)也提升了他們自身分析問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等綜合素質(zhì)。近幾年來(lái),我中心指導(dǎo)獲得全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽以及集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等相關(guān)比賽國(guó)家級(jí)一等獎(jiǎng)2項(xiàng),二等獎(jiǎng)2項(xiàng),省級(jí)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)。

圖3 CDIO工程實(shí)踐模式

儀器設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的物質(zhì)基礎(chǔ)[15]。一方面由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備專業(yè)性強(qiáng),社會(huì)需求量小,生產(chǎn)廠家少,價(jià)格往往較貴。而資金不足是我院實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)長(zhǎng)期面臨的問(wèn)題,隨著學(xué)生規(guī)模的逐年增加,教學(xué)設(shè)備的臺(tái)套數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需要。另一方面,除了參與工業(yè)實(shí)習(xí),學(xué)生工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)不多,缺乏工程能力方面的鍛煉。為此,我們遴選了一批原理簡(jiǎn)單、技術(shù)難度不大的實(shí)驗(yàn)儀器作為電子專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題,通過(guò)這一實(shí)踐模式改革,既解決了由于資金不足造成的儀器設(shè)備短缺的問(wèn)題,又通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐提高了學(xué)生的實(shí)踐能力。如在“普通物理”研究牛頓第二運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)中使用的光電計(jì)時(shí)儀,其市場(chǎng)售價(jià)近千元。我們將該實(shí)驗(yàn)儀器研制通過(guò)以“單片機(jī)的光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)”畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題形式在學(xué)生中展開(kāi),在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下,學(xué)生們經(jīng)過(guò)一系列調(diào)研、論證、仿真、調(diào)試后完成了該儀器的試制工作,其性能指標(biāo)已超過(guò)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器的指標(biāo),成本卻只有五分之一,此外我們還以畢業(yè)設(shè)計(jì)的形式自制了電路分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)加熱箱等。

3 結(jié)語(yǔ)

在“新工科”的時(shí)代背景下,切實(shí)提高電子技術(shù)專業(yè)人才的工程實(shí)踐能力已是師范院校人才培養(yǎng)的迫切需求。只有全面深化實(shí)踐教學(xué)改革,在實(shí)踐教學(xué)中不斷探索新的培養(yǎng)模式,及時(shí)總結(jié),不斷優(yōu)化,才能形成良好的實(shí)踐教學(xué)理念,搭建優(yōu)秀的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái),從而培養(yǎng)出適應(yīng)社會(huì)需求、具有較強(qiáng)實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才。