新工科背景下“綜合電子設(shè)計(jì)”層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

摘要：“綜合電子設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，旨在提高學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力和工程創(chuàng)新能力，以滿(mǎn)足“新工科”人才培養(yǎng)要求。運(yùn)用層次化教學(xué)思想，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目布局，基于新技術(shù)和行業(yè)背景開(kāi)發(fā)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改革教學(xué)手段，構(gòu)建形成了“基礎(chǔ)—設(shè)計(jì)—綜合”層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。教學(xué)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了由基礎(chǔ)理論向工程應(yīng)用的引渡，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)了學(xué)生知識(shí)能力的復(fù)合發(fā)展。實(shí)踐表明，學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力顯著提高，取得了令人滿(mǎn)意的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：新工科;綜合電子設(shè)計(jì);層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué);綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G712" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1672-5727（2024）02-0076-05

一、引言

“新工科”是教育部為應(yīng)對(duì)新一輪科技與產(chǎn)業(yè)變革、提升人才綜合競(jìng)爭(zhēng)力而提出的工程教育改革方向^[1-4]，其核心理念是將工程教育與現(xiàn)代科技和社會(huì)需求有機(jī)結(jié)合，以“交叉、融合、自主、創(chuàng)新”為主線(xiàn)，旨在培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞墓た茖?zhuān)業(yè)卓越復(fù)合型技術(shù)人才，以應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)^[5-6]。此舉既符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，又與國(guó)際工程教育認(rèn)證理念一脈相承。

“綜合電子設(shè)計(jì)”是中國(guó)民航大學(xué)面向自動(dòng)化、電子信息專(zhuān)業(yè)工程教育改革試點(diǎn)班開(kāi)設(shè)的一類(lèi)重要實(shí)驗(yàn)課，包括電路電子綜合設(shè)計(jì)與仿真（I、II）和信息傳輸與處理，涵蓋基礎(chǔ)電路、模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路、單片機(jī)等多門(mén)課程。課程實(shí)驗(yàn)性、綜合性、應(yīng)用性強(qiáng)，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生電子設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)技能和工程創(chuàng)新能力的重要功能，在專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用^[7]。然而，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)項(xiàng)目相對(duì)獨(dú)立，項(xiàng)目間缺乏密切的聯(lián)系和融合，限制了學(xué)生靈活運(yùn)用知識(shí)的能力提升。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有待更新，缺乏體現(xiàn)學(xué)科交叉、新技術(shù)應(yīng)用及民航行業(yè)需求的工程實(shí)踐項(xiàng)目案例，創(chuàng)新和拓展空間有限。

為應(yīng)對(duì)科技發(fā)展和行業(yè)需求，解決原有課程教學(xué)中存在的問(wèn)題，以重基礎(chǔ)、強(qiáng)應(yīng)用、適應(yīng)行業(yè)需求、提升工程綜合素養(yǎng)為主要目標(biāo)，課題組對(duì)“綜合電子設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革探索。改革過(guò)程中，根據(jù)學(xué)科間知識(shí)交叉點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，著力加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間的關(guān)聯(lián)度;深入挖掘與民航行業(yè)需求緊密聯(lián)系的電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，并開(kāi)發(fā)綜合性創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，以提升項(xiàng)目的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性;形成了“基礎(chǔ)—設(shè)計(jì)—綜合”層次遞進(jìn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)與能力的復(fù)合發(fā)展，提高綜合知識(shí)運(yùn)用及工程實(shí)踐能力，以滿(mǎn)足“新工科”人才培養(yǎng)要求。

二、層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“綜合電子設(shè)計(jì)”是涵蓋多個(gè)學(xué)科交叉融合的新興課程，在基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)渡中承擔(dān)著重要的橋梁作用^[8]。在教學(xué)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮課程特點(diǎn)，設(shè)計(jì)針對(duì)不同學(xué)科的單元實(shí)驗(yàn)，并注重學(xué)科間、知識(shí)點(diǎn)間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系，構(gòu)建完整的實(shí)驗(yàn)體系，以促進(jìn)不同學(xué)科知識(shí)的結(jié)合與貫通。

層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)是依據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，按照難度和復(fù)雜性設(shè)置一系列實(shí)驗(yàn)任務(wù)，完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程^[9]。每階段的實(shí)驗(yàn)均建立在前一階段學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)逐步深入的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生在探究和解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步積累知識(shí)和技能^[10]。本研究針對(duì)“綜合電子設(shè)計(jì)”類(lèi)課程的教學(xué)要求及原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，采用層次化教學(xué)思想，并借鑒國(guó)內(nèi)外電類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革經(jīng)驗(yàn)，對(duì)“綜合電子設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)。

在教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)梳理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，確保關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)全覆蓋。同時(shí)，結(jié)合新技術(shù)發(fā)展、行業(yè)應(yīng)用需求和學(xué)科知識(shí)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建“基礎(chǔ)—設(shè)計(jì)—綜合”的立體化教學(xué)體系，具體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。通過(guò)這種不斷深入式的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)由基礎(chǔ)理論向工程應(yīng)用的引渡，對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)工程創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力等綜合素養(yǎng)的全面提升具有促進(jìn)作用^[11]。

（二）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

課題組通過(guò)課程改革，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)和實(shí)施，以確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠循序漸進(jìn)、由淺入深地學(xué)習(xí)和探索電子設(shè)計(jì)知識(shí)。

1.基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分為驗(yàn)證性和演示性?xún)深?lèi)實(shí)驗(yàn)，側(cè)重于學(xué)生對(duì)電子技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論的掌握、知識(shí)點(diǎn)的鞏固理解，以及基本實(shí)驗(yàn)技能和操作方法的學(xué)習(xí)。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

每個(gè)項(xiàng)目均對(duì)應(yīng)課程中的一個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生按照操作步驟完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生能夠深刻理解綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，為快速將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景，以及進(jìn)一步的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建立在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，著重強(qiáng)調(diào)對(duì)知識(shí)的綜合應(yīng)用。學(xué)生需根據(jù)項(xiàng)目要求運(yùn)用多個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，完成簡(jiǎn)單電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。在此過(guò)程中，學(xué)生不僅鞏固了基礎(chǔ)理論，還能將所學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于實(shí)際情境中，解決實(shí)際問(wèn)題。設(shè)計(jì)型項(xiàng)目對(duì)學(xué)生理解電子設(shè)計(jì)知識(shí)體系之間的關(guān)聯(lián)，提高知識(shí)的交叉應(yīng)用能力具有顯著作用;同時(shí)也能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目如表2所示。

3.綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是對(duì)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的延伸，針對(duì)上階段實(shí)驗(yàn)任務(wù)中的小型電子系統(tǒng)給出不同應(yīng)用場(chǎng)景和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生需團(tuán)隊(duì)協(xié)作，運(yùn)用工程思維進(jìn)行需求分析，提出詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，力求創(chuàng)新、完善電子系統(tǒng)并測(cè)試驗(yàn)證，以滿(mǎn)足具體場(chǎng)景的應(yīng)用要求。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。

綜合創(chuàng)新型項(xiàng)目相較于設(shè)計(jì)型項(xiàng)目更高級(jí)、更復(fù)雜。學(xué)生在項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅需要運(yùn)用課程相關(guān)知識(shí)，還需要綜合應(yīng)用機(jī)械、材料等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，以及人工智能、數(shù)字云、3D打印、虛擬仿真等新技術(shù)來(lái)解決工程應(yīng)用問(wèn)題。綜合創(chuàng)新項(xiàng)目能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和解決現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。此外，還有助于促進(jìn)課程與競(jìng)賽之間的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)與科研的互補(bǔ)。

（三）教學(xué)模式設(shè)計(jì)

在創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，課題組依托ELVIS虛擬儀器平臺(tái)、數(shù)字化教學(xué)資源、線(xiàn)上線(xiàn)下仿真工具、液態(tài)金屬打印機(jī)等打造了立體化學(xué)習(xí)空間。針對(duì)不同類(lèi)型項(xiàng)目采用差異化教學(xué)方式，構(gòu)建了多元化混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，旨在激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新精神，培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問(wèn)題的綜合能力。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)階段，課前，學(xué)生通過(guò)線(xiàn)上線(xiàn)下仿真軟件和數(shù)字化教學(xué)資源進(jìn)行預(yù)習(xí)，以提高課堂教學(xué)效果;課中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成學(xué)習(xí)內(nèi)容。設(shè)計(jì)型項(xiàng)目教學(xué)階段，項(xiàng)目開(kāi)始前，教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生自行組隊(duì)認(rèn)領(lǐng)任務(wù);課上，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生以小組為單位通過(guò)多輪討論并利用仿真設(shè)計(jì)工具形成設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的搭建及測(cè)試;課下，學(xué)生可利用在線(xiàn)設(shè)計(jì)軟件、口袋式開(kāi)發(fā)板對(duì)方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。綜合型項(xiàng)目教學(xué)階段，學(xué)生需要課下查閱資料自主學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)計(jì)軟件、新技術(shù)的使用方法，為下一步的創(chuàng)新實(shí)踐奠定基礎(chǔ);課上，學(xué)生討論形成設(shè)計(jì)方案，并利用相關(guān)設(shè)備完成項(xiàng)目制作。教學(xué)模式方案如圖2所示。

三、層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施與成效

在“信息傳輸與處理”課程中，課題組基于層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究成果開(kāi)展了教學(xué)實(shí)踐。該課程共計(jì)64學(xué)時(shí)，學(xué)生在前序課程中已完成電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)等基本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)占用16學(xué)時(shí)，學(xué)生獨(dú)立完成;設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目占用48學(xué)時(shí)，學(xué)生3～4人一組完成。

在基本項(xiàng)目教學(xué)部分，教師通過(guò)微信公眾號(hào)平臺(tái)推送教學(xué)視頻和資料，引導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)。設(shè)計(jì)型項(xiàng)目選取“小型環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，要求學(xué)生使用Arduino編程語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)模塊上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，監(jiān)測(cè)環(huán)境溫、濕度并遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)至電腦。學(xué)生小組討論并確定設(shè)計(jì)方案，然后使用在線(xiàn)仿真軟件驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊功能，并利用ELVIS虛擬儀器平臺(tái)和面包板完成硬件搭建。

綜合創(chuàng)新項(xiàng)目要求學(xué)生在“小型環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上創(chuàng)新完善，以滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)微型機(jī)場(chǎng)氣象數(shù)據(jù)的持續(xù)監(jiān)測(cè)需求。學(xué)生根據(jù)應(yīng)用環(huán)境需求，設(shè)計(jì)增加氣壓、高度、光照、風(fēng)雨等檢測(cè)功能模塊，并添加太陽(yáng)能充電模塊以達(dá)到不間斷工作的要求。在此基礎(chǔ)上，利用液態(tài)金屬打印機(jī)制作PCB，焊接系統(tǒng)電路，借助云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，完成系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。同時(shí)，使用3D建模軟件設(shè)計(jì)外殼、繪制產(chǎn)品裝配圖，查看產(chǎn)品效果，檢查電路模塊安裝位置是否干涉。圖3至圖5展示了學(xué)生項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)圖及裝配圖。

為檢驗(yàn)層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，結(jié)課后向?qū)W生發(fā)放了調(diào)查問(wèn)卷。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，91%以上的學(xué)生表示課程項(xiàng)目?jī)?nèi)容貼近實(shí)際應(yīng)用，95%以上的學(xué)生表示課程對(duì)后續(xù)學(xué)習(xí)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)科競(jìng)賽等有一定幫助作用，學(xué)生對(duì)教學(xué)的整體滿(mǎn)意度達(dá)90%以上。學(xué)生普遍認(rèn)為通過(guò)三層次的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)，既能鞏固基礎(chǔ)理論知識(shí)，又能消除面對(duì)工程問(wèn)題時(shí)的恐懼和茫然感，還逐步掌握了綜合運(yùn)用多個(gè)理論知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的方法，培養(yǎng)了解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提升了實(shí)踐和創(chuàng)新能力。同時(shí)，學(xué)生運(yùn)用課內(nèi)項(xiàng)目所學(xué)云技術(shù)等相關(guān)知識(shí)參加省部級(jí)新工科競(jìng)賽并獲獎(jiǎng)。可見(jiàn)，“綜合電子設(shè)計(jì)”層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課外競(jìng)賽中也發(fā)揮了一定作用。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引入具有民航行業(yè)應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，改革教學(xué)手段，采用多元混合式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，建立“基礎(chǔ)—設(shè)計(jì)—綜合”三層式教學(xué)體系，增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容間的關(guān)聯(lián)度，提升了課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性。實(shí)踐表明，層次化實(shí)驗(yàn)是新形勢(shì)下行業(yè)人才培養(yǎng)的一種有效途徑，有助于學(xué)生較快掌握將基礎(chǔ)理論轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用的方法，提高專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力。

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（責(zé)任編輯：張宇平）

Exploration of Hierarchical Experimental Teaching of \"Integrated Electronic Design\" in the Context of New Engineering

WANG Bo， HAN Shao-cheng， GAO Huan， HAO Lei

（Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract：" The reform of \"integrated electronic design\" experiment teaching aims to improve students' ability of flexible use of knowledge and engineering innovation to meet the requirements of \"new engineering\" talent training. By employing a hierarchical teaching approach， the layout of experimental projects is optimized， and new practical projects are developed based on new technologies and industry backgrounds. Teaching methods are reformed to establish a hierarchically progressive experimental teaching system comprising the stages of \"foundation， design and integration\". The teaching process facilitates the transition from fundamental theory to engineering application， stimulates students' interest in learning and promotes the comprehensive development of students' knowledge capabilities. Empirical evidence shows a significant improvement in students' hands-on skills and innovative abilities， resulting in satisfactory teaching outcomes.

Key words： new engineering; integrated electronic design; hierarchical experimental teaching; comprehensive innovation experiment

作者簡(jiǎn)介：王博（1982—），男，碩士，中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心講師，研究方向?yàn)樾鹿た平虒W(xué);韓紹程（1981—）男，碩士，中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué);高歡（1980—）男，碩士，中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心講師，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué);郝磊（1985—）男，碩士，中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心講師，研究方向?yàn)殡姽る娮訉?shí)驗(yàn)教學(xué)。

基金項(xiàng)目：天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究項(xiàng)目“一流課程建設(shè)背景下的民航行業(yè)院校電類(lèi)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)改革研究與實(shí)踐”（編號(hào)：B201005904）;中國(guó)民航大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目“課程思政示范課建設(shè)”（編號(hào)：CAUC-2022-B1-023）