劉喬壽， 黃沛昱

(重慶郵電大學(xué) a．通信與信息工程學(xué)院，b．光電工程學(xué)院，重慶400065)

0 引言

近半個(gè)世紀(jì)以來，電子信息技術(shù)迅猛發(fā)展，社會(huì)對(duì)電子信息類專業(yè)人才從數(shù)量到質(zhì)量都有巨大的需求，高等學(xué)校所承擔(dān)的培養(yǎng)電子信息類技術(shù)人才的使命就特別重要。由于教學(xué)規(guī)模的增加，使得電子類專業(yè)的教育資源嚴(yán)重匱乏，特別是投入相對(duì)較大的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)條件的匱乏更為突出。開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是目前高校實(shí)驗(yàn)改革的重要內(nèi)容，它在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力方面有著舉足輕重的作用;但由于覆蓋學(xué)生面廣、課時(shí)多、設(shè)備投入?yún)T乏，在很多高校中難以實(shí)現(xiàn)真正的開放［1］。如何合理、最大化而又有效地提高開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的利用率和效果是目前需要解決的一個(gè)重要問題。另一方面，以全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、“挑戰(zhàn)杯”等為代表的各類電子科技競賽，吸引了大量大學(xué)生的積極參與，是培養(yǎng)學(xué)生科技能力、協(xié)作精神，提高綜合素質(zhì)的有力措施［2］。如何將各類科技活動(dòng)與開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，在大規(guī)模面上培養(yǎng)的同時(shí)，又對(duì)部分有興趣、有能力的學(xué)生進(jìn)行高層次的培養(yǎng)，也是需要解決的重要問題。

依托多項(xiàng)教改項(xiàng)目和中央與地方共建實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，我們提出了“以精英化教育推動(dòng)大眾化教育，兩者并重”的電子信息類開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)和不同的人才培養(yǎng)目標(biāo)，建立靈活的電子信息類開放教學(xué)平臺(tái)，適應(yīng)不同的教學(xué)需求。

1 以精英化教育推動(dòng)大眾化教育的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

經(jīng)過多年參與各項(xiàng)科技活動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)參加競賽培訓(xùn)學(xué)生的基本能力還有待提升;限于基礎(chǔ)的不扎實(shí)，短期培訓(xùn)并不能大幅度、有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用能力;且競賽培訓(xùn)是針對(duì)少數(shù)學(xué)生的強(qiáng)化訓(xùn)練，對(duì)大多數(shù)學(xué)生的能力訓(xùn)練并沒起到積極的作用，基本沒有太大的意義。學(xué)生基礎(chǔ)能力的欠缺暴露了目前大眾化教育中存在幾個(gè)重要的問題:①課程體系缺乏系統(tǒng)性，特別是長期以來重視理論教學(xué)，忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，培養(yǎng)出來的學(xué)生也許具有單一技術(shù)設(shè)計(jì)能力，但往往缺乏綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力;②教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，多數(shù)還停留在基礎(chǔ)知識(shí)的講解上，不能體現(xiàn)現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)思想［3-4］;③ 科技進(jìn)步對(duì)教育提出越來越高的要求，對(duì)人才的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是一種趨向個(gè)性化的教學(xué)，傳統(tǒng)的大眾化教育仍然是一種共性教育;④教學(xué)條件匱乏，特別是傳統(tǒng)的電子信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)場地和設(shè)備等資源要求高，各高校的投入很難跟上專業(yè)的發(fā)展速度。

針對(duì)以上問題，我們對(duì)電子信息類相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行了一系列的改革，包括教學(xué)體系層次、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核方式以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等各個(gè)方面。

1．1 建立現(xiàn)代電子技術(shù)課程體系，構(gòu)建開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過把從競賽中獲得的體會(huì)與國家高校電工課程委員會(huì)的有關(guān)改革建議結(jié)合起來，對(duì)原有電子技術(shù)系列課程進(jìn)行整合優(yōu)化，既考慮課程間前后的銜接，又考慮電子信息技術(shù)飛速發(fā)展的大環(huán)境，我們提出開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程見圖1。整個(gè)流程按層次結(jié)構(gòu)安排，分為基礎(chǔ)訓(xùn)練、模塊訓(xùn)練和工程實(shí)踐訓(xùn)練。

(1)基礎(chǔ)訓(xùn)練層次。該層次分為3個(gè)階段，從基本儀器儀表操作技能入手、進(jìn)行焊接訓(xùn)練、掌握PCB制版流程，考核通過后才能進(jìn)入下一階段的學(xué)習(xí)，確保實(shí)驗(yàn)操作基本功的扎實(shí)。第2、3階段與基礎(chǔ)課程相結(jié)合，涉及課程包括:“信號(hào)與系統(tǒng)”、“電路分析”、“電子線路”、“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”，提供全校性的基礎(chǔ)開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

(2)模塊訓(xùn)練層次。包括單片機(jī)、EDA、嵌入式、信號(hào)處理、通信電子電路等幾個(gè)模塊，要求學(xué)生掌握軟硬件相結(jié)合的實(shí)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，軟件包括:QuartusⅡ、Modelsim、Proteus、KeilC、Matlab、LabVIEW 等;涵蓋課程包括:“單片機(jī)原理與應(yīng)用”、“可編程邏輯器件原理與應(yīng)用”、“DSP原理與應(yīng)用”、“嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)”等。該層次還有一個(gè)重要的培養(yǎng)目標(biāo)，即學(xué)生自行查閱參考資料的能力。除百度、谷歌、圖書館等常用的資源外，還需要能夠查找各種電子網(wǎng)站提供的芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)和開發(fā)資料。該層次針對(duì)不同專業(yè)開放不同模塊。

圖1 開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

(3)工程實(shí)踐訓(xùn)練層次。開設(shè)“電子綜合設(shè)計(jì)與仿真”課程。該課程涵蓋知識(shí)面廣泛，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)綜合性設(shè)計(jì)。特別根據(jù)電子競賽相關(guān)內(nèi)容模塊，添加了電源設(shè)計(jì)、信號(hào)源設(shè)計(jì)等內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行實(shí)用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力?！半娮泳C合設(shè)計(jì)與仿真”課程分為基礎(chǔ)和提高兩個(gè)階段，基礎(chǔ)階段面向全校有興趣學(xué)生開放，通過后可獲得B學(xué)分;提高階段課程設(shè)置入門門檻，主要針對(duì)有一定能力，并愿意在電子信息設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步專研的學(xué)生。通過該課程還可以幫助我們選拔優(yōu)秀學(xué)生參加教師研究團(tuán)隊(duì)和國家級(jí)電子設(shè)計(jì)競賽。

經(jīng)過完整、系統(tǒng)的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、綜合應(yīng)用能力得到了大幅度地提高。

1．2 推進(jìn)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

改變過去專業(yè)人才培養(yǎng)千人一面，規(guī)格單一，模式單一的狀況，改變“統(tǒng)一計(jì)劃、統(tǒng)一大綱、統(tǒng)一教材、統(tǒng)一考核”的狀況，以保護(hù)和發(fā)展學(xué)生的差異和個(gè)性為主，推進(jìn)個(gè)性化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(1)實(shí)驗(yàn)教學(xué)“三開放”。開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用學(xué)生刷卡形式進(jìn)入，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、內(nèi)容、元器件“三開放”［5-7］。學(xué)生可以根據(jù)個(gè)人情況自己安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，除必須完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，可自由選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案、掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，教師在開放實(shí)驗(yàn)過程中起到輔導(dǎo)作用，充分給予學(xué)生學(xué)習(xí)的自主權(quán)。部分元器件由學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)需要親自前往市場購買，幫助學(xué)生自己了解元器件的差別和選用原則。讓學(xué)生在一個(gè)完全自主學(xué)習(xí)與思考的環(huán)境中進(jìn)行專業(yè)技能的鍛煉，挖掘自身潛能，最大限度地發(fā)揮智慧和自身特長［8-9］。

(2)多樣化的考核方式。通過研究探索，我們提出了多樣化的考核形式，并且建立了試題庫。多樣化的考核一方面是指根據(jù)實(shí)驗(yàn)課程不同實(shí)施不同的考核方式，如:“數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)”、“電子線路”等基礎(chǔ)訓(xùn)練層次的實(shí)驗(yàn)課程采用分組代表考核的形式，即學(xué)生以小組為單位，3人一組。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場考試時(shí)，由學(xué)生抽簽決定考試題目和考試人員，一人考試成績即代表小組所有學(xué)生該門課程的成績。該考核形式增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)壓力，有效提升了相互督促學(xué)習(xí)的作用?！皢纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用”、“可編程邏輯器件與應(yīng)用”等模塊訓(xùn)練層次的實(shí)驗(yàn)課程采用現(xiàn)場演示答辯的形式完成。學(xué)生可以在不超過規(guī)定人數(shù)的范圍內(nèi)自由組隊(duì)，通過給教師演示作品和回答問題的形式來完成。學(xué)生可根據(jù)各自擅長來決定在項(xiàng)目中具體負(fù)責(zé)部分:如硬件電路的設(shè)計(jì)、軟件的完成或是焊接、報(bào)告等工作;并選出小組組長，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)意見等出現(xiàn)分歧時(shí)的決定性工作。該考核形式能夠顯著提升學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，激發(fā)對(duì)科技創(chuàng)新實(shí)踐的興趣，同時(shí)也能夠培養(yǎng)學(xué)生的組織能力、團(tuán)隊(duì)精神和領(lǐng)導(dǎo)才能。多樣化考核的另一方面是指分層次進(jìn)行考核。分層次考核有利于因材施教［10］。每個(gè)層次的題目有自身的難度和要求，學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況和能力進(jìn)行選擇;既能確保基本實(shí)驗(yàn)要求的完成，又能讓能力強(qiáng)的學(xué)生脫穎而出，拉開學(xué)生能力的檔次。

1．3 革新教學(xué)內(nèi)容

通過對(duì)前幾屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的試題分析，可以歸納成7大類:即電源類、信號(hào)源類、通信類、儀器類、數(shù)據(jù)采集和控制類、信號(hào)處理類、測量與控制類［11-14］。試題的特點(diǎn)是:實(shí)用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地大，常用的器件有:晶體管、場效應(yīng)管、運(yùn)算放大器、AD/DA芯片、單片機(jī)、DSP、ARM、可編程邏輯器件等;設(shè)計(jì)手段可以采用傳統(tǒng)的，也可以采用現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)工具，如QUARTUS和ISP在系統(tǒng)可編程等。不難看出，電子設(shè)計(jì)競賽的試題反映了電子技術(shù)的先進(jìn)水平。

在訓(xùn)練和競賽過程中，我們廣泛地了解、使用新技術(shù)、新器件，更清楚地認(rèn)識(shí)到當(dāng)前電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)我們本科教學(xué)也提出了新的要求。要培養(yǎng)跨世紀(jì)的科技人才，必須不斷改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，舍棄過時(shí)陳舊的內(nèi)容，如模擬電路中過多的分立元件電路實(shí)驗(yàn)，數(shù)字電路中門電路的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、過多的小規(guī)模集成電路實(shí)驗(yàn)。另一方面，積極引入新的內(nèi)容，如集成運(yùn)放的各種應(yīng)用，CPLD和FPGA的應(yīng)用等;增加了電子線路軟件仿真的內(nèi)容，使硬件軟件相結(jié)合，豐富了實(shí)驗(yàn)手段。同時(shí)，我們還將歷屆競賽題目引入教學(xué)中，采用項(xiàng)目研究式教學(xué)方法，在教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力;或是開設(shè)專題講座，讓學(xué)生盡快接觸到前沿技術(shù)。

1．4 創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)方式

隨著課程的層次進(jìn)階，我們引入了不同類型課程設(shè)計(jì)。具體分為兩種類型:①具體課程服務(wù)的單一課程的課程設(shè)計(jì)，②貫穿大學(xué)四年的系統(tǒng)性綜合知識(shí)應(yīng)用課程設(shè)計(jì)，如:51單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)板的應(yīng)用，該開發(fā)板是由項(xiàng)目組成員研發(fā)的。對(duì)于大一的學(xué)生，主要是完成開發(fā)板的焊接，能夠使用老師提供的測試程序通過Keil C軟件對(duì)開發(fā)板進(jìn)行測試。主要目的讓學(xué)生接觸電路板，接觸軟件調(diào)試系統(tǒng)，不需要進(jìn)行電路板電路系統(tǒng)的了解和設(shè)計(jì)。大二期間，開發(fā)板將用于通信、電子信息等專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)課程教學(xué)，再反過來了解該系統(tǒng)板的構(gòu)成，并能運(yùn)用系統(tǒng)板完成一些簡單設(shè)計(jì)，如:單片機(jī)常用外設(shè)模塊的設(shè)計(jì)。大三學(xué)生將基于該開發(fā)板完成綜合性課程設(shè)計(jì)，有多種題目供選擇。此外，學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目也可以采用此系統(tǒng)板完成。

通過建立系統(tǒng)化的現(xiàn)代電子技術(shù)課程教學(xué)體系，完整地開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，已經(jīng)能夠大大提升多數(shù)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合應(yīng)用能力，我們認(rèn)為在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)出來的學(xué)生已經(jīng)具備一定的電子設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力，具有了參加各類科技活動(dòng)最基本的素質(zhì)，極大地提升了大眾化教育的教學(xué)效果。在此基礎(chǔ)上，選拔有興趣的學(xué)生參加進(jìn)一步的培訓(xùn)，進(jìn)一步推進(jìn)精英化教育。

1．5 自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改良教學(xué)條件

根據(jù)教學(xué)需求，我們自行開發(fā)研制了多個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備:EEPROM編程器、數(shù)字芯片功能測試儀、EDA綜合實(shí)驗(yàn)箱、51單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)板、電子競賽應(yīng)用板等(見圖2)。其中數(shù)字芯片功能測試儀用于檢測芯片的功能型號(hào)與好壞，極大的提升了數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)課程的效率;EDA綜合實(shí)驗(yàn)箱采用動(dòng)態(tài)可重組電路完成實(shí)驗(yàn)箱電路配置，配置靈活、結(jié)果多元化，可通過軟件升級(jí)實(shí)驗(yàn)箱功能;51單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)板采用學(xué)生自行焊接的形式，創(chuàng)新特點(diǎn)在于:全部IO口通過擴(kuò)展接口引出，自帶USB接口的硬件仿真調(diào)試器，通過USB接口可以直接實(shí)現(xiàn)和Keil C軟件的聯(lián)機(jī)調(diào)試，不用專門配備昂貴的51仿真器;電子競賽應(yīng)用板提供給參加各類科技活動(dòng)的學(xué)生。

在設(shè)備的研制過程中，我們還選拔了部分優(yōu)秀學(xué)生加入，負(fù)責(zé)程序和部分硬件模塊的調(diào)試。該舉措作為開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充，有利于提高學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)際應(yīng)用能力，極大地提升了開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

圖2 自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

2 進(jìn)一步強(qiáng)化精英教育

我們深挖實(shí)驗(yàn)室開放的內(nèi)涵，把正常的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)和學(xué)生科技活動(dòng)有機(jī)融合，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選拔參加科技活動(dòng)的愛好者，從科技活動(dòng)中培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生帶動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體效果。

圖3 競賽選拔流程

一方面，通過全程指導(dǎo)學(xué)校電子協(xié)會(huì)和科協(xié)等在學(xué)生中影響力很大的學(xué)生社團(tuán)，增加學(xué)生社團(tuán)活動(dòng)的“科技”含量，并以此為窗口宣傳我們的科技活動(dòng)體系和進(jìn)出機(jī)制，吸引更多優(yōu)秀學(xué)生加入到培訓(xùn)體系，提升科技氛圍，具體選拔培訓(xùn)流程見圖3。另一方面，通過將學(xué)生優(yōu)秀作品、優(yōu)秀創(chuàng)意轉(zhuǎn)化到日常實(shí)驗(yàn)教中，讓更多的學(xué)生看到他(她)們身邊的同學(xué)取得的成績。比如我們現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中用到的“數(shù)字芯片功能測試儀”，就是由學(xué)生科技活動(dòng)作品改版而來。開放實(shí)驗(yàn)中部分應(yīng)用類題目，也是由學(xué)生科技活動(dòng)中的創(chuàng)意改版而來。

我們組建了全校性的教練團(tuán)隊(duì)，會(huì)定期給參加各類科技活動(dòng)的學(xué)生進(jìn)行講座和培訓(xùn)，指導(dǎo)進(jìn)行一些綜合性項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。此外，從2008年開始，開展電子工程師認(rèn)證培訓(xùn)，共培訓(xùn)學(xué)生150余人以及來自全國60多所高校的教師200余人。

3 結(jié)語

近年來，各類大學(xué)生電子競賽活動(dòng)如火如荼地開展，對(duì)傳統(tǒng)高校電子信息類專業(yè)的教學(xué)改革帶來巨大的沖擊［15］。

實(shí)踐證明，建立以精英化教育推動(dòng)大眾化教育，兩者并重的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式在提升學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合能力等方面獲取了較好的效果，巨大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了其就業(yè)競爭力。科技活動(dòng)也取得了豐碩的成績，以全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)為例，2009年獲全國一等獎(jiǎng)1隊(duì)、重慶市一等獎(jiǎng)6隊(duì)、二等獎(jiǎng)7隊(duì);2011年獲全國一等獎(jiǎng)2隊(duì)、全國二等獎(jiǎng)2隊(duì)、重慶市一等獎(jiǎng)2隊(duì)、重慶市二等獎(jiǎng)1隊(duì)。2012年，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽模擬專題邀請(qǐng)賽獲得TI杯和一項(xiàng)全國二等獎(jiǎng)。

在今后的工作中，我們還需要不斷總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步深化改革，徹底解決個(gè)性培養(yǎng)與共性培養(yǎng)的矛盾問題，提升教學(xué)質(zhì)量和效果。

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［10］ 楊運(yùn)鑫，唐良寶．全程性多樣化開放式實(shí)驗(yàn)考核方式研究［J］．華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，9(3):69-72．

［11］ 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì)．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編(2003)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2005．

［12］ 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì)．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編(2005)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2007．

［13］ 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì)．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編(2007)［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2008．

［14］ 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會(huì)．第九屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2010．

［15］ 黃 磊．全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽對(duì)本科教學(xué)改革的啟發(fā)［J］．中國電力教育，2011(8):74-75．