劉 濤，楊藝敏

1.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林，541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 電子信息與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

2017年2月教育部發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》，以提升新時期工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。為此，培養(yǎng)造就多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才作為全國高校的重點工作而被更多關(guān)注，相關(guān)領(lǐng)域也成為研究熱點[1]。本研究從發(fā)明問題解決理論(TRIZ理論)出發(fā)，以電子電路類課程群為對象，對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與電子電路類課程群教學(xué)案例建設(shè)中的融合問題進(jìn)行研究，旨在構(gòu)建“電子信息大類”第二課堂實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，從而提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 TRIZ理論與電子電路類課程融合的必要性

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文簡稱[3]?！半娮有畔⒋箢悺钡膶I(yè)基礎(chǔ)課可以分為電子電路類課程、信號處理類課程、計算機控制類課程等，其中電子電路類課程具有理論高深和實踐性強的特點，并且課程的實踐環(huán)節(jié)占的學(xué)時較多，學(xué)習(xí)起來有一定的難度[4]。TRIZ理論總結(jié)了創(chuàng)新的規(guī)律和方法，能將創(chuàng)新教育理論與具體的課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相結(jié)合，因此，應(yīng)用TRIZ理論對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)進(jìn)行研究，這是探索開展創(chuàng)新教育的新途徑，將極大地調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。

1.2 電子電路類課程教學(xué)模式陳舊

電子電路類專業(yè)的基礎(chǔ)課有模電、數(shù)電、高頻電子技術(shù)等，這幾門課程都是包含理論學(xué)時和實驗學(xué)時。目前，傳統(tǒng)的教學(xué)模式，都是注重理論教學(xué)，實驗課時較少，并且很多開設(shè)的實驗基本上是以驗證內(nèi)容為主，綜合設(shè)計的實驗內(nèi)容相對較少。雖然現(xiàn)在很多理論課的授課方式也進(jìn)行改進(jìn)，采用線上線下相結(jié)合的方式，但仍然存在理論與實際脫節(jié)問題，因為電子電路類專業(yè)基礎(chǔ)課具有很強的理論性和實踐性。為深化教學(xué)改革和適應(yīng)創(chuàng)新型應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，將電子設(shè)計競賽和電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)課融合，創(chuàng)新課程的教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)和綜合能力，還需進(jìn)行不懈的改革與探索實踐。

1.3 電子設(shè)計競賽現(xiàn)狀分析

以2020年廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計競賽為例，競賽共分3個階段：第1階段為校內(nèi)選拔賽，含10套賽題；第2階段為16省賽區(qū)聯(lián)賽，共包含7套本科組賽題；第3階段包含一個題目，為封閉式綜合測評，使用組委會提供的器件，設(shè)計并制作一個多波形發(fā)生器裝置。這些題目主要涉及的方向有通信類、信號類、控制類和電源類。通過參加比賽很多學(xué)生體會到?jīng)]有系統(tǒng)地掌握課程基本內(nèi)容，當(dāng)應(yīng)用到設(shè)計項目時，才發(fā)現(xiàn)理論概念模糊不能將其轉(zhuǎn)化為實踐，使得設(shè)計缺乏系統(tǒng)性。

針對以上問題，以TRIZ理論為依據(jù)、以問題導(dǎo)向為出發(fā)點，結(jié)合專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育和電子信息類課程群改革來推動第二課堂的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系建設(shè)。針對不同體系(TRIZ理論體系、電子電路類課程群體系、學(xué)科競賽體系、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體系)，充分融合電子競賽和TRIZ理論與電子電路類課程群的關(guān)系，達(dá)到優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，改革教學(xué)方法，完善考核機制的目的，培養(yǎng)學(xué)生靈活運用電子電路知識去分析和解決新興產(chǎn)業(yè)問題的能力。

2 第二課堂實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的實施流程

本研究以TRIZ理論為基礎(chǔ)，以電子電路類課程群為支撐，構(gòu)建第二課堂實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，實施流程見圖1。針對現(xiàn)有“電子信息大類”培養(yǎng)體系中存在重現(xiàn)場輕共享、重理論輕實踐、重基礎(chǔ)輕創(chuàng)新、重知識輕應(yīng)用等問題，在電子電路類教學(xué)課程中依托現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源開放共享，創(chuàng)新課程內(nèi)容，強化實踐教學(xué)，將電子設(shè)計競賽案例融入教學(xué)內(nèi)容，提升創(chuàng)新能力，結(jié)合企業(yè)工程問題案例，提升學(xué)生的應(yīng)用能力，打造電子電路類課程的共享平臺。

圖1 第二課堂實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系的構(gòu)建

構(gòu)建第二課堂實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，要注重將競賽中實際科學(xué)技術(shù)問題融入教學(xué)中，以保持教學(xué)中學(xué)科的前沿性、教學(xué)內(nèi)容的前瞻性，以便學(xué)生能夠更適應(yīng)未來專業(yè)發(fā)展的需要，注重學(xué)生的實際動手能力指導(dǎo)，用實際工程問題的解決來增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 建設(shè)學(xué)科競賽線上線下混合式微課堂

桂林電子科技大學(xué)作為廣西賽區(qū)承辦院校已有20余年，為了更好地推動競賽長期有效進(jìn)行，將TRIZ理論融入競賽，推動廣西電子競賽線上線下混合式培訓(xùn)平臺建設(shè)。

將TRIZ理論與競賽融合對指導(dǎo)教師提出更高的要求：不僅要有過硬的專業(yè)能力、更廣的知識面，還要對TRIZ理論有深入的研究和探索。因此，加強師資培訓(xùn)，成立以TRIZ創(chuàng)新方法為內(nèi)核的競賽指導(dǎo)團隊，結(jié)合企業(yè)需求，完成競賽賽題及企業(yè)真實項目案例難點問題的解決。

建立面向廣西全區(qū)的TRIZ理論基礎(chǔ)的公選課。授課內(nèi)容以TRIZ解題流程為主線，采用自帶課題的方式將TRIZ理論體系中算法、工具、發(fā)明原理等知識點融入因果分析、功能分析等求解過程中，以增強解決實際問題的能力。

漓江學(xué)堂SPOC共享平臺將建立以競賽方向“通信類”“信號類”“電源類”“控制類”為導(dǎo)向的自主學(xué)習(xí)平臺及微課堂。課程采用的教學(xué)形式為課前慕課自主學(xué)習(xí)+漓江學(xué)堂平臺提供的理論結(jié)合實踐的課堂教學(xué)；學(xué)校為學(xué)生提供教師團隊自主研發(fā)的口袋實驗板，方便課后自主學(xué)習(xí)；教師團隊通過線上平臺對學(xué)生進(jìn)行答疑，并定期進(jìn)行集中性課程研討課堂，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。面向擬參加本年度學(xué)科競賽學(xué)生開放在線學(xué)習(xí)課程，進(jìn)行模塊化培訓(xùn)，指導(dǎo)教師團隊根據(jù)學(xué)生的競賽方向進(jìn)行強化培訓(xùn)，要求參賽學(xué)生每學(xué)期能實現(xiàn)指定功能的硬件模塊，并對其進(jìn)行考核，從而選撥出優(yōu)秀的種子選手。從提出問題到尋求解決方案，再結(jié)合電子設(shè)計競賽平臺和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育對電子電路類課程群進(jìn)行課程整合重組，并以電子電路類課程群為支撐，構(gòu)建并完善第二課堂實踐教學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系，面向整個廣西高校開放，對構(gòu)筑“實踐創(chuàng)新基礎(chǔ)大平臺”做出貢獻(xiàn)。

4 以問題為導(dǎo)向的學(xué)科競賽推動電子電路類課程群建設(shè)

4.1 “模擬電子技術(shù)”+“數(shù)字電子技術(shù)”+“高頻電子技術(shù)”課程建設(shè)

在教學(xué)的全過程中引入TRIZ創(chuàng)新方法，采用FAST圖解法繪制功能模型圖進(jìn)行授課，使創(chuàng)新方法得以實現(xiàn)，學(xué)生通過該方法的學(xué)習(xí)能與實際專業(yè)相對接，從而提升在專業(yè)課程學(xué)習(xí)過程中的創(chuàng)新能力。FAST 圖解法的流程見圖2。

圖2 FAST圖解法

將TRIZ理論引入現(xiàn)有的電子電路類課程中，都是為了提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，這是一種有效的手段。高頻電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的課程結(jié)合電子設(shè)計競賽，將TRIZ理論融合在一起進(jìn)行課程建設(shè)。課程結(jié)合全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的無線通信題目，對信號源類、控制類等內(nèi)容進(jìn)行課程建設(shè)。在授課過程中，將競賽題目的設(shè)計指標(biāo)和授課內(nèi)容結(jié)合在一起進(jìn)行講解分析，并結(jié)合實際電路圖進(jìn)行設(shè)計。課后對學(xué)生進(jìn)行分組，5人一組，自由組隊，共同完成任課教師布置的相關(guān)學(xué)科競賽題，并讓學(xué)生進(jìn)行硬件制作和課題答辯，由其他學(xué)生和教師共同考核，然后將這部分成績作為平時成績的一部分。

以數(shù)字電子電路為例詳細(xì)講解TRIZ理論的應(yīng)用。2020年廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計競賽第3階段綜合測評試題，使用提供的NE555(1片)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123(1片)、四運放芯片LM324(1片)，以及電阻、電容、電位器、IN4148等進(jìn)行設(shè)計。

學(xué)生領(lǐng)到任務(wù)后，按照任務(wù)單開始實施，任務(wù)實施清單見圖3。學(xué)生首先分析賽題原理，需要先產(chǎn)生5 kHz方波，然后通過倍頻器設(shè)計出10 kHz方波，對10 kHz方波經(jīng)過濾波處理可以得到10 kHz正弦波，最后對正弦波經(jīng)過波形變換可以得到余弦波。

其中基本實現(xiàn)步驟是“5 kHz方波”信號的產(chǎn)生。進(jìn)一步，學(xué)生通過不斷分析如何實現(xiàn)這個功能，不斷問“為什么”“怎么實現(xiàn)”，最終確定5 kHz方波信號產(chǎn)生可以通過NE555電路構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)。2倍頻器可以通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123來實現(xiàn)，濾波電路通過選擇合適的電阻和電容來實現(xiàn)，波形變換通過LM324來實現(xiàn)。

圖3 波形發(fā)生器設(shè)計實施流程

形成初步的設(shè)計方案后，指導(dǎo)教師對學(xué)生的方案進(jìn)行評價修正，并讓學(xué)生通過Multisum仿真軟件進(jìn)行仿真，調(diào)試正確后則可以進(jìn)入最終的設(shè)計方案，并進(jìn)行硬件設(shè)計。如果仿真指標(biāo)不能滿足條件，則對其進(jìn)一步分析改進(jìn)。

選擇合適的TRIZ創(chuàng)新方法對存在的問題進(jìn)行分析改進(jìn)，例如學(xué)生在設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題為NE555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生5 kHz方波的電阻R1、R2的阻值如何選取。硬件設(shè)計完成后，撰寫報告和總結(jié)。

采用TRIZ創(chuàng)新方法對存在的問題進(jìn)行分析，學(xué)生在設(shè)計波形變換電路過程中的難點為正弦波如何變換成余弦波，改變電阻及電容構(gòu)成的移相網(wǎng)絡(luò)即可實現(xiàn)波形的變換，但是要精確控制電阻電容的值將會帶來困難，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所描述的技術(shù)沖突，提煉出工程參數(shù)，通過查沖突矩陣表得到解決該問題的方法。通過學(xué)生分析、教師引導(dǎo)得到可行性解決方案：采用運放積分電路生成正交信號，并解決題目中余弦信號的問題，通過工程實踐設(shè)計幫助學(xué)生逐步了解自己的思維，克服思維慣性缺點，培養(yǎng)科學(xué)的應(yīng)用能力。

5 具體實施方案

根據(jù)總體目標(biāo)，依托廣西漓江學(xué)堂及中國大學(xué)MOOC建立網(wǎng)上競賽學(xué)習(xí)平臺，并將實驗教學(xué)案例引入教學(xué)中。組建以競賽為驅(qū)動的指導(dǎo)教師隊伍，劃分成“通信類”“信號類”“電源類”“控制類”4個方向，開展在線課程并建設(shè)線上競賽培訓(xùn)平臺。課題類型見表1。

表1 線上課程開展課題類型

從競賽實施中提煉新的實驗教學(xué)案例，再將教學(xué)案例融入實驗教學(xué)中，強調(diào)從基礎(chǔ)到提升再到實驗案例改革。

以高頻電子電路為例，2019年國賽賽題“雙路語音同傳的無線收發(fā)系統(tǒng)”，題目要求設(shè)計制作一個雙路語音同傳的無線收發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)在一個信道上同時傳輸兩路話音信號，載波頻率為48.5 MHz。分析其賽題難點在于能夠保證雙路語音無線傳輸?shù)那疤嵯?，?dāng)載波頻率發(fā)生飄移后，能夠正確解調(diào)出信號，結(jié)合課程進(jìn)行分解，詳見表2。

表2 競賽驅(qū)動下的高頻電子電路新型教學(xué)共享案例

以模擬電子電路為例，2019年國賽賽題“簡易電路特性測試儀”，設(shè)計并制作一個簡易電路特性測試儀。用來測量特定放大器電路的特性，進(jìn)而判斷該放大器由于元器件變化而引起故障或變化的原因。該測試儀僅有一個輸入端口和一個輸出端口與特定放大器電路連接如圖4所示。分析其工作原理，該電路為模擬電子電路中經(jīng)典的晶體三極管共射極基本放大電路，該課題硬件核心思路為利用外部其他電路。

圖4 特定放大器電路與電路特性測試儀連接圖

測量被測電路輸入輸出電阻、增益、幅頻特性，程序核心為采用快速傅里葉變換(FFT)，獲取正弦信號的幅值和相位。分析其賽題并結(jié)合課程進(jìn)行分解，見表3。

表3 競賽驅(qū)動下的模擬電子電路新型實驗教學(xué)案例改革

以數(shù)字電子電路為例，2020年廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計競賽第3階段綜合測評試題，已提供的NE555(1片)、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123(1片)、四運放芯片LM324(1片)，以及電阻、電容、電位器、IN4148等，制作完成如圖5所示的波形功能。圖5中各輸出端負(fù)載電阻為20 KΩ，電源只能采用5 V單電源供電。

圖5 波形發(fā)生器功能

分析賽題原理，需要產(chǎn)生5 kHz方波、10 kHz方波、10 kHz正弦波和10 kHz余弦波。結(jié)合數(shù)字邏輯電路中課程與實驗教學(xué)進(jìn)行分解，具體見表4。

表4 競賽驅(qū)動下的數(shù)字邏輯電路新型教學(xué)案例改革

6 結(jié)語

課題實施以后，以競賽題目為方向，建立以電子競賽為基礎(chǔ)的模塊化賽前訓(xùn)練視頻庫，特點是視頻輕量級、易檢索、組合自由。極大地方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，也為教師后續(xù)眾多答疑減輕負(fù)擔(dān)，同時也可有效補充目前這類較稀缺的大學(xué)資源。本研究使桂林電子科技大學(xué)“電子信息大類”每年約有1 000余人受益，為持續(xù)推進(jìn)廣西區(qū)大學(xué)生電子設(shè)計競賽做出了貢獻(xiàn)。此外，項目探索的共享資源特色建設(shè)和教學(xué)決策方式對于所有電類相關(guān)的基礎(chǔ)課，如模電、數(shù)電、信號、高電等實驗課程或其他線上線下混合課程都有很大的借鑒意義。