電子設計競賽與實踐教學改革

楊 奕，徐 鵬，彭小峰

(重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶400054)

0 引 言

電子設計競賽是面向高校大學生的群眾性科技活動，是教育部、信息產業部組織的學科競賽，目的在于推動高等學校信息與電子類學科面向21 世紀課程體系和課程內容的改革，推動高等學校實施素質教育，培養學生工程實踐能力、提高學生解決實際問題進行電子設計制作的能力，吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動，特別是在高校大學生創新能力、協作精神培養方面，起到了積極引導和推進作用。

1 全國大學生電子設計競賽的特點

全國大學生電子設計競賽起源于1994 年，每2 年舉辦1 屆，競賽中規定了3 人組隊，競賽時間(4 天3夜)，競賽規則及評審要求等［1］。電子設計競賽的特點:①“政府主辦、專家主導、學生主體、社會參與”的組織運行模式;②競賽規模大，參賽人數多，具有權威性和影響力;③涉及到的專業知識面廣，其中包括模擬電路、數字電路、高頻電路、傳感器技術及應用、微機原理、單片機接口技術、CPLD 可編程技術、DSP 技術、自動控制原理等多門課程;④綜合性、應用性強。競賽題目中大多都是工業、科研、實驗等方面經常用到的電子技術知識，必須依靠多學科知識才能完成［2］。同時，選手們還應具有較強的電路設計能力、實驗操作能力、計算機應用能力以及隊員之間的團隊協作能力等［3］。

2 “大基礎、大工程”人才培養模式

我院于1995 年就組織學生參加電子設計大賽，通過近幾屆的賽前培訓和正式比賽發現學生的理論基礎不夠扎實，動手能力較弱，工程素養較差，設計方案生搬硬套，創新意識較弱等方面的問題。說明現有人才培養模式和課程體系急需改革。

我院在2005 年對自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程、電子信息科學與技術等專業按電氣信息大類制定人才培養方案，將各專業的公共基礎、專業基礎模塊進行整合，建立了統一的公共基礎平臺和學科基礎平臺，并率先在我市高校實行按大類招生的培養模式。同時在“大基礎、大工程”的教育理念指導下，加強了工程實踐能力培養環節，開始“2 +1 +1”人才培養模式改革實踐。“2 +1 +1”模式即:前兩年按電氣信息學科大類進行“大基礎”的基礎理論教學，面向電氣信息類所有專業設置;第三年根據學生志愿按專業方向進行分流培養;第四年根據市場需求和學生的就業情況進行工程能力的培養。“2 +1 +1”分段培養充分貫徹了“大基礎、大工程”的教育理念，體現了我院“通才與專才相結合、共性和個性相結合、個人發展與行業需求相結合”的人才培養特色。參與電子設計大賽的學生主要是三年級的學生，通過兩年電類基礎課程的學習有了一定的理論基礎，在第三年的專業分流培養過程中，主要是開設專業基礎課程，并配以相應的實踐教學環節，而針對電子設計大賽的綜合性、個性化實踐教學環節較少，目前我院主要通過電子設計競賽教練組組織學生進行課外培訓解決。因此，對于進入專業階段學習的基礎素質較好的學生有必要提前開設類似于專業綜合設計的創新性和個性化的實踐環節，為電子設計大賽鍛煉隊伍，提高學生的綜合設計能力。

3 電子設計競賽與實踐教學改革

我院經過幾年的教學實踐，在“大基礎、大工程”背景下構建了4 層次(實踐技能層、學科基礎層、綜合應用層、創新實踐層)和12 類(計算機基礎、物理實驗、專業實驗、生產實習、創業實踐……等)實踐活動融合貫通的“4·12”實踐教學體系(見圖1)。實踐教學按“分層培養，階梯遞進，逐步提高”的方式進行，通過開設階梯式工程實訓系列課程，每一個階段完成對一種能力的訓練，循序漸進地提升學生工程認知、實驗、設計和實施能力，體現了能力訓練的漸進性。

在原有的人才培養方案中，專業綜合設計和創新性實驗主要集中在四年級開設，相對于電子設計競賽有一定的滯后性，因此，可以考慮將一部分的四年級階段的實踐環節提前到三年級下學期進行，但同時這樣的調整必然會影響到常規教學計劃。下面就我院多年競賽培訓和實踐教學的情況提出相應的改革措施。

圖1 “4·12”實驗與實踐教學體系

3.1 建設柔性綜合實踐教學體制［4-7］

專業綜合實踐環節可以考慮在三年級下學期和四年級上學期分別開設，學生可以選擇在任意階段完成該環節，采用分散和集中相結合的管理方式，為了不過多影響原有的教學進程，在三年級下采用分散方式進行綜合實踐環節，針對參加電子設計大賽和一些學有余力的學生，主要為三年級的學生，也可以吸收大二的學生參與實踐過程，輔助三年級同學完成電路板的繪制以及元器件的焊接等工作。在學生選課前，每位電子設計大賽指導老師擬定1 或2 個綜合實踐題目，每個題目限定一組學生(3 人)完成，指導教師定期對課題進展情況進行監控，學期結束前，指導教師組根據課題完成質量以及答辯情況進行綜合評價，考核通過的學生提前獲得相應專業綜合實踐環節學分。建立柔性的綜合實踐教學體制，將電子設計培訓工作轉換為實踐教學環節，能有效的調動師生雙方的積極性，使參賽學生提前完成綜合性設計能力方面的訓練，為后期的集中培訓環節奠定了基礎。

3.2 完善導師責任制

通常集中綜合實踐教學環節是一位老師面對多組同學，整個環節集中在2 到3 周的時間，而很多老師在此階段還有其他的授課教學任務，指導的時間和效果都無法保證。通過柔性的實踐教學方式，并將整個2到3 周的集中實踐環節分散到整個學期進行，老師可以在整個學期中彈性安排指導工作，并對實踐過程有效的監控，實踐過程的控制可以參照畢業設計的管理模式。指導教師主要為參與電子設計競賽的教練組成員，同時具有科研項目的其他教師也可以提出相應的題目供學生選擇［8］。教練組人員配備采取“以老帶新”方式，老教師在實踐教學過程中充當組織者和技術帶頭人，青年教師主要承擔具體指導工作，每個青年教師都有相應的老教師作為直接責任人，形成“指導梯隊”，即有利于發揮青年教師的主觀能動性，也能有效利用老教師的豐富設計經驗［9］。同時我院在指導教師工作開展方面也提供許多便利條件，如設立電子設計大賽專用實驗室，并提供相應的硬件設備和元器件支持，同時面向全院老師開放專業實驗室，專任教師可以參與指導學生實驗工作并從事相應的科研工作。

3.3 建立開放性綜合實驗室

從我校參加電子設計大賽以來，培訓和指導工作一直由我院相關老師組織負責，培訓基地以前只能依托于基礎實驗中心或專業實驗中心，主要的儀器設備都必須從實驗中心借用，培訓時間也集中安排在暑假期間，給實驗室的管理工作帶來了極大不便，尤其是近幾年學生參賽人數的增多，各方面資源矛盾顯得尤為突出。建立開放性的綜合實驗室能有效解決資源分配的矛盾，開放性綜合實驗室作為專業實驗中心的一個下設實驗室，服從實驗中心的統一管理，其核心作用是承擔學生課外電子制作輔導和各類電子設計競賽的培訓任務，從而激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，為學生創新精神和實踐能力的培養提供寬廣的平臺，同時實驗室也針對大四學生開設專業綜合設計等實踐環節。儀器設備實行“專用專管”制度，實驗室單獨配套各類專用儀器設備，不占用其他實驗室的儀器設備，實驗室可以安排電子設計大賽指導老師作為管理人員，各專用設備落實相應的責任人［10-12］。開放性綜合實驗室是針對全校參加電子設計大賽的學生和老師開放，學生須經過校級電子設計競賽的選拔測試，合格者方能進入實驗室參加各項培訓活動。

在“大基礎，大工程”原有實踐教學模式下，通過設立柔性實踐環節、完善導師負責制以及設計開放性綜合實驗室等措施，才能使我們的參賽學生在正式比賽之前得到一定綜合設計能力，并通過課程學分及答辯環節保證實踐過程的質量。

3.4 建立虛擬實驗檢測平臺［13］

在有限的空間和資源條件下，充分利用和結合校園網絡的優勢，建立虛擬實驗平臺，幫助學生在電腦上結合仿真軟件自己設計檢測電路，利用網絡實現學生和老師及時交流指導。指導學生自主學習網絡教學數字資源的建設為電子設計培訓提供了有利的學習資源保障。有效鍛煉學生電子設計能力的培養和學習。

網絡虛擬實驗就是在Web 中創建出一個可視化的環境，其中每一個可視化的物體代表一種實驗對象。通過鼠標的點擊以及拖曳操作，用戶可以進行虛擬的實驗。整個平臺的設計采用ASP.NET+SQL Server 架構，再利用客戶端Javascript 腳本控制實驗過程。通過有效地運用服務器安全策略，并配合客戶端Javascript驗證技術，可以盡最大可能地保證實驗過程及實驗數據的真實有效性，同時也能減輕老師在檢查實驗時的工作負擔。

(1) 網絡化的自主學習( 強化學生理論基礎知識) 。建立一種新型的“學生中心論”的學習模式，給學生提供自由發揮想象力和進行創新實驗的軟件平臺。利用網絡平臺，學習不再是一個被動地接受知識的過程，而是主動發現知識的過程;學習者可以自主監控自己的學習過程，根據實際需求，自主選擇最適合自己的學習內容和學習策略，見圖2。

圖2 自主學習演示實驗版塊

(2) 網絡化的自主實驗( 提高學生工程應用能力) 。構建網絡虛擬實驗平臺，建立一個超越真實環境約束的虛擬實驗環境。通過網絡進行自主學習、自由討論、創新設計，實現資源上的共享、內容上的開放、實驗上的交互，見圖3。

圖3 自主實驗虛擬實驗版塊

(4) 有的放矢，強化自主學習檢測。常規實物實驗絕大多數學生不預習，盲目實踐(盲人摸象)，通過這個環節的監控，使學生在實做測試過程中有的放矢，帶著問題來，提高了分析問題和解決問題的能力，有效地提高學生工程實踐能力，在電子設計培訓中起到了很好的指引檢測學習作用，見圖4。

(4) 普及性教育為主，精英為輔助，精英帶動普及。在電子設計培訓過程中，“全面撒網，發掘精英，并重點培養;精英向同級或低年級學生進行‘傳幫帶’，加快學生群體自我能力的提高，營造良好學習氛圍”，這充分體現了老師的指引作用和學生的互助學習、以老帶新作用，以及團隊合作精神。

圖4 自主實驗自動檢測版塊

虛擬實驗平臺是對教學模式、管理模式、交互方式等進行全新建構后形成的數字化自主、互動的實驗教學和實驗室管理工作環境，較好地解決了困擾目前實驗教學改革進一步深化過程中的3 個難點:學生自主選擇實驗項目的信息披露和記錄適時性、學生自主學習的網絡教學數字資源的建設、突破傳統物資管理軟件重管理實物而輕服務教學的局限，形成了實現實驗時間和項目的自主選擇、背景知識和信息的適時支撐，符合進一步提高本科實驗教學質量要求的實驗教學運行管理整體解決方案。

4 多方位教學培養鍛煉

電子設計競賽是對學生全方位能力的一次綜合測試與檢驗，根據歷年競賽經驗，在自主學習的網絡虛擬實驗平臺中，不僅提供多個課程的自學模塊(含教學視頻與強化聯系)，還對提供了電子設計競賽所需各類模塊。提高學生電子設計和實踐動手能力［14-16］，并在電子設計競賽中獲得顯著效果:

(1) 基本技能訓練與單元電路設計。內容多樣化，包括運算放大器、信號發生器、常用傳感元器件等各種電路;并通過完成網絡實作，在線檢測調試和總結報告，學生均能掌握常用電子電路的設計與制作的能力。

(2) EDA 軟件( 單片機) 系統的訓練。學生初期可選擇Multisim、Protus 等仿真軟件，以掌握電路仿真能力;同時開設單片機編程的系統訓練，學生根據自己能力，選擇了AT89S52、AVR、STM32 等不同的MCU 電路學習和掌握。

(3) 綜合系統訓練與檢驗。經過前面網絡單元模塊學習與實做，根據學生軟硬件設計能力的偏向性劃分隊伍，能促成競賽隊伍磨合成型;競賽隊伍不斷參加校級省級比賽(如盛群杯，飛思卡爾等比賽)，以賽代練，能更好的了解比賽過程，積累競賽經驗，為參加全國電子設計大賽做好充分準備。

5 結 語

大學生電子設計競賽為學生施展才能提供了舞臺，同時也推動了“大基礎，大工程”人才培養模式下實踐課程教學改革。通過近幾年對實踐環節的改革，教學效果有了一定的提高，學生在實驗課程中形成的綜合創新實驗能力在全國學生競賽活動(例如全國大學生電子設計競賽和挑戰杯大賽)中得到了印證，成績逐年提高。但改革創新是永無止境，隨著新技術、新知識的不斷涌現，如何將其融入教學中，如何提高學生自主學習、自主創新、自主設計的能力，提高學生的工程素養，培養創新人才是高等學校的長期任務。為此，我們將不斷地探索、努力提高教學水平和教學質量。

［1］ 王 越，韓 力.大學生電子設計競賽的開展與學生創新能力的培養［J］.中國大學教學，2005(10):4-6.

［2］ 姚有峰，張 斌，聶 麗.從電子設計競賽談實踐教學改革與創新能力培養［J］.實驗室研究與探索，2009，28(9):140-142.

［3］ 韋文祥，李勇成，吳新開，等.由大學生電子設計競賽引發對就業能力培養的思考［J］.實驗室研究與探索，2009，28(10):11-13.

［4］ 姚福安，周常森，萬 鵬，等.建設電子設計立體化教學平臺［J］.實驗室研究與探索，2006，25(6):688-691.

［5］ 趙云娣，肖 看.大學生課外科技創新活動培訓系統的研究與實踐［J］.實驗室研究與探索，2006，25(4):415-417.

［6］ 張治輝，樊之青，秦 苗，等.結合電子設計競賽建設電子系統創新基地［J］. 實驗技術與管理，2002，19(3):76-78.

［7］ 陳 東，謝發勤，皇甫宜芳.電子設計競賽與深化實踐教學改革［J］. 實驗技術與管理，2005，22(3):86-88.

［8］ 吳 蔚.全國大學生電子設計競賽對實驗教學改革的啟示［J］.實驗室研究與探索，2007，26(11):160-162.

［9］ 王新輝，張躍勤，劉 輝，等.電子信息工程類大學生就業素質培養實踐探索［J］.實驗技術與管理，2010，27 (12):20-23.

［10］ 劉 韻，余 魅. 開展電子設計競賽培養學生的創新能力［J］.實驗科學與技術. 2007，5(4):121-122.

［11］ 凌振寶，王 君，王應吉.提高教學質量培養創新人才［J］. 實驗室研究與探索，2007，26(11):106-107.

［12］ 李金平，常敏慧.由全國大學生電子設計競賽引發的人才培養思考［J］. 電氣電子教學學報，2007，29(2):74-78.

［13］ 楊 奕，施 海，施幫利.電工電子實驗教學改革思路探索［J］.實驗科學與技術，2008，6(4):332-334.

［14］ 王亞飛，楊曙輝，李學華. 以電子設計競賽為契機培養應用型人才［J］.實驗科學與技術，2009，7(1):128-130.

［15］ 張恒慶，劉長宏，王 剛，等. 積極組織電子設計競賽培養學生創新能力［J］.實驗室科學，2007(1):34-36.

［16］ 宗靜靜，車仁信.電子設計競賽與創新型人才的培養［J］. 實驗室科學，2009(1):18-20.