電子信息類開放實驗教學模式

劉喬壽， 黃沛昱

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

0 引言

近半個世紀以來，電子信息技術迅猛發展，社會對電子信息類專業人才從數量到質量都有巨大的需求，高等學校所承擔的培養電子信息類技術人才的使命就特別重要。由于教學規模的增加，使得電子類專業的教育資源嚴重匱乏，特別是投入相對較大的實驗室教學條件的匱乏更為突出。開放實驗教學模式是目前高校實驗改革的重要內容，它在培養學生實踐能力和創新能力方面有著舉足輕重的作用;但由于覆蓋學生面廣、課時多、設備投入匱乏，在很多高校中難以實現真正的開放［1］。如何合理、最大化而又有效地提高開放實驗教學的利用率和效果是目前需要解決的一個重要問題。另一方面，以全國大學生電子設計大賽、“挑戰杯”等為代表的各類電子科技競賽，吸引了大量大學生的積極參與，是培養學生科技能力、協作精神，提高綜合素質的有力措施［2］。如何將各類科技活動與開放實驗教學有機結合，在大規模面上培養的同時，又對部分有興趣、有能力的學生進行高層次的培養，也是需要解決的重要問題。

依托多項教改項目和中央與地方共建實驗室項目，我們提出了“以精英化教育推動大眾化教育，兩者并重”的電子信息類開放實驗教學模式。根據學生的專業特點和不同的人才培養目標，建立靈活的電子信息類開放教學平臺，適應不同的教學需求。

1 以精英化教育推動大眾化教育的實驗教學模式

經過多年參與各項科技活動，我們發現參加競賽培訓學生的基本能力還有待提升;限于基礎的不扎實，短期培訓并不能大幅度、有效地提高學生的創新能力、綜合應用能力;且競賽培訓是針對少數學生的強化訓練，對大多數學生的能力訓練并沒起到積極的作用，基本沒有太大的意義。學生基礎能力的欠缺暴露了目前大眾化教育中存在幾個重要的問題:①課程體系缺乏系統性，特別是長期以來重視理論教學，忽視實驗教學的重要性，培養出來的學生也許具有單一技術設計能力，但往往缺乏綜合運用所學知識解決工程實際問題的能力;②教學內容過于陳舊，多數還停留在基礎知識的講解上，不能體現現代電子設計思想［3-4］;③ 科技進步對教育提出越來越高的要求，對人才的創新思維和實踐能力的培養是一種趨向個性化的教學，傳統的大眾化教育仍然是一種共性教育;④教學條件匱乏，特別是傳統的電子信息類專業實驗模式對場地和設備等資源要求高，各高校的投入很難跟上專業的發展速度。

針對以上問題，我們對電子信息類相關實驗課程進行了一系列的改革，包括教學體系層次、教學內容、教學方式、考核方式以及實驗設備等各個方面。

1．1 建立現代電子技術課程體系，構建開放實驗教學

通過把從競賽中獲得的體會與國家高校電工課程委員會的有關改革建議結合起來，對原有電子技術系列課程進行整合優化，既考慮課程間前后的銜接，又考慮電子信息技術飛速發展的大環境，我們提出開放實驗教學流程見圖1。整個流程按層次結構安排，分為基礎訓練、模塊訓練和工程實踐訓練。

(1)基礎訓練層次。該層次分為3個階段，從基本儀器儀表操作技能入手、進行焊接訓練、掌握PCB制版流程，考核通過后才能進入下一階段的學習，確保實驗操作基本功的扎實。第2、3階段與基礎課程相結合，涉及課程包括:“信號與系統”、“電路分析”、“電子線路”、“數字電路與邏輯設計”，提供全校性的基礎開放實驗教學平臺。

(2)模塊訓練層次。包括單片機、EDA、嵌入式、信號處理、通信電子電路等幾個模塊，要求學生掌握軟硬件相結合的實用系統的設計，軟件包括:QuartusⅡ、Modelsim、Proteus、KeilC、Matlab、LabVIEW 等;涵蓋課程包括:“單片機原理與應用”、“可編程邏輯器件原理與應用”、“DSP原理與應用”、“嵌入式系統開發與設計”等。該層次還有一個重要的培養目標，即學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站提供的芯片數據手冊和開發資料。該層次針對不同專業開放不同模塊。

圖1 開放實驗教學流程

(3)工程實踐訓練層次。開設“電子綜合設計與仿真”課程。該課程涵蓋知識面廣泛，強調系統綜合性設計。特別根據電子競賽相關內容模塊，添加了電源設計、信號源設計等內容，培養學生綜合運用所學知識進行實用電子系統設計的能力?！半娮泳C合設計與仿真”課程分為基礎和提高兩個階段，基礎階段面向全校有興趣學生開放，通過后可獲得B學分;提高階段課程設置入門門檻，主要針對有一定能力，并愿意在電子信息設計方面進一步專研的學生。通過該課程還可以幫助我們選拔優秀學生參加教師研究團隊和國家級電子設計競賽。

經過完整、系統的開放實驗教學，學生的動手能力、創新能力、綜合應用能力得到了大幅度地提高。

1．2 推進個性化實驗教學

改變過去專業人才培養千人一面，規格單一，模式單一的狀況，改變“統一計劃、統一大綱、統一教材、統一考核”的狀況，以保護和發展學生的差異和個性為主，推進個性化實驗教學。

(1)實驗教學“三開放”。開放實驗教學平臺采用學生刷卡形式進入，實現時間、內容、元器件“三開放”［5-7］。學生可以根據個人情況自己安排實驗時間，除必須完成的實驗項目外，可自由選擇實驗內容、自行設計實現方案、掌握實驗進度，教師在開放實驗過程中起到輔導作用，充分給予學生學習的自主權。部分元器件由學生根據設計需要親自前往市場購買，幫助學生自己了解元器件的差別和選用原則。讓學生在一個完全自主學習與思考的環境中進行專業技能的鍛煉，挖掘自身潛能，最大限度地發揮智慧和自身特長［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實驗課程不同實施不同的考核方式，如:“數字電路與邏輯設計”、“電子線路”等基礎訓練層次的實驗課程采用分組代表考核的形式，即學生以小組為單位，3人一組。實驗現場考試時，由學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生該門課程的成績。該考核形式增加了學生的學習壓力，有效提升了相互督促學習的作用。“單片機原理與應用”、“可編程邏輯器件與應用”等模塊訓練層次的實驗課程采用現場演示答辯的形式完成。學生可以在不超過規定人數的范圍內自由組隊，通過給教師演示作品和回答問題的形式來完成。學生可根據各自擅長來決定在項目中具體負責部分:如硬件電路的設計、軟件的完成或是焊接、報告等工作;并選出小組組長，負責設計意見等出現分歧時的決定性工作。該考核形式能夠顯著提升學生實際動手能力，激發對科技創新實踐的興趣，同時也能夠培養學生的組織能力、團隊精神和領導才能。多樣化考核的另一方面是指分層次進行考核。分層次考核有利于因材施教［10］。每個層次的題目有自身的難度和要求，學生可以根據自身學習情況和能力進行選擇;既能確?；緦嶒炓蟮耐瓿桑帜茏屇芰姷膶W生脫穎而出，拉開學生能力的檔次。

1．3 革新教學內容

通過對前幾屆全國大學生電子設計競賽的試題分析，可以歸納成7大類:即電源類、信號源類、通信類、儀器類、數據采集和控制類、信號處理類、測量與控制類［11-14］。試題的特點是:實用性強、綜合性強、技術水平發揮余地大，常用的器件有:晶體管、場效應管、運算放大器、AD/DA芯片、單片機、DSP、ARM、可編程邏輯器件等;設計手段可以采用傳統的，也可以采用現代電子設計工具，如QUARTUS和ISP在系統可編程等。不難看出，電子設計競賽的試題反映了電子技術的先進水平。

在訓練和競賽過程中，我們廣泛地了解、使用新技術、新器件，更清楚地認識到當前電子技術的飛速發展，對我們本科教學也提出了新的要求。要培養跨世紀的科技人才，必須不斷改進教學內容，舍棄過時陳舊的內容，如模擬電路中過多的分立元件電路實驗，數字電路中門電路的具體內部結構、過多的小規模集成電路實驗。另一方面，積極引入新的內容，如集成運放的各種應用，CPLD和FPGA的應用等;增加了電子線路軟件仿真的內容，使硬件軟件相結合，豐富了實驗手段。同時，我們還將歷屆競賽題目引入教學中，采用項目研究式教學方法，在教學過程中培養學生的綜合能力;或是開設專題講座，讓學生盡快接觸到前沿技術。

1．4 創新課程設計方式

隨著課程的層次進階，我們引入了不同類型課程設計。具體分為兩種類型:①具體課程服務的單一課程的課程設計，②貫穿大學四年的系統性綜合知識應用課程設計，如:51單片機系統開發板的應用，該開發板是由項目組成員研發的。對于大一的學生，主要是完成開發板的焊接，能夠使用老師提供的測試程序通過Keil C軟件對開發板進行測試。主要目的讓學生接觸電路板，接觸軟件調試系統，不需要進行電路板電路系統的了解和設計。大二期間，開發板將用于通信、電子信息等專業學生的單片機課程教學，再反過來了解該系統板的構成，并能運用系統板完成一些簡單設計，如:單片機常用外設模塊的設計。大三學生將基于該開發板完成綜合性課程設計，有多種題目供選擇。此外，學生的畢業設計題目也可以采用此系統板完成。

通過建立系統化的現代電子技術課程教學體系，完整地開放實驗教學流程，已經能夠大大提升多數學生的創新能力和綜合應用能力，我們認為在此基礎上培養出來的學生已經具備一定的電子設計和應用能力，具有了參加各類科技活動最基本的素質，極大地提升了大眾化教育的教學效果。在此基礎上，選拔有興趣的學生參加進一步的培訓，進一步推進精英化教育。

1．5 自制實驗設備，改良教學條件

根據教學需求，我們自行開發研制了多個實驗設備:EEPROM編程器、數字芯片功能測試儀、EDA綜合實驗箱、51單片機系統開發板、電子競賽應用板等(見圖2)。其中數字芯片功能測試儀用于檢測芯片的功能型號與好壞，極大的提升了數字電路實驗課程的效率;EDA綜合實驗箱采用動態可重組電路完成實驗箱電路配置，配置靈活、結果多元化，可通過軟件升級實驗箱功能;51單片機系統開發板采用學生自行焊接的形式，創新特點在于:全部IO口通過擴展接口引出，自帶USB接口的硬件仿真調試器，通過USB接口可以直接實現和Keil C軟件的聯機調試，不用專門配備昂貴的51仿真器;電子競賽應用板提供給參加各類科技活動的學生。

在設備的研制過程中，我們還選拔了部分優秀學生加入，負責程序和部分硬件模塊的調試。該舉措作為開放實驗教學的補充，有利于提高學生的動手能力和實際應用能力，極大地提升了開放實驗教學的效果。

圖2 自制實驗教學設備

2 進一步強化精英教育

我們深挖實驗室開放的內涵，把正常的實驗教學環節和學生科技活動有機融合，從實驗教學中選拔參加科技活動的愛好者，從科技活動中培養優秀學生帶動實驗教學的整體效果。

圖3 競賽選拔流程

一方面，通過全程指導學校電子協會和科協等在學生中影響力很大的學生社團，增加學生社團活動的“科技”含量，并以此為窗口宣傳我們的科技活動體系和進出機制，吸引更多優秀學生加入到培訓體系，提升科技氛圍，具體選拔培訓流程見圖3。另一方面，通過將學生優秀作品、優秀創意轉化到日常實驗教中，讓更多的學生看到他(她)們身邊的同學取得的成績。比如我們現在實驗教學中用到的“數字芯片功能測試儀”，就是由學生科技活動作品改版而來。開放實驗中部分應用類題目，也是由學生科技活動中的創意改版而來。

我們組建了全校性的教練團隊，會定期給參加各類科技活動的學生進行講座和培訓，指導進行一些綜合性項目的設計。此外，從2008年開始，開展電子工程師認證培訓，共培訓學生150余人以及來自全國60多所高校的教師200余人。

3 結語

近年來，各類大學生電子競賽活動如火如荼地開展，對傳統高校電子信息類專業的教學改革帶來巨大的沖擊［15］。

實踐證明，建立以精英化教育推動大眾化教育，兩者并重的開放實驗教學模式在提升學生創新能力、綜合能力等方面獲取了較好的效果，巨大地提升了學生的學習興趣，增強了其就業競爭力?？萍蓟顒右踩〉昧素S碩的成績，以全國大學生電子設計為例，2009年獲全國一等獎1隊、重慶市一等獎6隊、二等獎7隊;2011年獲全國一等獎2隊、全國二等獎2隊、重慶市一等獎2隊、重慶市二等獎1隊。2012年，全國大學生電子設計競賽模擬專題邀請賽獲得TI杯和一項全國二等獎。

在今后的工作中，我們還需要不斷總結積累經驗，進一步深化改革，徹底解決個性培養與共性培養的矛盾問題，提升教學質量和效果。

［1］ 張 宇，胡 忠，譚勇軍，等．電子通信類實驗室的開放管理［J］．實驗室研究與探索，2011，30(10):173-175．

［2］ 甕嘉民，周成虎．電子創新開放實驗室建設的探索研究［J］．實驗技術與管理，2012，29(2):33-35．

［3］ 蘇 珊．電子通信類實驗教學存在的問題與改革措施-以廣西工學院為例［J］．高教論壇，2012(2):92-94．

［4］ 王吉會，趙乃勤，李根寶，等．創建實驗教學新體系，培養學生創新能力［J］．實驗室研究與探索，2005，24(3):8-10．

［5］ 李 琰，吳建強，齊鳳艷．開放與自主學習模式下的實驗教學體制［J］．實驗室研究與探索，2012，31(1):134-137．

［6］ 陳 斌，張曉華．開放式實驗教學的實踐［J］．實驗室研究與探索，2005，24(11):110-113．

［7］ 王云平．國外大學實驗室管理及其對國內開放實驗室的啟示［J］．實驗技術與管理，2010，27(3):149-151．

［8］ 張 波，貫會明．開放性實驗在實驗教學體系構建中的作用［J］．實驗室研究與探索，2010，29(9):135-137．

［9］ 吳 健，徐 斌，劉建新．關于專業實驗室開放式實驗教學的探討［J］．中國現代教育裝備，2009(77):124-125．

［10］ 楊運鑫，唐良寶．全程性多樣化開放式實驗考核方式研究［J］．華南理工大學學報，2007，9(3):69-72．

［11］ 全國大學生電子設計競賽組委會．全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2003)［M］．北京:北京理工大學出版社，2005．

［12］ 全國大學生電子設計競賽組委會．全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2005)［M］．北京:北京理工大學出版社，2007．

［13］ 全國大學生電子設計競賽組委會．全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編(2007)［M］．北京:北京理工大學出版社，2008．

［14］ 全國大學生電子設計競賽組委會．第九屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編［M］．北京:北京理工大學出版社，2010．

［15］ 黃 磊．全國大學生電子設計競賽對本科教學改革的啟發［J］．中國電力教育，2011(8):74-75．