電子設(shè)計教學(xué)與課程體系研究

馬光喜, 李良榮, 李 震

(貴州大學(xué) 電子信息學(xué)院 電子科學(xué)系，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

貴州大學(xué)電子信息學(xué)科包括電子科學(xué)與技術(shù)、電子信息科學(xué)與技術(shù)、光信息科學(xué)與技術(shù)、通信工程、信息工程，是實踐性非常強的學(xué)科，實踐訓(xùn)練在本科生教學(xué)過程中占有非常重要的地位，是培養(yǎng)高素質(zhì)拔尖創(chuàng)新型人才過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為本科生培養(yǎng)體系中的重要部分，實踐能力培養(yǎng)體系建設(shè)一直以來都被高度重視。電子學(xué)科有電子技術(shù)實驗室、電子科學(xué)與技術(shù)實驗室、通信技術(shù)實驗室、信息技術(shù)實驗室、光信息科學(xué)與技術(shù)實驗室，除了這些實驗室組織和實施的基本課程教學(xué)外，實踐訓(xùn)練還包括科研實踐、學(xué)科競賽、生產(chǎn)實習(xí)和本科論文，它們共同構(gòu)成了實踐能力培養(yǎng)體系。“電子設(shè)計教學(xué)與課程體系研究”2011年被立項為貴州省教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)體系改革重點項目。

1 本科生培養(yǎng)體系

本科教育是貴州大學(xué)長遠發(fā)展中最基礎(chǔ)、最重要的工作之一。根據(jù)改革開放以后國內(nèi)高等教育形勢、規(guī)模和人才需求結(jié)構(gòu)的變化，借鑒國內(nèi)外先進的教學(xué)理念制定了“加強基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、因材施教、分流培養(yǎng)”的教學(xué)改革方針。遵循這一方針，學(xué)院確定了教學(xué)改革的總體思路，即:“在低年級實施通識教育，高年級進行寬口徑的專業(yè)教育，逐步實行在教學(xué)計劃和導(dǎo)師指導(dǎo)下的自由選課學(xué)分制，穩(wěn)步推進教學(xué)改革”。基本思路：①統(tǒng)一按學(xué)院大類招生；②一、二年級學(xué)生不分專業(yè)，實行通識教育，修讀學(xué)院電信大類平臺課；③三年級學(xué)生自愿選擇專業(yè)，開始專業(yè)分流，修讀專業(yè)基礎(chǔ)課程；④高年級學(xué)生自愿選擇與研究生或就業(yè)相關(guān)的專業(yè)方向，修讀專業(yè)課程。

2 實踐能力培養(yǎng)方案

實踐能力培養(yǎng)是教學(xué)體系的重要組成部分，是實現(xiàn)培養(yǎng)高水平、創(chuàng)新型人才的重要手段，同時也是新的形勢對高等教育教學(xué)的迫切要求，為此，要針對學(xué)生實踐能力培養(yǎng)進行改革和建設(shè)。實踐能力培養(yǎng)方案見圖1所示。方案分為基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)、科研實踐活動和畢業(yè)論文3個層面。

圖1 電子學(xué)科本科生實踐能力培養(yǎng)方案

3 實踐課程體系建設(shè)

貴州大學(xué)電子信息學(xué)科實驗教學(xué)，已經(jīng)建設(shè)成具有電路基礎(chǔ)類、電路系統(tǒng)類、電子設(shè)計自動化(EDA) 類、專業(yè)基礎(chǔ)類和創(chuàng)新類，共5大類、15個實驗室(含專業(yè)實驗室)，為電子信息實驗教學(xué)提供了優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

實踐教學(xué)定位:探索并實踐具有理工特色的電子信息科學(xué)基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系；建設(shè)一支素質(zhì)優(yōu)秀、技術(shù)過硬的實驗教學(xué)隊伍；建立全方位、開放式的實驗教學(xué)環(huán)境；建立科學(xué)高效的管理運行機制；為全校各個學(xué)科構(gòu)建電子信息技術(shù)實驗平臺，并在全國電子信息實踐教學(xué)中發(fā)揮示范作用。

實踐教學(xué)的指導(dǎo)原則是:“加強基礎(chǔ)、注重綜合、尊重選擇、體現(xiàn)先進、突出創(chuàng)新”。① 加強基礎(chǔ)。重點建設(shè)電路基礎(chǔ)必修實驗課程，實驗內(nèi)容有深度、有研究性；② 注重綜合。貫穿整個實驗課程體系的綜合設(shè)計、項目實驗，強調(diào)綜合能力培養(yǎng)；③ 尊重選擇。以學(xué)生為中心，可選課程模塊、可選實驗項目、自選課題、開放式教學(xué)；④ 體現(xiàn)先進。先進的理念、先進的教學(xué)模式、網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)管理、與國內(nèi)外著名公司共建先進實驗室、科研成果引入教學(xué)；⑤ 突出創(chuàng)新。以項目為導(dǎo)向的創(chuàng)新實驗、課外創(chuàng)新科研實踐活動。

3.1 電子信息學(xué)科實踐課程體系的4個層次

電子信息科學(xué)基礎(chǔ)實驗課程體系共分為4個層次: 電路基礎(chǔ)層、綜合設(shè)計層、研究創(chuàng)新層和專業(yè)基礎(chǔ)層，如表1所示。每個層次中都包含多個獨立開設(shè)的實驗課程(模塊)，每個實驗課程中又包含驗證性、設(shè)計性和綜合創(chuàng)新性實驗項目。整個實驗課程體系體現(xiàn)了系統(tǒng)性、層次性、綜合性以及模塊化的特點[1]。

表1 電子信息類實驗課程體系

3.1.1電路基礎(chǔ)層設(shè)計

教學(xué)目標(biāo):全面培養(yǎng)學(xué)生扎實的基本實踐技能、科學(xué)有序的實踐素質(zhì)和進行科學(xué)實踐研究的興趣，具有基本分析問題和解決問題的能力。

課程特色:精簡驗證性實驗，增加設(shè)計性、研究性實驗內(nèi)容。

該層包含3門必修課程:電路分析實驗(非獨立設(shè)課)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗。扎實的基礎(chǔ)實踐能力是創(chuàng)新的前提條件，這個階段應(yīng)該是對學(xué)生進行精雕細(xì)琢的階段。除了對學(xué)生基礎(chǔ)實踐能力的培養(yǎng)，基本實驗素質(zhì)和研究意識培養(yǎng)也是本層次的兩個重要方面。具體做法如下:

(1) 基礎(chǔ)實驗小班授課、精雕細(xì)琢。電路基礎(chǔ)層采用固定時間段教師現(xiàn)場授課與指導(dǎo)為主的教學(xué)方法。每次實驗課上，1位教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)不超過25名學(xué)生，強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生扎實的基本實踐技能和科學(xué)有序的實驗習(xí)慣。

(2) 實驗內(nèi)容設(shè)置有深度、有拓展。精心設(shè)計有深度、有研究性的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的研究意識，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究、科學(xué)探索的興趣。例如:在“單級晶體管放大器”實驗項目中，引導(dǎo)學(xué)生研究輸入信號的頻率、幅度對輸入阻抗的影響；在“邏輯門電路測試”實驗項目中，引導(dǎo)學(xué)生研究兩種門延遲的測量方法，比較其不同……等；在“晶體振蕩器”實驗項目中，引導(dǎo)學(xué)生觀察多模現(xiàn)象，并研究消除方法等。

(3) 讓學(xué)生帶著問題做實驗。改變以往教師主講的教學(xué)方式，實驗的講解以學(xué)生為主，因此負(fù)責(zé)講解的學(xué)生會非常認(rèn)真地預(yù)習(xí)，查閱大量相關(guān)知識內(nèi)容，并在學(xué)生中展開討論，讓學(xué)生會更加深入了解實驗，并將動手與動腦緊密聯(lián)系，進一步發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，建立以學(xué)生為主的實驗教學(xué)模式。

3.1.2綜合設(shè)計層設(shè)計[2-13]

教學(xué)目標(biāo):全面提高學(xué)生綜合設(shè)計的實踐技能和自主學(xué)習(xí)新知識的能力，掌握電路設(shè)計中的軟件與硬件相結(jié)合，具有獨立分析問題和解決問題的能力。

課程特色:增加綜合設(shè)計性實驗內(nèi)容，強調(diào)學(xué)生自主、引導(dǎo)創(chuàng)新。

該層包含兩門核心課程：微機原理、單片機技術(shù)實驗；3門選修課程：電子線路計算機輔助設(shè)計、可編程邏輯電路設(shè)計和接口技術(shù)實驗。鑒于電子信息學(xué)科發(fā)展迅猛、實踐性和工程性強的特點，學(xué)生在通過扎實的基礎(chǔ)實踐訓(xùn)練后，需進一步提升綜合分析設(shè)計能力、工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)、探索的能力。關(guān)鍵做法如下:

(1) 加強設(shè)計性、綜合性實驗內(nèi)容。建設(shè)EDA技術(shù)實驗室，讓學(xué)生學(xué)習(xí)電子系統(tǒng)設(shè)計的新技術(shù)，將軟件設(shè)計仿真和硬件實驗緊密結(jié)合，靈活運用軟硬件手段來完成綜合類的實驗項目。

每門實驗課程都要求學(xué)生完成2個以上綜合性實驗，實驗內(nèi)容以問題為出發(fā)點、設(shè)置多個可供學(xué)生選擇的綜合設(shè)計類題目，并鼓勵學(xué)生自主命題。

(2) 提供學(xué)生多元化的知識獲取、自主學(xué)習(xí)、相互學(xué)習(xí)的途徑。除了教師課堂講授、課后輔導(dǎo)或組織討論外，為了便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，還建設(shè)了實驗中心網(wǎng)站，進行現(xiàn)代化的實驗教學(xué)、實驗室和儀器設(shè)備管理。網(wǎng)站上為每門實驗課程建立課程主頁，包括課程大綱、教學(xué)教案、參考設(shè)計和課程論壇等。

(3) 實驗室多時間段開放。實驗室采用固定時段教師指導(dǎo)、開放時段自主實驗的方法。為了方便學(xué)生自學(xué)，以及自主安排時間完成綜合性實驗，實驗室每周開放多個時間段。

3.1.3專業(yè)基礎(chǔ)層設(shè)計[2-16]

教學(xué)目標(biāo):全面培養(yǎng)學(xué)生掌握相關(guān)專業(yè)的基本知識和實踐技能，進一步啟發(fā)相關(guān)專業(yè)的研究創(chuàng)新思維，具有在項目和系統(tǒng)的層次上分析和解決相關(guān)專業(yè)問題的能力。

課程特色:與科研緊密結(jié)合。

該層包含七門課程:高頻電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗、數(shù)字信號處理實驗、光電子技術(shù)實驗、PCB版圖設(shè)計及制作、集成電路設(shè)計實驗、微電子工藝技術(shù)實驗和微波技術(shù)實驗。課程教學(xué)的重點是培養(yǎng)學(xué)生在相關(guān)專業(yè)上的興趣和實踐能力，在課程模塊建設(shè)上注重增加系統(tǒng)級實驗內(nèi)容，并采取各具特色的教學(xué)方法，關(guān)鍵做法如下：

(1) 與科研結(jié)合進行課程建設(shè)。實驗中心與學(xué)院多個研究所(室)聯(lián)合，將科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)化。例如:貴州省微納電子與軟件技術(shù)重點實驗室將科研成果成功向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)化，開設(shè)了“微電子工藝技術(shù)實驗”、“集成電路設(shè)計實驗”和“微電子器件測試實驗”等課程，學(xué)生通過選修這三門課程，可以完成從集成電路設(shè)計、流片，到集成電路測試整個過程，對微電子方向的科學(xué)研究工作產(chǎn)生感性認(rèn)識。

(2) 各具特色的實驗教學(xué)方法。除了在實驗室授課外，還采取了科研實驗參觀、科研課題組討論和科技前沿報告等各具特色的教學(xué)方法，讓學(xué)生感受科研氛圍，開拓學(xué)生的視野。例如:新型光電子材料與技術(shù)研究所將“光電子技術(shù)實驗”的教學(xué)搬到了科研實驗室進行，讓學(xué)生接觸科研組的“原子鐘”、“光纖陀螺”等高端設(shè)備。

3.1.4研究創(chuàng)新層設(shè)計

教學(xué)目標(biāo):全面培養(yǎng)學(xué)生綜合研究、勇于創(chuàng)新的實踐能力，以及團隊合作、頑強拼搏等科研精神，具有在項目和系統(tǒng)的層次上分析問題和解決問題的能力。

課程特色:增加項目級、系統(tǒng)級的實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

該層包含一門核心課程: 電子系統(tǒng)設(shè)計實驗；三門選修課程:嵌入式系統(tǒng)、DSP開發(fā)應(yīng)用實驗、PLD開發(fā)應(yīng)用實驗。學(xué)生通過電路基礎(chǔ)和綜合設(shè)計訓(xùn)練后，要求學(xué)生綜合利用學(xué)過的理論知識和實驗技能去實現(xiàn)1～3個比較完整的電子系統(tǒng)，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(創(chuàng)新意識的關(guān)鍵是思維方式，重點是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力)。課程教學(xué)關(guān)鍵做法如下:

(1) 建設(shè)以項目為導(dǎo)向的實驗課程。實驗內(nèi)容以系統(tǒng)級的研究創(chuàng)新項目為導(dǎo)向，用任務(wù)書代替實驗講義。學(xué)生也可以自主命題，留給學(xué)生豐富的創(chuàng)新空間。實驗進行過程中的方案設(shè)計、實施路線、系統(tǒng)調(diào)試等全部由學(xué)生自己完成，教師僅僅給予必要的引導(dǎo)和關(guān)鍵點的檢查。例如:在電子系統(tǒng)設(shè)計課程中，學(xué)生接受與“全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽”難度相當(dāng)?shù)捻椖坑?xùn)練。可以選擇教師提供的項目，也可以自己選擇項目。從系統(tǒng)總體設(shè)計、模塊劃分、電路仿真、PCB 設(shè)計、焊接、調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)完全由學(xué)生自主完成。嵌入式系統(tǒng)等課程與電子系統(tǒng)設(shè)計課程類似，也是要求學(xué)生自主完成一個項目級的，基于ARM處理器的，帶有操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。

(2) 建立以學(xué)生為中心、全方位開放式的教學(xué)環(huán)境[2-12]。為了尊重學(xué)生選擇，培養(yǎng)自我完善能力，建立了全方位開放式的教學(xué)模式：①時間開放。即實驗室開放運行。學(xué)生根據(jù)需要通過預(yù)約等方式自主安排實驗時間。這種方式可培養(yǎng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)能力，為學(xué)生提供實驗時間上的保障。②內(nèi)容開放。即可選擇實驗內(nèi)容。教學(xué)中應(yīng)提供給學(xué)生可選擇的實驗題目，并且允許學(xué)生自主命題(如SRT項目)。這種方式有益于學(xué)生的個性發(fā)揮，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。③資源開放。即教學(xué)資料、儀器設(shè)備、實驗材料等資源向?qū)W生開放。這種方式提供給學(xué)生多元化的知識獲取途徑及必要的實驗環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的綜合素質(zhì)。④科研開放。即將實驗教學(xué)延伸到科研課題組。科研實驗室向?qū)嶒灲虒W(xué)開放，允許學(xué)生到科研教師那里找題目，直接參與到科研項目研究中去。這種方式進一步擴大了學(xué)生的選題范圍，更利于學(xué)生個性化發(fā)揮，并使得教學(xué)和科研緊密結(jié)合。

通過該層次課程訓(xùn)練，學(xué)生不僅得到了實驗技能的提高，更重要的是得到了綜合創(chuàng)新能力的提高。課題研究實驗過程中學(xué)生被分為3～5人一組，讓學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)劃分方法及團隊合作的精神；課程內(nèi)容具有一定的深度，很多知識點是第一次接觸，這讓學(xué)生學(xué)會主動學(xué)習(xí)、搜集資料，使其綜合能力得到了提高；碰到問題，敢于面對，并積極努力去解決，培養(yǎng)了學(xué)生頑強拼搏的精神；開動腦筋，完成了感興趣的題目，并力求將項目做得完美，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力；課題研究最后的答辯驗收，則訓(xùn)練了學(xué)生演講、快速反應(yīng)和推銷自己的能力。

3.2 評價方式多元化[2-6]

強調(diào)考察學(xué)生綜合創(chuàng)新實踐能力，突出實驗過程中的平時表現(xiàn)(包括實驗的態(tài)度、方法及發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實際能力等)；同時鼓勵探索和創(chuàng)新，全面提高學(xué)生的能力和素質(zhì)；教學(xué)中改“重結(jié)果”為“重過程”，設(shè)置教學(xué)檢查點來考察學(xué)生在實驗過程中的表現(xiàn)，以保證實驗教學(xué)的質(zhì)量。

4 結(jié) 語

通過多年的實踐教學(xué)與經(jīng)驗總結(jié)，我們認(rèn)為這套實踐教學(xué)培養(yǎng)體系對本科生的電子設(shè)計能力培養(yǎng)是有用的。

電子設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，電子設(shè)計教學(xué)課程體系與實踐教學(xué)課程體系相輔相成。在電路理論課程教學(xué)中，充分利用EDA設(shè)計平臺的仿真測試技術(shù)做課堂演示實驗，通過直觀形象的演示圖表讓學(xué)生理解電路理論的實質(zhì)。

理論驗證性實驗教學(xué)：讓學(xué)生用仿真的方法完成驗證性實驗(實現(xiàn)時間和空間的開放)，一方面仿真環(huán)境元器件豐富、參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、儀表齊全，實驗過程中沒有元器件損壞(但可以模擬元器件損壞情況)、沒有接觸不良等問題，在相應(yīng)的時間單元學(xué)生可以完成更多的理論驗證，充分理解電路理論，克服了過去實驗箱式實驗中電路模塊有限、構(gòu)建電路變通方法有限、設(shè)備有限等問題，另一方面可以把有限的實驗室硬件資源調(diào)整建設(shè)成為綜合性、設(shè)計性、研究型、創(chuàng)新型的綜合實踐教學(xué)訓(xùn)練基地。

綜合性、設(shè)計性、研究型、創(chuàng)新型實驗教學(xué)：讓學(xué)生首先通過仿真平臺對設(shè)計系統(tǒng)(或系統(tǒng)單元)進行驗證，待理論設(shè)計通過后預(yù)約實驗室開放，這樣可以減少元器件損耗、避免集中實驗而導(dǎo)致硬件資源不足(設(shè)計過程一般不會同時完成)等問題，有效降低實驗室建設(shè)壓力、降低實驗運行成本，而且教學(xué)效果很好。實驗過程中，學(xué)生如果實驗沒有得到預(yù)計的效果，他們不會懷疑設(shè)計理論不可行，會想到去解決器件損壞、參數(shù)不合、寄生振蕩、連線不良等問題，這種方法對提高學(xué)生的實踐動手能力、啟發(fā)創(chuàng)新思維有良好的作用。

師資是實踐教學(xué)不可或缺的因素，在此不作討論。但本實踐教學(xué)體系的運行無疑要增加實驗運行經(jīng)費的投入及指導(dǎo)教師的工作量。

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