電工電子技術實驗課程創新性教學探索

王義君?詹偉達?宮玉琳

摘 要 電工電子技術實驗是應用型高等院校培養學生實踐應用能力的重要基礎課程。目前課程建設和教學的固定式實驗狀態，大大限制了學生的創造性思維能力。本文在分析教學現狀的基礎上，結合長春理工大學國家級電工電子實驗教學示范中心的實際經驗，在電工電子實驗教學理念，實驗教學體系、內容及方法，實驗教學隊伍建設，運行機制和管理方式和校企合作等五個方面進行了探索性研究，力爭樹立“以人為本”的教學理念，實現真正意義上的人才培養。

關鍵詞 電工電子實驗；教學探索；課程建設；教學模式

中圖分類號 G712 文獻標識碼 A 文章編號 1008-3219（2015）35-0047-04

應用型本科院校電子信息類專業學生就業趨勢對相關專業學生提出了兩個要求：一方面要求學生具有扎實的理論基礎，能夠熟練運用所學的相關知識分析、設計和仿真各種電路應用形式，從而滿足用人單位需求；另一方面要求學生能夠系統地運用所學理論知識解決實際工程問題。在電子信息類專業課程建設及教學過程中，對于應用型本科院校來說，電工電子技術實驗課程是學生掌握基本電工電子實踐技巧和理論聯系實際的重要手段。電工電子技術實驗課程教學不能僅滿足于原理的驗證和基本綜合實驗的實訓，更要立足于拓展學生思路、激發學生興趣以及增強學生創新意識。

一、教學現狀

目前，電子信息類專業重要的基礎課程包括電路原理、模擬電子技術、數字電子技術和電子綜合課程設計。如何最大程度地培養學生在電工電子技術實驗課程中的應用實踐能力，是目前電工電子類實驗教學的關鍵任務。對于模擬電子技術實驗而言，學生難于理解抽象的理論知識，不能掌握實驗的目的和精髓。對基本的實驗知識點只是機械地按照教師的要求去完成，并不能有效地啟發學生的創造性思維。對于數字電路邏輯設計實驗而言，建立邏輯模型，邏輯代數基本定律、組合邏輯和時序邏輯的實驗分析和設計是學生學習數字系統的基礎。而學生在學習模擬電路后，面對離散的邏輯分析，與模擬電路存在較大差異，容易使學生的學習能動性降低。所以，只有在做大量的綜合型驗證實驗的基礎上，才能讓學生在抽象的理論知識和實踐動手能力上得到雙重提升。

然而，在電工電子技術實驗教學過程中，教師遇到的難題在一定程度上直接或間接地影響著教學質量[1]。首先，教學資源的限制使得教師在課程的開展過程中力不從心。就大多數國內普通高等院校而言，實驗采用的硬件平臺數量有限，性價比較高的硬件元器件不多，使得模擬電路、數字電路的綜合設計實驗完成情況不夠理想。其次，授課課時數量的減少對于系統完成實驗教學內容帶來較大影響。課時減少意味著課程進度的加快，而課程進度的加快使得實驗操作步驟進一步簡化，學生對于實驗的理解弱化。基于上述分析，由于教學過程中存在的種種問題，學生學習興趣大打折扣，而且他們對于模擬和數字電路的基礎掌握不夠扎實，幾乎無法進行獨立的中小規模電子線路系統的設計。對于課程本身而言，電工電子技術實驗教學并沒有帶來顯著的教學效果，從系統上實現綜合課程設計更是紙上談兵。

二、教學創新探索

面對電工電子技術實驗課程教學過程中存在的問題，結合長春理工大學國家級電工電子實驗中心（以下簡稱中心）的實踐教學經驗，本文對電工電子技術實驗課程創新性教學進行了深入研究：以實驗教學改革為核心，以實驗資源開放共享為基礎，以高素質實驗教學隊伍和完備的實驗條件為保障，創新管理機制，全面提高實驗教學水平和實驗室使用效率。通過教學模式改革培養學生實踐能力、創新能力以及提高教學質量。

（一）實驗教學體系構建

中心從人才培養體系整體出發，建立以能力培養為主線，分層次、多模塊、相互銜接的科學系統的實驗教學體系，與理論教學既有機結合又相對獨立。實驗教學內容與科研、工程、社會應用實踐密切聯系，形成良性互動，實現基礎與前沿、經典與現代的有機結合。引入、集成信息技術等現代技術，改造傳統的實驗教學內容和實驗技術方法，加強綜合性、設計性、創新性實驗。基于此，中心提出“面向四個專業類，進行三個層次教學，達到培養學生三種能力，構建四個知識系統”的“四三三四”實驗教學體系，其中面向四個專業類包括電子信息類、物理化學類、電子信息關聯類（如光電、機電和計算機等）和經濟管理類；三個層次教學即基礎類實驗教學、提高類實驗教學及科技創新實踐教學；培養學生三種創新能力涵蓋基本實驗能力、綜合實驗能力、創新精神和工程實踐能力；四個知識體系體現在場與波、信號、微電子技術和電路系統[2]。

（二）內容及方法改革

首先，當今國內外實驗教學技術發展迅速，嵌入式處理器的應用達到前所未有的高度。隨著市場成本的降低以及嵌入式處理器的處理和控制能力的提升，使得這項技術發展的速度越來越快，因此，片上可編程系統（Programmable System-on-Chip， PSoC）應運而生。PSoC技術的實質就是將CPU、模擬和數字子系統集成在單芯片上。以PSoC芯片和相關軟件開發工具為代表的硬件設計平臺和軟件設計工具引領著未來的設計方向。因此PSoC技術既可以滿足模擬電子技術的設計需求[3]，也可以滿足數字電子技術的設計需求，同時還可以進行混合設計，使學生可以從根本上了解自己的實驗內容，其為電工電子技術實驗帶來了翻天覆地的變化。基于此，使用PSoC技術進行嵌入式系統設計具有以下優點[4]：定制，基于PSoC嵌入式系統的設計人員可以很靈活地選擇所要連接的外設和控制器，因此設計人員可以設計出一個獨一無二的外設，這個外設可以直接和總線連接；降低元件成本，由于基于PSoC平臺的嵌入式系統的功能多樣性，以前需要用很多元件才能實現的系統，現在可以使用一個PSoC芯片實現；硬件加速，選擇PSoC技術的一個重要的原因就是，PSoC能在硬件和軟件之間進行權衡，使嵌入式系統達到最大的效率和性能。針對該技術的實踐創新特點，中心在未來的實驗內容及方法中，通過該技術搭建芯片級的電子技術實驗內容，將有效提高學生的工程應用能力和實踐經驗。

其次，實踐性強是電工電子技術實驗課程的最重要特點。實驗內容的科學化能夠提高學生的主動創新意識，是提高實驗教學環節的基石。理論教學和實驗教學具有彼此依存的緊密關系，一般來說，將電學理論和實踐經驗相互統一，才能較全面的認識和理解本門學科的本質。相對而言，對于應用型本科院校的學生來說，能夠解決實際的工程問題在就業時往往起到更關鍵作用。所以，實驗環節和理論學習在教學過程中具有同樣重要的意義。

中心根據實驗性質，將電工電子技術實驗分為電工技術實驗、模擬電子技術實驗、數字電子技術實驗、電子電路計算機輔助分析與設計實驗四大類。這四大類實驗涵蓋了電工電子基礎教學的各個方面。單一的從實驗性質方面分類只能從實驗內容上實現全覆蓋，而如何科學的劃分實驗難度和提高學生實驗興趣則不能得到很好的說明和分析。基于此，中心從實驗教學目的出發，將電工電子技術實驗重新分驗證型實驗、綜合型實驗、設計型實驗和創新性實驗四大類。這四類實驗各有不同的側重點[5]。

驗證型實驗。首先要求學生加深和鞏固對本學科基本理論的理解；其次要求學生掌握基本實驗方法，學會觀察和分析實驗現象和數據，熟悉基本實驗技能。此類實驗題目相對簡單，隸屬于某一類實驗性質，實驗內容為基礎性實驗，該部分實驗可以為后續復雜實驗題目積累經驗。

綜合型實驗。在驗證型實驗的基礎上完成一定強度的綜合實驗訓練，就這方面而言，綜合型實驗仍然局限在某一實驗性質當中，但是其電路原理和連接方式都有了一定的難度和復雜性。因此這類實驗題目不應過多，在整個實驗體系中起到承上啟下的作用。

設計型實驗。在4類不同實驗性質的綜合型實驗基礎之上開展設計型實驗，其重點是綜合運用不同實驗性質的實驗方法和技巧完成電路設計和實現。此類實驗主要配合模擬電子技術和數字電子技術兩門課程進行，通過數模混合電路提高學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力。

創新型實驗。該實驗類別是具有研究性、探索性和創造性的大型實驗項目。通過綜合運用各種實驗設備、儀器或模塊完成實驗題目。創新型實驗的題目通常來自科研項目或生產實踐遇到的具體問題，所涉及的知識點涵蓋多門課程甚至多個交叉學科。學生通過查閱文獻、提出方案、電路設計、實驗聯調、撰寫報告和答辯討論等步驟體會電工電子技術實驗的價值和意義，積累實踐經驗，獲得全面鍛煉。

通過上述分析，驗證型實驗和綜合型實驗屬于某一類實驗性質框架下的實驗項目，而設計型實驗和創新型實驗則需要綜合運用所學知識解決實際工程問題。根據長春理工大學國家級電工電子實驗教學中心的授課情況和中心教師教學經驗，現將實驗類型與所需學時比重進行總結，見表1。

表1 實驗類型與所需學時比重關系

實驗類型 學時比重（%）

電工技術驗證型實驗 5

模擬電子技術驗證型實驗 5

數字電子技術驗證型實驗 5

電工技術綜合型實驗 5

模擬電子技術綜合型實驗 5

數字電子技術綜合型實驗 5

電子電路計算機輔助分析與設計實驗 10

電工電子技術設計型實驗 20

電工電子技術創新型實驗 40

三、教學探索保障

（一）實驗教學隊伍建設

中心重視實驗教學隊伍建設，在學校政策的前提下，采取有效的措施，鼓勵高水平教師投入實驗教學工作。建設實驗教學與理論教學隊伍互通，教學、科研、技術兼容，核心骨干相對穩定，結構合理的實驗教學團隊。中心形成一支由學術帶頭人或高水平教授負責，熱愛實驗教學，教育理念先進，學術水平高，教學科研能力強，實踐經驗豐富，熟悉實驗技術，勇于創新的實驗教學隊伍。

中心現有教師66人。專職教師55人，其中：正高級19人，副高級19人；博士27人，碩士16人；45歲以上教師21人，45～35歲教師18人，35歲以下教師16人；近五年，增加教師7人；35歲以下青年教師博士學歷由1人增加到9人。教師隊伍職稱、年齡和學歷等結構更趨合理，梯隊建設效果顯著；中心團隊被多次被評為吉林省優秀教學團隊。近五年，中心教師承擔70余項教改和科研項目，其中省級以上項目達到80%；發表教改論文69篇，學術論文189篇。涌現了吉林省科技咨詢專家3人，吉林省第三屆“創業先鋒”1人，吉林省第三批高級專家1人，吉林省第十一屆青年科技獎獲得者1人，吉林省高層次創新創業人才1人，在2012年09月“首屆全國高校青年教師教學競賽”獲全國二等獎1項。

中心構建了6個課程梯隊和4個科研梯隊，課程與科研梯隊互通。教師既承擔理論教學，也承擔實驗、實踐教學工作，提高了實驗隊伍的穩定性。擁有電路與系統、信號與信息處理2個學科，設置博導和碩導崗位，提高兼職教師工作積極性。中心教師數量穩中有升，青年教師業務水平迅速提升，兼職教師工作積極。

（二）運行機制和管理方式

中心于2004年開始采用信息化管理手段，此后不斷改革與完善。2008年進一步完善了網站，2010年進一步完善了實驗預約管理系統和虛擬實驗室系統，2011年新建了視頻監控、網絡化實驗室信息反饋等平臺。

中心網站共分16個一級欄目，實驗預約管理系統與中心網站結合，很好地解決了學生數量大、公共時間少、排課困難、實驗室資源利用率低、實驗效果評價不客觀等難題。實驗預約登記管理系統相關成果獲得吉林省教育技術成果三等獎。虛擬實驗室建設有“儀器設備認識”“網絡教學”“視頻點播”等項目，解決了資源相互需求、相互依賴的矛盾，為學生創新思想交流提供了平臺。網絡化實驗信息反饋系統能夠使教師和學生隨時查詢實驗室開放情況。視頻監控系統設置了32個終端，實現全校所有聯網終端對實驗室的實時監控，既確保了實驗室安全，也有利于提高開放實驗教學和管理高質量運行。通過上述網絡化、智能化、數字化手段管理實驗室，有利于開放式實驗教學和人性化管理。

中心網絡化電子教案、課件、錄像等實驗資源豐富，涉及電子電路課程群、電磁場課程群、信號處理課程群相關課程的理論、實驗和實踐等各個方面，總資源達2.6GB，三年訪問量達到12000人次。

通過結合長期積累形成的優質教學資源和成果，建設并搭建了信息化輔助教學平臺，通過平臺服務學生和教師信息交流，實現了課內、課外統一，并且為實驗室開放運行和網絡輔助實驗教學奠定了基礎。平臺的相關模式為學校開發教學管理系統提供了支撐，同時，相關軟件及信息化資源獲得2項吉林省教育技術成果獎。

（三）強化校企合作

中心先后與飛思卡爾半導體公司、上海未來伙伴機器人公司以及美國安捷倫公司等十多家企業，創辦和協辦了“飛思卡爾智能汽車大賽”“機器人控制大賽”“無線電發射比賽”等多項比賽，并提供培訓、訓練和實踐支持，每年受益學生達500多人。近五年，中心組織競賽10項，共計48次，學生獲得省級以上競賽獎達118項，在吉林省名列前茅。此外依托中心建立的“吉林省大學生創新實踐基地”，極大地豐富和活躍了實驗室開放的內容和形式，在指導學生開展課外學術科技活動、培養具有較強科技創新能力的特色人才等方面，發揮了積極作用，形成了學生培訓、創新、實踐基地和科技骨干人才培養基地。

參 考 文 獻

[1]楊雙.本科院校電子信息工程專業教學改革探討[J].教育探索， 2013（4）： 20-21.

[2]王博鈺，詹偉達.以國家級實驗教學示范中心建設為契機， 促進實驗教學改革與發展[J].長春理工大學學報：社會科學版， 2014（12）： 171-173.

[3]華成英.模擬電子技術基本教程[M].北京： 清華大學出版社， 2006.

[4]何賓.8051片上可編程系統原理及應用[M].北京： 化學工業出版社， 2013.

[5]吳國中.英國開放式實訓模式及其對我國的啟示[J].職業技術教育， 2014（23）： 94-96.