大電子實驗教學平臺建設和教學方式的改革

成謝鋒， 郭宇鋒， 黃麗亞， 肖 建， 孫科學

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京210003)

0 引 言

為了實現中國夢，建設有創新性特色的中國工業，培養一大批能夠適應和支撐中國新工業的工程技術人才，使我國從工程教育大國走向工程教育強國，我國教育部啟動了“卓越工程師教育培養計劃”?！白吭焦こ處熃逃囵B計劃”的重要特點之一是強化培養學生的工程能力和創新能力。電子信息類實驗教學是高等院校理工類專業學生重要的專業基礎課，也是學生在大學教育階段的主要工程性實踐環節，它對培養學生的素質和能力十分重要，實驗教學效果對學生專業技能的培養以及就業都將產生直接影響［1-9］。

南京郵電大學“電子與科學技術專業”成功入選首批“國家卓越工程師教育培養計劃”，在4 年實施教育培養計劃過程中，構建了一個面向卓越工程師教育培養的電子信息類實踐教學體系。針對卓越工程師培養目標，設計和建立了電子信息類大電子實驗平臺，形成了以“實驗內容—教學方法—教學目的”為經，以“基礎學科技能培養—綜合設計能力訓練—創新能力培養”為緯的多層次、立體化的“三橫三縱”的實驗實踐教學體系，并且在此基礎上分析卓越工程師教育的具體實施方法，重點探索了4 種工程化教學方式:基礎實驗的工程化教學方式，創新實驗的工程化教學方式，校企合作的實驗室建設方式，實驗教師團隊的工程化建設方式，討論了實驗教學質量狀態和效果的感知與評價手段。通過建立面向卓越工程師培養的大電子實驗平臺和實驗教學方法，能有效強化學生實踐能力和自主創新能力，從而全面提升學生的綜合素質，獲得了顯著的教學成效和社會效益。

1 實驗教學與卓越工程師培養的關系

卓越工程師的培養是一個系統工程。卓越工程師應具備扎實的專業知識與工程實踐能力，創新能力與自主學習能力，以及良好的團隊協作能力。實驗教學是學生理論與實踐結合的重要環節，通過實驗教學中的綜合設計和創新實驗等環節，可以讓學生形成良好的創新思維和創新實踐能力，是高校卓越工程師培養必不可少的環節。面向卓越工程師培養的電子信息類實驗教學體系的建立需要一個探索、改革、完善的過程，需要在實踐中不斷總結提高，進而在實踐教學方面進行更深入的改革和建設，促進“卓越工程師”培養向縱深發展［10-15］。

2 大電子實驗平臺建設和實踐教學模式的改革

2.1 電子信息類大電子實驗平臺建設

在卓越工程師教育培養的實驗實踐教學中，我們建設了電子信息類大電子實驗平臺，如圖1 所示。其中電子電路實驗子平臺提供電子電路的基礎訓練，鞏固和加深對電路分析、模擬電路和數字電路等課程中相關原理的理解，實現理論教學與實驗教學的相互促進;微波與射頻電路實驗子平臺設有微波設計與測試2 個模塊，基于該平臺，學生可掌握微波電路器件、天線的一般設計方法、仿真與優化手段及現代測量技術，培養微波射頻工程師所具備的基本素養;天線與電波實驗子平臺基于“可視化實驗教學”理念和“工程化實驗教學”意識，使學生直觀地了解并掌握基本測量技術手段，動手設計、加工制作各類小型天線，提升無線電相關專業的工程實踐能力;嵌入式系統實驗子平臺注重虛實結合、學用結合，培養學生掌握嵌入式系統基本原理和復雜電子系統的實驗與綜合設計能力。綜合創新實驗平臺以培養高素質科技創新人才為出發點，面向全校，組織和接待大學生電子創新活動。

圖1 電子信息類大電子實驗平臺示意圖

大電子實驗平臺還融合了學校的“江蘇-新加坡有機電子與信息顯示聯合實驗室”，成為了具有國際視野的電子科技專業人才的培養基地和協同創新基地。同時還與TI、NI、Altera、Xilinx、Cadence、ACTEL、瑞薩等國際知名電子信息企業建立了9 個校企聯合實驗室，利用校企聯合實驗室，學生既可以接觸到業界最新的技術，又可以從企業專家的授課中獲得工程實踐能力的提高和工程意識加強。此外，還在熊貓電子、華為、普天通信、江蘇省郵規院等國內知名電子信息類40 家企業建立了實習實踐基地和卓越工程師培養基地。通過這些基地完成對學生的生產實習和認識實習教育，讓學生可以熟悉生產流程、了解市場需求、培養工程意識和吸收工程經驗。

2.2 “三橫三縱”的實驗實踐教學體系

依托電子信息類大電子實驗平臺，我們形成了以“實驗內容—教學方法—教學目的”為經，以“基礎學科技能培養—綜合設計能力訓練—創新能力培養”為緯的多層次、立體化的“三橫三縱”的實驗實踐教學體系。第一層次為基礎學科技能訓練。主要培養學生的基本實驗技能，我們根據不同的專業的培養目標，既考慮共性需求，又兼顧特殊要求，設計了系統完整的電子信息類專業基礎實驗模塊。首先構建了通用基本技能實驗模塊，主要是電子電路的分析、設計、組裝和測試技能，這是電子信息類學生都應當具備的實驗技能;其次根據不同的專業和學科的要求，構建了專業基本技能模塊。比如微電子專業的半導體器件設計模塊和集成電路設計模塊，電磁場與無線技術專業的微波和射頻電路設計模塊和電磁場仿真實驗模塊，電子科學與技術專業的的微納材料制備模塊和表征模塊等。第二層次為綜合設計能力訓練。它通過構建課程設計、綜合設計、畢業設計和專題研討等實驗實踐模塊，實現不同知識點、不同課程和不同學科之間的知識整合、重構和融合，其目的是進一步鞏固學生所學專業知識的基本概念、基本原理和分析方法，培養綜合運用所學知識分析和解決問題的能力，實現知識的活學活用，同時培養學生的自學能力、思維能力、實踐觀點和團隊合作能力。第三層次為創新能力培養。這是實驗技能培養的最高層次，主要依托本實驗室的優質軟硬件資源和師資力量，以各類創新項目(STITP、開放實驗等)、學科競賽(電子設計競賽、機器人競賽等)和科學研究為載體，采用靈活的課外組織模式，培養學生的創新能力、思維能力、合作能力、科研能力、管理能力和工程意識。

針對不同的實驗內容，我們采用了不同的教學方法，針對第一層次的基礎學科技能訓練實驗內容，采用了可視化、信息化、規范性等教學方法;針對第二層次的綜合設計能力訓練實驗內容，采用了個性化、開放式、虛擬化等教學方法;針對第三層次的創新能力培養的實驗內容，采用了工程化、協同化、實用化等教學方法。始終把實踐和應用能力、研究和創新能力的培養放在重要位置;堅持以學生為中心，以培養目標為導向，努力實現人才培養目標與社會需求的有機結合。

3 四種工程化教學方式的探索

3.1 基礎實驗的工程化教學方式

基礎實驗主要是針對基礎理論課的驗證型實驗，是卓越工程師培養的根基，主要包括電子裝配、電子電路基礎等實驗子平臺的教學內容。通過這些基礎實驗教學，使學生加深對基礎理論的理解，掌握實驗儀器的使用和其他的實驗手段和方法，激發學生對實驗的興趣，從而可以進行更高階的實驗。隨著卓越工程師的培養目標和培養標準的調整，基礎實驗的工程化教學模式也要做相應的變化，從而體現基礎實驗教學模式滿足培養目標的要求?；A實驗的工程化教學可以采用如下一些方式:

(1)全面實施實驗室面向學生開放制度。為了使學生在實驗活動中由被動變為主動，開放實驗室中實驗內容開放、實驗時間開放、實驗元器件開放，學生可根據自己的學習進度和時間通過手機預約實驗，實驗過程可錄像，實驗后提交電子版實驗報告，指導教師確認后認可該實驗成績，達到規定實驗評分，該實驗課程可免考試，成績由指導教師根據學生平時實驗記錄成績進行綜合評定。

(2)隨著現代生產工藝的改進、生產設備的更新和先進制造系統的更新，需要學生了解主流的生產工藝設備與制造系統，相應的基礎實驗和實習課程設置和教學內容應該進行及時的調整和更新，增加這部分的認知實驗。在電子裝配實驗子平臺中增加最新的電子設備生產流水線，開設新的實習內容。

(3)基礎實驗不僅要引導學生根據實驗結果與理論結果進行對比研究，還要深刻理解相關的工程意義，讓工程應用這條主線貫穿于整個基礎實驗教學過程中。這要求實驗教師本身必須多熟悉相關的工程案例，多參與工程實踐，多做科研，以提升自身的工程能力，這樣在基礎實驗教學過程中才能有效的融入工程案例，讓學生了解與電子信息工程專業相關行業的生產、設計、研究與開發、環境保護和可持續發展等方面的方針、政策和法津、法規，正確認識電子信息工程對于客觀世界和社會的影響，在小事上鍛煉能力，在大事中展示智慧，培養具有創造精神的新型大學生。

3.2 創新實驗的工程化教學方式

目前，部分高校建立創新實驗室，以“挑戰杯”和“全國大學生電子設計競賽”等科技競賽為目標，取得了很好的效果。但這主要是針對少部分的參賽學生。為了進一步加強實踐能力和創新意識，在創新實驗的工程化教學模式中:

(1)首先對培養目標進行了修訂，強調了對創新意識與方法、工程實驗、工程設計等方面的要求，相應地對培養方案進行了修改，在自主個性化學分部分增加了補充要求，規定電子信息專業每位學生至少有1個自主個性化學分必須來自科技創新活動或學科競賽或實踐項目。沒有該學分將達不到畢業的要求。

(2)倡導工程項目較多的教師吸收學生參與科研活動和創新實驗活動。在“大學生創新訓練計劃”(STITP)中，遵循“注重過程、興趣驅動、自主實踐、鼓勵創新”的原則，重點引入教師科研與技術開發(服務)課題中的子項目，開放實驗室中的綜合性、設計性、創新性實驗項目，以及工程實習基地中的創新性子項目(包括創業計劃與職業規劃等創新項目)。

(3)根據企業提出的實踐要求，將這些實踐要求劃分成若干個實踐子項目，或者將教師與企業合作的科研項目劃分成若干個科研子項目，在校企聯合培養基地，使實踐面向工程實際，促進學生必須參與實踐和創造，使他們在相關企業的實際環境中，通過參與實際工作，了解課堂知識學習與企業實際工作崗位之間的關系，學習社會文化與企業精神，了解社會與企業的用人需求和對人才的要求，在實際工作中鍛煉自己。

(4)在綜合實驗設計和電子實習應該更注重工程實踐，增加與工程實踐關聯度高的工程設計類題目，體現專業特色。

通過上述工程化教學模式使學生掌握在電子信息技術領域基本的創新方法，具有追求創新的態度和意識，能夠綜合運用所學理論和技術手段進行電子系統的設計、開發和分析，設計過程中能夠綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素。

3.3 校企合作實驗室建設的方式

學校的教學活動基本上還是與實際生產活動相脫離的。培養卓越工程師，要求在人才培養過程中企業深度參與，就是要回歸工程教育，讓理論學習與實踐教學重新整合。學校和企業可以在一定框架下實現資源共享。

(1)學校可以跟企業簽訂協議，將有條件的實驗教學內容在企業完成，將理論教學與生產實踐相結合;或者利用學校教學資源完成企業部分產品的設計、生產，讓學生參與其中，讓學生將所學內容與工程實踐相結合，并在工程實踐中不斷涉獵新的知識。

(2)在校企合作實驗室建設模式中，依托學校的“江蘇-新加坡有機電子與信息顯示聯合實驗室”，定期邀請國際、國內專家舉辦技術講座，培養具有國際視野的電子信息領域的專業人才。

(3)與企業合作，共同設計一套適合電子信息學科發展的校企合作實驗室。該實驗室可以采用軟件與硬件相結合的方式，利用先進的虛擬離線軟件和設計仿真軟件及企業提高的精密儀表有機整合，實現實驗教學能力的提高，并滿足科研中從設計到定型生產的各個環節要求。

(4)實驗中心與企業合作開發最新的實驗培訓教材，開展相關培訓或講座，讓國際上知名大企業的培訓講師走進課堂，拓展學生的國際視野，培養學生交流、競爭與合作的能力。

(5)選擇的校外實習基地要用針對性，應體現出電子科學與技術專業的核心價值，要具有很強的專業工程背景。

3.4 工程化實驗教師團隊建設的方式

實驗教師團隊是工程實踐能力培養的基石，以學生工程實踐能力的提高為焦點，充分發揮校內教師的積極主動性和作用，以工程創新型人才培養為目標開展合作教學工作。工程化實驗教師團隊建設的方式為:

(1)組織青年教師利用暑假帶學生到企業實踐基地進行生產實習;選派教師參與企業設備客戶培訓;新進青年教師必須經過“社會實踐、生產實習、企業畢業設計帶隊”鍛煉，促進其工程素養與能力的提升;選派科技特派員、企業博士后到企業鍛煉，指導大學生創新實驗和創業計劃項目等方式，增強教師的工程經歷，提升教師隊伍的工程實踐和工程教育能力。讓骨干教師定期、分批到企業實踐和培訓，參與企業的相關產品設計、生產和管理過程。

(2)鼓勵和引導專業教師依托學科研究方向，積極爭取各類科研項目，爭取并實施產學研項目，開展與企業的科技合作。比如申報華為、中興等企業的創新研究計劃項目。遵循自愿申報和公司資助的原則，鼓勵教師申報這類企業計劃項目，同時將企業研究項目作為實驗中心建設的一項評價指標。校內教師還可以與工程實踐基地兼職教師合作申報省產學研聯合創新項目和省科技成果轉化專項資金項目，力求合作發展、共同進步。

(3)引進企業兼職教授。近年來有來自企業的30 名工程技術專家為電子信息工程專業的學生進行形式多樣的教育教學指導，如通過課題合作研究、開設講座課程、學術交流、聯合指導本科生畢業設計等多種形式，積極參與卓越工程師的培養活動。

4 卓越工程師培養效果評價

為了檢驗卓越工程師培養目標的達成度，學校和學院定期對畢業生服務社會的能力進行跟蹤調查。學院深入學生就業單位調研，通過與學生就業單位人力資源部門座談、對學生就業數據分析等方式跟蹤畢業生的就業和發展狀況，以對培養目標的達成進行衡量和評估。對培養目標的實現與否進行衡量與評估的主要措施包括:

(1)對學生主要就業單位進行調研，跟蹤了解企業對畢業生反映。

(2)召開畢業生座談會，及時了解畢業生工作、事業、發展狀況。

(3)通過麥可思調研報告和NSSE-China 問卷調查等方式對學生的學習進行評估，獲取“麥可思——南京郵電大學畢業生中期職業發展年度報告”。

通過實施所述專項調查分析，可以了解和掌握在校生與畢業生對實驗教育教學質量狀態和效果的感知和評價，形成了以“學”為中心的校、學院兩級實驗教學評價和質量保證體系，通過學生、教師間良好的互動反饋，進而提升以學生為主體的實驗教學質量，并且通過評估可以了解培養目標的達成度，同時也對培養目標本身進行了評估，相關評估結果，可對制(修)訂新一輪卓越工程師培養培養目標及培養方案提供參考。

5 結 語

我校“電子與科學技術專業”在4 年實施卓越工程師教育培養過程中，建設了電子信息類大電子實驗平臺，形成了“三橫三縱”的多層次、立體化實驗實踐教學體系，探索了工程化實驗的實施細則和方式，基本達到了卓越工程師培養目標。依托該實驗平臺指導完成國家級、省級和校級大學生創新實踐項目(STITP 項目)300 余項，承擔了歷屆全國/江蘇省大學生電子設計競賽的校級選拔、培訓和競賽組織工作，構建了系統的面向大學生科技創新和競賽培訓體系，受益學生達1 500人/年。在該平臺的支持下，我校學子在全國大學生電子設計大賽、挑戰杯、全國大學生機器人大賽和美國機器人公開賽等重要賽事中，屢創佳績，近3 年來獲得省級以上大學生電子類設計競賽獎共計近200項，其中國家級90 余項。承擔大學生科技創新計劃250 余項，其中國家級110 余項。近年來，實驗中心教師主持的教改項目已獲8 項省(部)級獎，6 項校級獎，多次獲得“開放實驗項目優秀組織單位”的稱號。

［1］ 劉 宏，曾 璐，曾東紅. 面向卓越工程師教育培養的電工電子實踐教學體系研究［J］.實驗室研究與探索，2012(7):358-360.

［2］ 朱震華. 電工電子實驗教學改革初探［J］. 實驗科學與技術，2008，6(1):71-73.

［3］ 李曉寧，羅正祥.建立大學生科技創新基地，大力開展創新教育［J］.實驗室研究與探索，2006(6):1181-1182.

［4］ 李培根.主動實踐，培養大學生創新能力的關鍵［J］.中國高等教育，2006(11):17-18.

［5］ 黃麗亞.“電子電路”課程教學改革之我見［J］. 電氣電子教學學報，2005，27(電子線路專輯):27-29.

［6］ 成謝鋒，滕愛玲，楊學巖. 工科電技術教學體系研究與實踐［J］.理工高教研究，2005(6):46-49.

［7］ 鐘桂輝，劉曙光，鞠權赫，等.淺談開放實驗室的體系建設［J］.實驗室研究與探索，2012，31(8):147-150.

［8］ 陳慶奎.面向卓越工程教育的實驗室開放實施機制［J］. 實驗室研究與探索，2013，32(1):80-84.

［9］ 蔡曉君，竇艷濤.以工程能力培養為核心構建多元化實踐教學體系［J］.實驗室研究與探索，2010，29(11):87-89.

［10］ 傅水根.探索工程實踐教育［M］.北京:清華大學出版社，2007.

［11］ 李 明.實驗室改革及發展趨勢［J］. 實驗室研究與探索，2008，27(1):149-151.

［12］ 陸一平，查建中.繽紛課堂:源于國外的工程教育實踐教學方法［J］.高等工程教育研究，2009(6):137-142.

［13］ 成謝鋒，張學軍. 電工電子實驗課的3 種實驗模式研究［J］. 實驗科學與技術，2010，12(6):50-53.

［14］ 陶冶薇. 關于人性化課堂教學方法探討［J］.科技成果管理與研究，2012(12):45-47.

［15］ 成謝鋒，郭宇峰.建設實踐融合創新拓展的新實驗平臺［J］.實驗科學與技術，2012(5):150-154.