以創新創業能力培養為導向 全方位自制實驗教學設備

王革思, 高敬鵬, 趙宇寧, 陳 凱

(哈爾濱工程大學 國家級電工電子實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

高等教育是知識傳播、應用和創新的主要途徑,更是培養國家所需要的創新創業人才的重要途徑。近些年來,我校電工電子實驗教學示范中心(以下簡稱“中心”)教師以培養“具有扎實的信息化基礎知識、強烈的工程創新意識、較強的實踐動手能力和創新創業能力[1]”的電子信息類專業創新人才為目標,探索了電子信息類專業各學習階段的核心知識、能力和素質要求以及相應教學環節之間銜接的有效途徑,加強了通識性創新創業教育,利用新理念、新思維、新材料和新技術,特別是通過產教科研成果、信息技術與創新創業教育深度融合的教學案例支持,研制出不同檔次、類型多樣的實驗教學設備以及具有創新創業教育特色的實踐訓練項目。這些創新創業教育資源提供了與企業相當的研發平臺、真實案例和實用技術,縮短了學校教學與企業需求之間的距離,在培養學生創新創業能力方面取得顯著成效。中心教師研制的電子系統設計開發實驗箱還獲得2014年第三屆全國高等學校自制實驗教學儀器設備評選一等獎。

1 研究背景與思路

國家工程教育認證、國家級實驗教學示范中心評定及考核引起高等院校對創新實驗和自制實驗教學儀器設備的高度重視。目前國內高校十分重視實驗教學環境建設,例如擴大實驗室面積,配置先進的多媒體設備、網絡系統、個人計算機以及由專業廠商生產的儀器設備,而在自制實驗教學儀器設備方面投入卻略顯不足和滯后,缺少本校實踐教學特色,在一定程度上制約了實踐教學的改革與創新,也影響到了人才培養質量。中心堅持“一個中心、四個相結合”的教學理念,即以學生發展為中心,虛擬仿真與實物相接合、課內與課外相結合、教學與研究相結合、教學與創新創業教育相結合,站在學生4年時間的成長高度上,從基礎實驗、專業實驗到工程應用技術研究,進行頂層設計和整體規劃,主要包括:

(1) 加強理論與實踐融合、基礎實驗與專業實驗融合,促進理論知識、實驗技能向解決工程實際問題遷移、轉化和運用。

(2) 將教學成果與科研成果融合,全方位自制實驗教學設備,提供與企業實際工作相近的平臺[2],提升實驗教學水平和質量。

(3) 將實踐教學內容與創新創業教育融合,設計新的實踐訓練項目,培養學生創新創業意識和能力。

(4) 借助EDA技術和實驗技術創新,虛實融合、課內課外結合,解決實踐教學中的重點、疑難問題和工程應用技術問題。

2 科研型、工程性實驗箱研制

大學期間安排的各種實踐教學環節是學生工程實踐能力提高和創新創業意識形成的重要途徑。為了使學生走進企業和院所就能夠很快“上手”,既要考慮到每個實踐教學環節作用和成效,還要考慮到各環節技能的積累、沉淀、提升,同時也要給學生預留自由探索和創新創業實踐空間。這就意味著新的實驗箱設計將改變傳統意義上驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗這種自下而上的設計理念。現代電子產品中廣泛采用FPGA、ARM、DSP、MCU等技術,熟練掌握、應用這些技術將直接影響到學生今后的發展和價值取向。為了給學生提供與企業實際工作相近的研發平臺,中心教師在研制電子系統設計開發實驗箱時的主要工作:

(1) 采用FPGA和ARM 2種技術架構實驗箱多核心的硬件拓撲結構,學生可按照不同層次、不同實踐內容進行核心的選擇與更換。

(2) 遴選一些科技前沿、性能優越的元器件集成為模塊電路并作為實驗箱的外圍延伸,包括鍵盤類、顯示器類、模—數和模—數類、電機控制類、傳感器類以及接口數據通信類等共計25個模塊,同時還預留擴展、升級接口,具有“大電子類”實驗教學[3]特點。

(3) 采用總線技術和端口復用技術,以便充分利用實驗箱硬件電路資源。

(4) 自行設計、研發一些具有工程背景且涉及多方面理論知識與實踐技能應用的實踐項目[4],盡可能多地提供與企業相關的真實案例和實用技術。

圖1是中心教師研制的電子系統設計開發實驗箱。它采用現代工程設計技術規范,具有廠商開發的教學儀器的相同技術性能,與業界正在使用的開發工具兼容。該實驗箱的功能與設計包括基礎類系統設計、嵌入式類系統設計、進階類系統設計、綜合類系統設計和創新創業類系統設計,提供了配套的50余個實踐項目,可根據設計目標的大小和復雜程度[5],靈活性選擇。目前已經應用于我校的電子系統設計課程、畢業設計、研究生課程實踐以及電子設計大賽培訓等教學任務。

圖1 電子系統設計開發實驗箱

3 雙創型、導向性實驗教學原理樣機研制

“電子電路綜合實驗”這門課程是國內電子信息類專業必修的專業實踐環節,屬于課程設計、準畢業設計范疇[6]。通過本課程的學習,使學生能夠熟練運用硬件電路設計技術和軟件程序設計技術,構建并實現較為復雜的電子電路系統,以解決工程中遇到的實際問題。為了激發學生的內在學習動力,讓學生感覺到學有所用,中心教師將工程熱點問題和科研成果引入到綜合性實驗當中。通過研制實驗教學原理樣機,將實驗教學內容與創新創業教育內容有機融合[7],建立具有創新創業氛圍的實踐教學環境,以個性化評定和能力為本位的方式展現學生的成果,使其成為增強學生創新意識、實踐能力和創新創業能力的助推劑。研制實驗教學原理樣機時,中心教師主要做好了以下幾個方面的工作:

(1) 選題方面:涉及工程性熱點問題和工程前沿應用技術,充分考慮學生興趣、愛好及個性發展,能夠引發學生自主學習和從事創新創業活動的欲望。

(2) 內容方面:調整學生知識結構,打破數字和模擬、高頻和低頻、強電和弱電、硬件和軟件的界限,強化多學科交叉[8],拓展專業口徑。

(3) 設計方面:灌輸工程項目研發的整體思路,考慮學生已經掌握的知識、技能、水平和經驗。讓學生置身于工程項目研發環境中,研究解決具有先進技術支撐的工程應用問題,以全面提升學生工程素質、工程實踐能力和創新創業能力為重點。

(4) 考核方面:從選題、立項、設計再到研發、測試、技術文檔,了解掌握學生在完成整個項目過程中運用知識、技術、方法和創新創業意識等綜合素質達到的程度。

圖2是利用海洋深水信息接收系統的二次開發完成的1個原理樣機。目前中心教師已經研制出接口與數據通信技術、信號檢測與處理技術、控制原理技術、數字系統技術等6大類,共計18種原理樣機。這些教研成果較好地解決了國內高校的高水平創新創業教育教學問題。

圖2 可編程高增益帶通濾波器原理樣機

4 自主型、基礎性實驗學習板研制

電子電路系列課程中與工程設計、工程分析、工程應用相關的理論基礎大都是以單元電路作為單位知識點。過去,教師在課堂上講得多而引導得少,學生則在實驗中做得多而掌握得少,影響了實驗教學質量。為了讓學生更好地理解實驗,承接知識傳播,激發求知欲望[9],中心教師設計了2種類型的無線通信PCB實驗學習板,見表1。

表1 無線通信PCB實驗學習板列表

基礎設計型學習板是選自無線通信系統中最重要功能電路的設計、制作、調試和標定。學生要根據實驗的具體要求,首先進行電路設計與計算機仿真驗證,以便掌握各元器件與電路參數性能指標之間的關系；然后自擬實驗計劃和步驟,焊接電路板；接著制訂較為完整的電路參數與性能指標測試方案,通過電路板調試點采集實驗數據[10]；最后通過數據綜合分析得到合理有效的實驗結論。圖3是正弦波振蕩器PCB作品。

圖3 正弦波振蕩器PCB作品

綜合設計型學習板主要是無線通信系統中的發射機與接收機的設計與制作。讓學生掌握常用高頻電路和系統電路的設計、組裝、調試技能,增強學生的工程實踐能力,使學生能在調試的過程中分析和解決工程問題,培養學生能夠設計針對通信工程領域復雜工程問題的解決方案,滿足特定需求的系統、功能模塊,使學生具有一定的實驗數據整理分析及技術文件的撰寫能力。根據具體要求,學生須撰寫規范的預習報告、設計報告以及實驗總結報告,準確記錄和處理實驗數據,運用所學理論知識對實驗數據進行分析,剖析誤差來源,形成實驗結論。

5 取得的成效

幾年來,中心教師在“一個中心、四個相結合”的教學理念指導下,以創新創業能力培養為導向,積極推動產教研成果的轉化與應用。通過全方位自制實驗教學設備以及開發具有創新創業教育特色的實踐訓練項目,構建了從基礎實驗、專業實驗到工程應用技術研究的多層面、多維度實踐教學資源平臺,探索出一條適合創新型人才培養的實踐教學新路徑。主要成效表現在:

(1) 全面提高了教師的“四個融合”能力,突顯實驗教學特色和創新點。

(2) 為師生提供與企業相當的研發平臺、真實案例和實用技術,全面提高實驗教學水平和質量。

(3) 創新性解決了工程教育和創新創業教育中的重點和疑難問題,全面促進了教學內容、教學方法以及教學手段等方面的改革與創新[11-12]。

學生黃樂程的體會:“感覺做實驗就像做科研一樣,雖然經常遇到不順之事,但寶貴的經驗和教訓將會啟迪我的一生。教育本應該就是傳道授業解惑,這門實驗課將這6個字體現的淋漓盡致,其中不乏教師的悉心教導和嚴格要求。”

學生羅清雨的體會:“從課上可以看出教師嚴于律己、認真負責,周圍的很多同學都是迎難而上,刻苦認真,做事很有條理,要多學多看、見賢思齊。可以借鑒名師的經驗,先對整體把握、設計框圖,分模塊、單個調試、整體調試,科學有效解決問題。能碰到要求嚴格的教師是想不荒廢大學時間的學生的福氣。”

[1] 洪大用.在“雙一流”建設中大力加強本科人才培養[J].中國大學教學,2016(4):9-15.

[2] 樓建明,傅越千,安鵬,等.基于能力培養自制實驗儀器設備[J].實驗室研究與探索,2015,34(9):81-86.

[3] 成謝鋒,郭宇鋒,黃麗亞,等.大電子實驗教學平臺建設和教學方式的改革[J].實驗技術與管理,2015,32(9):164-167.

[4] 施曉秋,劉軍. “三位一體”課堂教學模式改革實踐[J]. 中國大學教學,2015(8):34-39.

[5] 李學海,孫群中,吳蓬勃,等.老舊單片機實驗箱的改造與升級[J].實驗室研究與探索,2014,33(7):83-87.

[6] 王革思,高敬鵬,康維新,等.適應創新創業教育的電子電路特色實踐教學研究與實踐[J].實驗技術與管理,2017,34(11):164-166.

[7] 劉艷,林相友,逯家輝,等. 改革實踐教學 推進創新創業教育[J]. 中國大學教學,2016(7):84-86.

[8] 王成華,胡仁杰.深化電工電子基礎課程教學改革 提升學生實踐創新能力[J].中國大學教學,2012(9):52-54.

[9] 葛世榮.實驗室功能：發現知識傳播知識(一)[J].實驗室研究與探索,2017,36(7):1-3.

[10] 徐偉杰,戴圣偉,肖剛毅,等.實驗設備自研在學生雙創能力培養中的實踐[J].實驗室研究與探索,2017,36(8):288-290.

[11] 鐘秉林,方芳. 一流本科教育是“雙一流”建設的重要內涵[J]. 中國大學教學,2016(4):4-8.

[12] 楊宏,李國輝.走自制實驗設備之路 促進實驗教學改革[J].實驗技術與管理,2013,30(1):225-227.