新工科電子技術實踐教學模式探索與實踐

榮海林， 徐向華， 姚福安

(山東大學 控制科學與工程學院， 山東 濟南250061)

0 引言

“電子技術基礎實驗”原本包括“模擬電子技術基礎實驗”，“數字電子技術基礎實驗”，“電子技術課程設計”和“全國大學生電子設計競賽培訓”等系列課程。在我校啟動的新一輪本科生培養計劃中，已將“模擬電子技術基礎實驗”和“數字電子技術基礎實驗”設為兩門獨立的課程。同時為了加強電子技術基礎課程的工程實踐，提高學生的綜合運用知識的能力，又開設了為期一周的“電子技術基礎課程設計”。此外，每年暑假期間利用暑期學校，開設“全國大學生電子設計競賽培訓”課程，組織并培訓學生參加全國大學生電子設計競賽。

傳統的電子技術實踐教學從教學方法和教學內容上已經不能適應新工科發展的需要。為了適應電子技術發展要求，加大電子技術實踐教學的改革力度，從改變傳統的實驗教學入手，從實驗教材的編訂、實驗室硬件平臺建設、實驗課程體系、實驗教學內容、實驗教學方法及手段等方面，逐步達到國內先進水平。構建了基礎、綜合、提高三個層次的實驗教學體系，突出了電子技術基礎實驗教學的基礎性、實踐性和先進性[1～2]。

1 電子技術實踐教學基礎實驗教學模式改革

基礎實驗是學生進入電子技術領域的入門階段，此階段的設計將大大影響學生對電子技術的認識。從改進實驗內容，編寫實驗教材，校企共建實驗室以及自制實驗教學設備等方面對基礎實驗教學進行改革與實踐。

1.1 建立“層次化，遞進式”的實驗教學體系

根據“電子技術基礎”課程的要求，加強理論課與實驗課之間的聯系，精選了實驗教學內容，做到經典與現代的融合，將實驗教學分成四個層次。

(1)基礎層實驗：該部分是學生初次進入電子技術學習所做的基本實驗，包括常用電子元器件及集成電路性能測試，常用電子電路的測量。目的在于加深學生對電子技術基本理論的理解，培養學生對電子技術實驗的興趣。

(2)設計層實驗：該層次將驗證性實驗轉變為設計性實驗。教師將實驗項目及要求提出來，讓學生自己設計實驗電路、實驗步驟、實驗方法，最后到實驗室進行安裝、調試，寫出實驗報告。目的是培養學生理論聯系實際的能力及書寫設計性實驗報告的能力。

(3)綜合設計層實驗：該層次要求學生利用常用器件，采用新的設計方法及手段設計完成綜合性較強的電子系統，要求學生熟練利用EDA(電子設計自動化)技術設計、分析電子電路，目的是培養學生綜合應用電子技術的能力。

(4)創新研究層實驗：對于理論知識扎實、動手能力強的學生，采用開放式教學方式，利用當下時興技術，應用到具體工程環節，培養學生獨立進行科學研究的素養，培養學生的合作精神，培養學生撰寫科技論文的能力。

1.2 制定滿足學生工程實踐能力鍛煉、創新型人才培養的教材

全面研究了國內外同類教材發展趨勢，編定了將知識、工程能力培養于一體的《電子技術實驗課程設計與仿真》實驗教材。該教材是參照教育部高等學校電子電氣基礎課程教學指導分委員會最新修訂的電子技術基礎實驗教學的基本要求編寫，其內容融入了作者多年從事電子技術理論教學、實踐教學及電子設計競賽活動的教學經驗及體會撰寫而成，滿足不同教學要求及教學對象的需要[3～5]。

1.3 搭建校企聯合、具有國際水平的實驗教學硬件平臺

要培養具有國際一流水平的本科生，實驗室必須具有國際水平的測試儀器、實驗技術。在電子技術基礎實驗室里全部配置了國際著名公司Aglent的DSO-2002A數字存儲示波器、DDS信號發生器等國際一流的實驗儀器；EDA(電子設計自動化)實驗室安裝了正版的國際流行的最新電子電路計算機輔助軟件NI公司的Multisim，并購置NI MyDAQ數據采集卡，學生可在任何時間任何地點進行電子技術實踐學習；電子設計創新實驗室與國際知名公司TI公司聯合成立了“山東大學—美國德州儀器大學生創新中心”，TI公司提供最新的MSP430和MSP432系列單片機，C2000等處理器，以及電源管理，AD/DA，運算放大器等集成芯片，供學生參加科技創新制作、電子設計競賽等創新活動。與Xilinx公司建立聯合實驗室，為學生提供最前沿的FPGA硬件及技術平臺。

1.4 自制訓練學生綜合素質及創新能力的實驗教學設備

傳統電子技術實驗裝置大多數功能簡單、實驗項目單一、綜合性差，難以完成對學生的設計能力、創新能力的訓練。為此，自制了一整套電子技術基礎實踐教學設備。

(1)開發研制了電子技術綜合實驗教學裝置這一實驗平臺，在該平臺上采用全開放式設計思路，可以完成“基本實驗”、“綜合實驗”和“設計實驗”等，為學生留有足夠多的實驗資源，能更好的激發學生的創造思維能力。

(2)自主制作了基于MyDAQ模擬電子技術基礎實驗平臺，該實驗平臺方便攜帶、可在任何時間，任何地點進行真實實驗。

(3)自行設計了基于MyDAQ的數字電子技術實驗平臺，主要解決的問題是電子技術的“虛擬仿真”不真實問題，實驗技術的軟件化問題等。真正做到“虛擬技術”與“硬件技術”相結合，提高學生的學習興趣。

(4)改革數字電子技術基礎實驗教學體系，探索自主式的實驗教學模式，將傳統實驗教學項目與FPGA融合，科學地構建了“以FPGA器件為基礎的數字電子技術基礎實驗平臺”，全面地提高學生學習數字電子技術的能力，使其在FPGA基礎上掌握先進的數字系統設計方法，培養解決復雜工程問題的能力。

這種根據學生實際需要自制的實驗教學裝置對培養學生的實踐創新能力起到了非常好的效果[6]。圖1所示為自制的基礎實驗教學設備。

圖1 自制基礎實驗教學設備

2 加強電子技術實踐教學綜合實踐實訓建設

為了積極落實“創新創業教育行動方案”，深化教育教學綜合改革，全面提升學生創新實踐能力，同時分階段檢驗學生專業知識的運用，提高學生理論與實踐相結合的能力，提升社會競爭力，面向本科二年級學生開展“學以致用”電工電子綜合設計比賽。大賽宗旨：與所學知識結合，所學即用；與生產實際結合，活學活用。比賽的形式為全開放式，要求根據比賽題目的內容進行設計并完成實物制作。比賽分層設置環節，要求呈現遞進式提高，知識能力遞進。比賽題目結合實際應用，有理論知識分析運用，又有實踐環節的實物制作。知識理解到分析運用再到實踐轉化，遞進式完成能力的提升。在比賽期間，堅持做“與你分享”答辯交流、“名師助我成長”專家講座、以及優秀作品展示，讓榜樣的力量指引學生前進的方向[7～8]，通過此類校內實訓，學生的學習積極性和熱情顯著提升。

3 課賽結合，打通創新型人才培養通道

電子技術實踐教學的目的是培養創新能力人才，學生能力的體現不能局限于課堂上或者校內，真正的實踐能力的檢驗應該放眼全國，同全國各大高校的學生“華山論劍”。

全國大學生電子設計競賽培訓基本目的是培養學生的創新能力，提高學生電子設計的興趣，加強工程實踐能力的訓練。依托學校電工電子創新教育平臺，對電子設計創新實驗室實行全方位開放式的教學，依靠電子設計競賽協會對實驗室進行管理。自2015年成立以來，電子設計協會發展迅速，大批熱愛電子設計與科創的學子聚集在這里，協會為電子設計愛好者打造了共同交流的廣闊平臺，為電子設計初學者開拓了一條掌握電子設計基礎能力的開闊渠道，為全國大學生電子設計競賽打造了一方儲備人才的希望基地。

為了滿足學生對電賽培訓的需求，實驗室為學生們配備了充足的常用的電子元器件，各種測量儀器以及常用電子模塊。教學模式采用理論與實踐結合、討論與交流互動等靈活的教學方法進行。近年來，電子設計競賽培訓實驗室為了應對各種不同的題目，專門制作了多個常用的電設模塊，比如電源升降壓模塊，在此基礎上可實現恒流源的設計；濾波器模塊，可實現高通濾波，低通濾波；儀表放大器模塊；有效值轉換模塊；運算放大器模塊等等。模塊化教學一直是電子設計競賽培訓的教學模式，有了這些基礎模塊，學生可以更快更好地學習單元知識，進一步將單元累加成一個完整的系統[9～11]。

賽后和同學們溝通，大家普遍反映，電子設計競賽考驗的是同學們一個總的實踐能力，從硬件電路設計、模塊化調試到CPU選擇、程序編寫、調試，作品的組裝等等，是綜合能力的培養，完全符合創新型人才培養要求，對學生以后學習研究和入職工作都很有幫助[12～15]。近年來電子設計競賽取得的成績如表1所示，2018年獲得全國大學生電子設計競賽模擬電子系統設計邀請賽TI杯。

4 實施成效

基于創新型人才培養的電子技術實踐教學模式以現代實踐教學教育理念為指導，以培養創新型人才、提高本科生綜合素質為目標，經過有效的組織實施，取得了豐碩的成果。

表1 近年來電子設計競賽取得成績

全面提高了電子技術實驗教學質量，培養了大批的高素質優秀人才。每年都有多名學生被保研到清華、中科院、交大、浙大、北航等名牌大學。

自主設計開發的“基于MyDAQ模擬電子技術基礎實驗平臺”、“基于MyDAQ的數字電子技術實驗平臺”，在全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽獲獎，在校內取得良好的應用效果，并被山東中醫藥大學，山東農業工程學院等高校引用。

自制基礎實驗教學設備獲獎讓書如圖2所示。

圖2 自制基礎實驗教學設備獲獎證書

建設了一支高水平的教師隊伍，使青年教師的教學能力迅速提高，承擔了多項省、校級教研課題，實驗室管理與研究項目，實驗室建設項目。

多年開展全國大學生電子設計競賽，覆蓋了學校濟南校區，青島校區以及威海校區，控制學院，電氣學院，機械學院，能動學院，微電子學院等眾多工科學院，打通了校區之間以及學科之間的隔閡，使得所有電子設計愛好者都能投入其中，從中學到真本領。

5 結語

基于創新型人才培養的電子技術實踐教學模式改革從基礎實驗入手，培養學生的學習熱情；到參加電子技術實踐實訓，鍛煉學生工程實踐動手能力；最后到全國大學生電子設計競賽，同全國學生一起角逐，對于學生創新能力培養起到強有力助推。內容廣泛，影響寬廣，改革思路符合新工科的新結構、新質量、新理念、新體系、新模式，對培養學生工程實踐創新能力，具備國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才，起到了極其重要的促進作用。