對工科人才的多路徑創新教育

樊 華， 謝華江， 馬珊珊， 謝實夢， Nathalie Sheridan

（1.電子科技大學電子科學與工程學院，成都610054；2.格拉斯哥大學教育學院，蘇格蘭格拉斯哥G12 8QQ）

0 引 言

在物聯網（IoT）快速發展的大潮中，高校迎來了2000年后出生的新生，這些新生被稱為“移動互聯網（數字）原住民”。現在的大學生在計算機和互聯網包圍的時代下成長，社交網絡、智能手機已經成為他們生活中不可分割的部分。傳統的教學模式已不再適合當今時代的教育。隨著物聯網的發展，教育理念不斷更新，變得更加包容和平等，為所有人帶來終身學習的機會［1-2］。以學生為中心的教育和教學的改革已成為不同國家高等教育研究的核心問題。學生是課程的直接使用者和受益者，高校要確保課程質量的內涵變得極具挑戰性，先進性和創新性，這就要求高校的教育教學不僅要注重理論知識，還要緊跟時代發展的需求，提高學生的適應能力和實踐能力，增強學生的專業素質，使學生一旦從學校畢業后，具備獨立工作的能力，并迅速適應企業的實際工作需要。隨著科學技術在全球范圍內跨學科交融，技術集成和人文滲透的發展趨勢，只有加強知識，能力和意識的協調發展，才能提高工程師未來的核心競爭力［3-6］。

為了盡可能地達成上述目標和要求，線上和線下混合教學法已成為當今教學改革的趨勢。教學活動將更多地通過課外時間進行交流討論，更多時間將花費在課外活動，例如高水平的討論和現場實驗；師生將獲得更大的教學彈性，學生也可以通過多種途徑獲得知識；虛擬實驗室的引入也使學生獲取知識的場所有更多的可能。通過這種混合教學模式，結合現代教學方法，可以大大提高學生的學習興趣［7-9］。

1 引入反思性教學

1.1 背 景

在2013年9月，筆者以一位新教師的身份為大一學生講授“電子電路基礎”這門課程。大部分新進教師起初都只是機械地將課本內容灌輸給學生［10-11］，不能夠突破教科書的局限性。我校對年輕老師的授課有嚴格的監督方案，教育專家經常不打招呼地出現在新教師的課堂上，學生在期末對授課老師也要評教。該年度的評教結果都認為筆者采用的是傳統以教師為中心的策略，旨在向學生灌輸信息。正如世界權威的教育專著《教授如何成長為老師》［12］一書中對教師成長過程所詳細描述的那樣，教師的成長分為5個階段（第1個階段（self）：當教師剛開始他們的教學生涯，教師關注的是他們在課堂中的作用；第2個階段（subject）：教師對他們所教授課程的認知；第3個階段前半部分（student）：學生對知識的吸收程度；第3個階段后半部分（student as receptive）：幫助學生增加對知識的理解；第4個階段（student as active）：提高學生應用知識的能力；第5個階段（student as independent）：學生獨立自學）。顯然，筆者作為成長中的老師仍屬第1階段。

1.2 從自我到主觀的轉變

幸運的是，我校的整體教學環境對新教師的自我提升提供了良好的氛圍。在與格拉斯哥大學合作后，引入了反思性教學理念。此外，英國高等教育教學的專業標準框架（UKPSF）也開始得到采用。該標準框架的提出主要是為了幫助從事教學的工作者能持續得到進步，得到專業化的指導，促進個人和教學機構對教學方法質量提高的認可度。整個標準框架分為3個部分，每一個部分的內容都有詳細的描述和詮釋，分別用字母以及數字標明并分類，如圖1所示。

圖1 英國高等教育教學的專業標準UKPSF框架內容

在我校與格拉斯哥大學合作中，由格拉斯哥大學教育學院的老師親自對我校的新教師進行一對一指導。Nathalie Sheridan老師擔任了筆者的導師，在英藉老師的指導下，筆者收集了大量相關教學材料和視頻，以提高教學能力（見圖2中的A5，K1），通過從教學專家的視頻中進行學習，筆者開始考慮如何培養學生的獨立思考和創新能力。而在過去的幾年中，越來越多地使用虛擬學習環境進一步提高學生的自主能力（見圖2中的A2，K4）［13］。下面的案例將闡述如何從“自我”過渡到“主觀”的整個過程［12］。

1.2.1 類比思維訓練

工程教育不僅強調解決問題的能力（“怎么做？”）［14］，還強調深入思考能力：“做什么？”和“為什么？”［15］，這是為了幫助學生通過多種角度來考慮問題，并使學生具有跨學科和跨系統的思想。世間萬物是相輔相成相互聯系的，所以可以啟發學生從日常生活中的啟示來解決電路問題。例如，可以將多級放大器的零漂移與電路的“蝴蝶效應”進行比擬。零點漂移意味著第1級的微弱漂移將被多級放大器連續放大，最終使得有用信號被淹沒，而“蝴蝶效應”通常用來強調微小事件帶來的巨大影響。因此，將零點漂移類比為“蝴蝶效應”會在很大程度上激發學生的興趣。

為了抑制零點漂移，每兩級之間插入一個電容可以阻止零點漂移的逐級傳遞，這可以與生活中的垃圾分類進行比較，所有這些方法實際上都屬于圖2中的“分隔原理”。除了插入電容來抑制零點漂移外，差分放大器也是抑制零點漂移的另一種常用方法，它實質上是兩個相同的單級放大器（如同復制）的組合，“復制原理”在現實生活中也很普遍，如圖3所示。

圖2 分隔原理抑制零點漂移

圖3 復制原理抑制零點漂移

1.2.2 探究與小組教學法

在教學過程中，當講授放大器的組成這一章節時，傳統的教學方法是直接給出如圖4所示的放大器電路，并詳細闡述基本放大器的工作原理。而現在，在導師Nathalie Sheridan的指導下，筆者嘗試從“以教師為中心”轉變為“以學生為中心”［16］，結合了探究和小組教學方法，要求學生以小組為單位，基于放大器的特性和三極管的基本工作條件（見圖1中的K3，V1），按步驟設計一個基本的放大器，整個流程如圖5所示。課堂氣氛非常融洽，學生們進行了熱烈討論，通過互幫互助解決了問題。同時有一些平時比較內斂的學生也開始積極參與討論。在課堂結束時進行的小測驗表明，大多數學生已經對放大器的設計提出了自己的想法，而在之前，他們只能分析一些簡單的放大器，這給老師留下了深刻的印象（見圖1中的V3，K5）。經過反思，深感課堂教學的前奏就像音樂的“序曲”和戲劇的“序幕”［17］，具有激發情緒，集中學生注意力，滲透主題并起到融入情境的作用（見圖1中的A4，K4）［10］。從受控源引入放大電路，并將“電路分析”的知識靈活地植入到“模擬電路”中，可以有效地整合前后的知識。此外，正如Mills等［18］所描述的那樣：“小組教學對學生和他們的老師都可以帶來巨大的回報。”而實際上小組教學的確能使學生參與思考和深度學習課程內容。

圖4 放大器電路

圖5 探究式教學中放大器組成

總之，“反思性教學”要求教師自覺地將自己的課堂教學實踐納入全面而深入的思考，真正帶動教學水平的不斷進步。這是一種能提高自己的能力并改善教學實踐的方法，不斷深入地思考自己的教育經驗，積極探索和解決教育實踐中的一系列問題，進一步充實自己，優化教學，最終使自己逐漸成為合格的大學教師。

基于以上數據可知，各地區尾水導流工程實際尾水導流量均未達到工程設計規模，各地區導流工程效益未完全發揮。而尾水導流規模未達到設計規模的原因主要在于各地區管網建設等配套設施未健全，部分污水未完全收集。隨著經濟的發展，經濟總量不斷上升，單位面積經濟增量顯著增加導致的污染物持續增多，將對沿線生態環境產生較大的壓力。如果不能合理收集、處理污水，輸水干線水質將受影響。

2 科研項目轉化為實驗教學

通常，科學研究是促進工科教育發展的有效方法。筆者根據科研領域“高精度數據轉換器設計”［28］，設計了一個有關“模數轉換器（ADC）性能測量”的實驗。該實驗要求學生使用Altium Designer軟件設計PCB，以測試由ADC芯片的性能。PCB制造的生產周期通常為2周。最后當PCB準備就緒時，學生必須完成PCB設計和焊接。對學生來說，最困難的部分是使用多個商用芯片、電阻器、電容器和其他分立元件來設置參考電壓緩沖器，以穩定PCB上ADC的參考電壓。在此過程中，應鼓勵學生搜索商業芯片的參數手冊，例如模擬器件（ADI），德州儀器（TI），凌力爾特，MAXIM等，并選擇合適的電源，參考電壓和運算放大器芯片。然后學生登錄官方網站申請免費芯片樣品。接著，根據廠商提供的封裝，學生開始使用Altium Designer軟件設計PCB。PCB的具體焊接設計示例如圖6所示。輸入信號由模擬信號發生器（Standford research DS360）提供，則ADC的輸出代碼由邏輯分析儀（Agilent 16823A）收集。如圖7所示，Agilent 33120A用于生成高性能系統時鐘信號，而電源由Agilent E3631A提供。總之，“模數轉換器（ADC）性能測量”工程的目標實踐首先是培養學生使用Altium Designer增強PCB設計的能力，以便學生可以焊接一些簡單的組件，掌握焊接的基本技術和技能。這種工程實踐不僅包含理論知識，而且還包含工程實踐，是將教科書知識融入實踐的有效途徑。

圖6 PCB焊接的設計實例

圖7 ADC測試

3 建設虛擬實驗室

虛擬實驗室的概念最早由弗吉尼亞大學的William Wull教授于1989年提出。他認為虛擬實驗室是由研究人員基于電子，網絡，交互式，人工環境而創建的。如圖8所示，教師和學生都使用虛擬實驗室的平臺來實現雙向交互式實驗教學的目的。在該系統中，師生是實驗的主要對象，包括老師布置課前準備任務，回答學生的問題，交流討論學生之間的問題以及學生獨立進行實驗。

圖8 虛擬實驗室平臺

虛擬實驗室是一種不受限制實驗室。學生和老師可以隨時隨地進行實驗，從而可以無限制地開放和共享信息資源。虛擬實驗室具有傳統實驗室所沒有的許多優勢。①全方位的教學方法有助于取得良好的教學效果。傳統實驗室受主觀的空間和技術限制，并且不能讓每個學生在正式實驗前都能聽到或清楚地觀看老師的實驗演示。虛擬實驗室使每個學生都能清楚地觀察測量原理和操作步驟。此外，學生可以在網絡終端上自由預覽和操作課前實驗，而沒有時間和空間的限制，這大大加深了學生對實驗原理的理解。教師可以根據課程要求獨立設計新的實驗計劃，鼓勵學生從不同角度挑戰，激發學習者的興趣，增強自主學習能力，培養合作創新意識。②先進的技術提高了學生的學習興趣。由于資金和人員的限制，高等院校中的許多設備無法及時更新。過時的設備和測量儀器極大地挫敗了學生進行實驗的興趣和熱情。虛擬實驗室的組件庫可以快速更新，并與時俱進，從而可使學生學到最新科學技術，并大大增強學習的主動性。③維護成本低，安全性和可擴展性好。虛擬實驗室使用軟件來模擬真實的實驗場景，在使用和維護方面相對便宜。唯一需要做的就是通過網絡和程序管理和維護虛擬儀器，而不會浪費站點和管理的成本。由于操作不當或其他原因，學生可能會在實際實驗室中無意中損壞昂貴的設備。學生顯然無法負擔價值數萬甚至數百萬美元的設備，并且學校很難應對此類問題。對于此類具有高風險因素（例如爆炸物或有毒物質）的實驗，虛擬實驗室允許進行方便且安全的實驗。但是，虛擬實驗室也存在許多問題，這些問題的確不能忽視。由于理想的測量設備與真實的測量設備之間的差異，學生在面對非理想因素時可能無法處理。大量的互聯網信息充斥其中，無法有效處理這些可能導致學生脫離目標主題和干擾科學研究的目的。

建立虛擬實驗室的方法有很多。通常的方法是使用軟件來模擬真實的硬件功能。當前國內虛擬實驗室中最常用的軟件有：Flash，VRML（虛擬現實建模語言），Quick Time VR（Quick Time虛擬現實），LabVIEW和MOOC。麻省理工學院于1980年代開始建立Weblab在線實驗室，而猶他州立大學將Matlab與LabVIEW相結合，以開發在線電磁兼容（EMC）課程。我校將軟件ElvisLab（電子虛擬學生實驗室）作為過去3年的教學模擬平臺，該軟件已在帕維亞大學（意大利）首先使用了幾年。與上述軟件相比，ElvisLab似乎更靈活，這是因為它可以輕松訪問統一資源定位器（URL）而且并不需要復雜的安裝步驟。使用者可以選擇任意的章節和課題，其中配備了所有實驗指南和測量儀器。ElvisLab是電子電路基礎課程的輔助工具。在課堂上學習了模塊化知識之后，學生可以通過與小組成員或老師的互動來找出問題，并利用理論指導ElvisLab中的相應實驗，從而加深對知識的理解。

以下是ElvisLab中的實驗示例。運算放大器是所有模擬電路系統的主要組件。它通常用于反饋環路，并且是各種電路（例如放大器，濾波器，解調器，采樣和轉換電路）中最重要的組件，這些電路可提供穩定且理想的增益以實現低噪聲性能。每個學生都應該對運算放大器有透徹的理解，并能夠靈活運用所學知識。ElvisLab軟件允許驗證帶寬和擺率的范圍。零極點，相位閾度（PM），增益帶寬乘積（GBW）和擺率（SR）是運算放大器最重要的參數，但它們也是最抽象的部分，學生總是會零極點很難理解。圖9所示的實驗允許學生驗證模擬電路高速工作時，實際運算放大器的實際性能受到哪些限制。選擇正弦輸入波是研究帶寬限制的最佳選擇，而方波是研究擺率的最佳選擇。提到的兩個參數都取決于偏置電流。因此，學生可以更改控制板上的偏置電流。通過這樣的實驗，學生可以加深對運算放大器主要局限性的理解，這有利于學生在集成電路設計中快速有效地選擇合適的參數來實現所需的功能。

圖9 運算放大器的實驗

4 校企合作創新課程

為了緊跟時代前進的步伐年輕一代的教育建設形勢，自2018年3月起來，我校進行轉型，從各個角度調整對學生的教育。建立了一種“三全育人”的模式并將其付諸實踐。作為試點，電子科學與工程學院已經在工程認知，工程培訓和工程研究3個階段建立了一支由全體教職工、全過程、全方位的教育和培訓系統，以滿足集成電路產業的發展的需求。從2018年5月開始，學校創新性地開設了校企合作的集成IC實驗課程，該課程將行業的實際需求與學校培訓計劃緊密結合在一起，有效地增強了學生的專業素養和學習使命感。例如，“SOC（片上系統）驗證方法”的校企課程已培訓了大量學生。該班的老師是聯發科無線聯通業務部的研發總經理。由于豐富的案例和從淺到深的教學方法，得到了同學們的高度評價。

此外，2018年9月開設了一個集成的IC實驗課程，該課程完全針對行業的需求在校園內培訓階段而整合了所有實驗課程。參照集成電路產業鏈的布局，將分散在幾個學期的實驗課程合并在了一起，包括關于物理、器件、IC設計、封裝和測試等的完整知識結構鏈。它可以提高教學內容的連貫性，使學生能夠全面掌握知識的應用。學生們總體上對此實驗課程表示滿意。這些課程幫助學生更系統地學習知識，提高他們解決問題和獨立思考的能力，從而使學生對IC行業有更好的了解。

學院秉承“工程與國際化”培養的理念，根據“三個一”項目的課程特點，培養學生的工科素質，調整和優化課程體系，增強教學內容的時代感、針對性和適應性。“三個一”項目即學生進行為期一年的工程實踐教育，完成一條龍IC綜合實驗，實現一次芯片流片。其中1年工程實踐教育時間分散在4年的學習期間，第1年到企業考察，第2年在校實踐學習，第3～4年企業實習的方式。目的是提高學生的工程能力，培養高素質的集成電路工程人才。在學校的領導下，在聯合對外合作辦公室、校友辦公室和學生部的努力下，學院與30多家公司和研究機構簽署了聯合培訓實習協議，如Media Technology Co.、四川宏威電子科技有限公司、上海微系統與信息技術研究所等。為了加強學院與成都華為電子技術有限公司在生產、教育和研究、人員培訓、資源共享等領域的合作，華為邀請學院師生于2018年6月到該公司進行調查和研究。企業為學生提供一定數量的職位，使其可以在暑假期間進行短期實習，并在半年之內進行長期實習。通過實際項目的實踐，學生鞏固了專業基礎知識，增強了行業認知度，通過實習和聯合培訓，促進了我國集成電路人才培訓和行業的發展。為了更好地總結實習經驗，提高實習效果，實習結束后，將根據學生在公司的表現對企業導師進行評分。此外，學生應完成實習總結報告，大學專業教師將對報告進行審查和評分。最終，學生將以小組的形式介紹實習期間遇到的問題和獲得的收獲。學校相關單位為學生組和企業組布置實習反饋調查表，以總結實習的經驗和不足，并為后續實習提供數據支持。

對于新生來說，學校以創新的方式將新的教育課程融入實際的企業場景。每個新生都有機會參加由全國著名的半導體公司舉辦的“集成電路企業半日游”活動。通過對企業車間的現場調研，學生可以觀察電路設計和設備制造的過程，并與集成電路行業建立起更緊密地聯系。這樣一來，學生們將可以更好地了解IC行業的現狀，并降低他們剛剛進入大學時對專業的困惑感。此外，每個新生都配備了著名IC公司經驗豐富的CEO或高級工程師為班主任。學生可以全面了解企業，并與企業導師交流以了解行業發展，工作氛圍，興趣愛好等內容。

學校還經常邀請國內外眾多知名企業家與學生分享行業最新動態。例如，一些首席執行官還帶來公司開發的最新半導體晶圓，供學生觀看和學習，這可以拓寬學生的視野，使學生對看似離我們很遙遠的集成電路行業有更加直觀的了解。

5 建設國際化平臺

自2011年以來，我校已將國際化確定為學校的3個“核心戰略”之一。學校通過合作教育，聯合培訓，出國學習，各種短期交流和雙學位發展計劃為學生提供了一個出國平臺來感受不一樣的世界。國際化平臺為學生提供了一個接觸國際技術前沿的窗口。學校教師積極開展國際合作項目，已經簽署了近20個國際交流項目和聯合培訓項目，例如與耶魯大學的國際研究項目，與麻省理工學院（MIT）、阿卜杜拉國王科技大學聯合舉辦集成電路暑期學校。同時，我校還與格拉斯哥大學和瑞典皇家理工學院合作，積極穩妥地推進海外校園與學校相關合作點的建立。

對于外國留學生的培養，學院進行了一系列針對留學生課程的教學改革。課程和學生學習效果評估中增加了更多的國際元素。例如，在面向留學生的電子電路基礎課程中，特別提出了一種用于小班討論的交互式教學模式，學生與老師積極討論。中國傳統教育視教師為權威，這導致師生之間缺乏精神交流和人文關懷。考慮到國際平等交流的概念，建立了這種互動式教學模型，使每個外國學生都有機會參與問題的討論。這種互動式的講授、討論、分享和思考的教學模式，鼓勵學生表達自己，與他人交流和加強團隊合作，旨在激發學生尋求知識和探索精神的動力。它可以提高學生的獨立思考能力，批判性思維能力和創新思維能力，有利于增強教師與外國留學生之間的感情。外國留學生可以更快地融入中國大家庭，消除陌生感，提高學習效率。此外，除了在課堂上進行討論外，學院還安排了研究生助教，為本科生提供一對一的輔導。當外國學生在課后學習過程中遇到問題時，他們可以及時求助于助教。

6 教學成果

近年來，電子科技大學一直在致力于推進本科工科教育，努力發揮教師的科研專長，通過工科教育改革提高學生的創新精神和實踐能力，并在教學改革中取得了一定成績。在“2015～2019年全國普通高校學科競賽排行榜（本科）”中，我校以425個獎項、總分97.57位居全國第4，在理工類院校中排名全國第2。2018年，我校獲得國家教學成果一等獎1個和二等獎4個，其中3個項目被教育部批準為首批新的工程研究和實踐項目。同時學校新工程的建設被選為四川省教育改革設計發展與創新的典型案例。

2019年3月的英國工程技術學院（IET）專業認證反饋會議上，專家組一致確認并建議，由我校和英國格拉斯哥大學聯合贊助的電子信息（中外合作教育）（電子信息工程）專業在2018～2022年期間獲得了IET專業認證，5年認證期限是IET專業認證最長的時間，該評估也是西南地區中外合作辦學的高校首次獲得該權威行業認證。

7 結 語

為了深化工科教育的教學改革，構建科學合理的工科教學計劃。我校采取了有效合理的課程教學改革以提高學生的學習效率；利用創新的科研訓練項目來提高學生的工程實踐能力與協作能力；此外還建立了虛擬實驗室，以提高學生的自主學習能力和培養他們的創造想象力；最后多路徑課程使學生能夠緊跟行業的先進技術，而建設國際化平臺則為學生提供了拓寬視野，體驗不同文化之間碰撞的機會。