“電子信息大類”第二課堂實踐創新能力培養體系的構建

劉 濤，楊藝敏

1.桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林，541004；2.桂林航天工業學院 電子信息與自動化學院，廣西 桂林 541004）

2017年2月教育部發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，以提升新時期工程人才培養質量。為此，培養造就多樣化、創新型卓越工程科技人才作為全國高校的重點工作而被更多關注，相關領域也成為研究熱點[1]。本研究從發明問題解決理論(TRIZ理論)出發，以電子電路類課程群為對象，對創新創業教育與電子電路類課程群教學案例建設中的融合問題進行研究，旨在構建“電子信息大類”第二課堂實踐創新能力培養體系，從而提升人才培養質量。

1 研究現狀

1.1 TRIZ理論與電子電路類課程融合的必要性

TRIZ是“發明問題解決理論”的俄文簡稱[3]。“電子信息大類”的專業基礎課可以分為電子電路類課程、信號處理類課程、計算機控制類課程等，其中電子電路類課程具有理論高深和實踐性強的特點，并且課程的實踐環節占的學時較多，學習起來有一定的難度[4]。TRIZ理論總結了創新的規律和方法，能將創新教育理論與具體的課程實踐教學環節相結合，因此，應用TRIZ理論對學生創新能力培養進行研究，這是探索開展創新教育的新途徑，將極大地調動學生的學習積極性并提高學習質量和效率。

1.2 電子電路類課程教學模式陳舊

電子電路類專業的基礎課有模電、數電、高頻電子技術等，這幾門課程都是包含理論學時和實驗學時。目前，傳統的教學模式，都是注重理論教學，實驗課時較少，并且很多開設的實驗基本上是以驗證內容為主，綜合設計的實驗內容相對較少。雖然現在很多理論課的授課方式也進行改進，采用線上線下相結合的方式，但仍然存在理論與實際脫節問題，因為電子電路類專業基礎課具有很強的理論性和實踐性。為深化教學改革和適應創新型應用型本科人才培養目標要求，將電子設計競賽和電子信息類專業基礎課融合，創新課程的教學方法和教學內容，培養學生的工程素質和綜合能力，還需進行不懈的改革與探索實踐。

1.3 電子設計競賽現狀分析

以2020年廣西區大學生電子設計競賽為例，競賽共分3個階段：第1階段為校內選拔賽，含10套賽題；第2階段為16省賽區聯賽，共包含7套本科組賽題；第3階段包含一個題目，為封閉式綜合測評，使用組委會提供的器件，設計并制作一個多波形發生器裝置。這些題目主要涉及的方向有通信類、信號類、控制類和電源類。通過參加比賽很多學生體會到沒有系統地掌握課程基本內容，當應用到設計項目時，才發現理論概念模糊不能將其轉化為實踐，使得設計缺乏系統性。

針對以上問題，以TRIZ理論為依據、以問題導向為出發點，結合專業創新創業教育和電子信息類課程群改革來推動第二課堂的實踐創新能力培養體系建設。針對不同體系(TRIZ理論體系、電子電路類課程群體系、學科競賽體系、創新創業體系)，充分融合電子競賽和TRIZ理論與電子電路類課程群的關系，達到優化教學內容，改革教學方法，完善考核機制的目的，培養學生靈活運用電子電路知識去分析和解決新興產業問題的能力。

2 第二課堂實踐創新能力培養體系的實施流程

本研究以TRIZ理論為基礎，以電子電路類課程群為支撐，構建第二課堂實踐創新能力培養體系，實施流程見圖1。針對現有“電子信息大類”培養體系中存在重現場輕共享、重理論輕實踐、重基礎輕創新、重知識輕應用等問題，在電子電路類教學課程中依托現有的網絡資源開放共享，創新課程內容，強化實踐教學，將電子設計競賽案例融入教學內容，提升創新能力，結合企業工程問題案例，提升學生的應用能力，打造電子電路類課程的共享平臺。

圖1 第二課堂實踐創新能力培養體系的構建

構建第二課堂實踐創新能力培養體系，要注重將競賽中實際科學技術問題融入教學中，以保持教學中學科的前沿性、教學內容的前瞻性，以便學生能夠更適應未來專業發展的需要，注重學生的實際動手能力指導，用實際工程問題的解決來增強學生的學習興趣，以調動學生學習的積極性。

3 建設學科競賽線上線下混合式微課堂

桂林電子科技大學作為廣西賽區承辦院校已有20余年，為了更好地推動競賽長期有效進行，將TRIZ理論融入競賽，推動廣西電子競賽線上線下混合式培訓平臺建設。

將TRIZ理論與競賽融合對指導教師提出更高的要求：不僅要有過硬的專業能力、更廣的知識面，還要對TRIZ理論有深入的研究和探索。因此，加強師資培訓，成立以TRIZ創新方法為內核的競賽指導團隊，結合企業需求，完成競賽賽題及企業真實項目案例難點問題的解決。

建立面向廣西全區的TRIZ理論基礎的公選課。授課內容以TRIZ解題流程為主線，采用自帶課題的方式將TRIZ理論體系中算法、工具、發明原理等知識點融入因果分析、功能分析等求解過程中，以增強解決實際問題的能力。

漓江學堂SPOC共享平臺將建立以競賽方向“通信類”“信號類”“電源類”“控制類”為導向的自主學習平臺及微課堂。課程采用的教學形式為課前慕課自主學習+漓江學堂平臺提供的理論結合實踐的課堂教學；學校為學生提供教師團隊自主研發的口袋實驗板，方便課后自主學習；教師團隊通過線上平臺對學生進行答疑，并定期進行集中性課程研討課堂，優化教學內容和教學方法。面向擬參加本年度學科競賽學生開放在線學習課程，進行模塊化培訓，指導教師團隊根據學生的競賽方向進行強化培訓，要求參賽學生每學期能實現指定功能的硬件模塊，并對其進行考核，從而選撥出優秀的種子選手。從提出問題到尋求解決方案，再結合電子設計競賽平臺和創新創業教育對電子電路類課程群進行課程整合重組，并以電子電路類課程群為支撐，構建并完善第二課堂實踐教學創新能力培養體系，面向整個廣西高校開放，對構筑“實踐創新基礎大平臺”做出貢獻。

4 以問題為導向的學科競賽推動電子電路類課程群建設

4.1 “模擬電子技術”+“數字電子技術”+“高頻電子技術”課程建設

在教學的全過程中引入TRIZ創新方法，采用FAST圖解法繪制功能模型圖進行授課，使創新方法得以實現，學生通過該方法的學習能與實際專業相對接，從而提升在專業課程學習過程中的創新能力。FAST 圖解法的流程見圖2。

圖2 FAST圖解法

將TRIZ理論引入現有的電子電路類課程中，都是為了提升學生的創新能力，這是一種有效的手段。高頻電子技術、模擬電子技術和數字電子技術的課程結合電子設計競賽，將TRIZ理論融合在一起進行課程建設。課程結合全國大學生電子設計競賽的無線通信題目，對信號源類、控制類等內容進行課程建設。在授課過程中，將競賽題目的設計指標和授課內容結合在一起進行講解分析，并結合實際電路圖進行設計。課后對學生進行分組，5人一組，自由組隊，共同完成任課教師布置的相關學科競賽題，并讓學生進行硬件制作和課題答辯，由其他學生和教師共同考核，然后將這部分成績作為平時成績的一部分。

以數字電子電路為例詳細講解TRIZ理論的應用。2020年廣西區大學生電子設計競賽第3階段綜合測評試題，使用提供的NE555(1片)、單穩態觸發器74LS123(1片)、四運放芯片LM324(1片)，以及電阻、電容、電位器、IN4148等進行設計。

學生領到任務后，按照任務單開始實施，任務實施清單見圖3。學生首先分析賽題原理，需要先產生5 kHz方波，然后通過倍頻器設計出10 kHz方波，對10 kHz方波經過濾波處理可以得到10 kHz正弦波，最后對正弦波經過波形變換可以得到余弦波。

其中基本實現步驟是“5 kHz方波”信號的產生。進一步，學生通過不斷分析如何實現這個功能，不斷問“為什么”“怎么實現”，最終確定5 kHz方波信號產生可以通過NE555電路構成的多諧振蕩器來實現。2倍頻器可以通過單穩態觸發器74LS123來實現，濾波電路通過選擇合適的電阻和電容來實現，波形變換通過LM324來實現。

圖3 波形發生器設計實施流程

形成初步的設計方案后，指導教師對學生的方案進行評價修正，并讓學生通過Multisum仿真軟件進行仿真，調試正確后則可以進入最終的設計方案，并進行硬件設計。如果仿真指標不能滿足條件，則對其進一步分析改進。

選擇合適的TRIZ創新方法對存在的問題進行分析改進，例如學生在設計中經常出現的問題為NE555構成的多諧振蕩器產生5 kHz方波的電阻R1、R2的阻值如何選取。硬件設計完成后，撰寫報告和總結。

采用TRIZ創新方法對存在的問題進行分析，學生在設計波形變換電路過程中的難點為正弦波如何變換成余弦波，改變電阻及電容構成的移相網絡即可實現波形的變換，但是要精確控制電阻電容的值將會帶來困難，進一步引導學生根據所描述的技術沖突，提煉出工程參數，通過查沖突矩陣表得到解決該問題的方法。通過學生分析、教師引導得到可行性解決方案：采用運放積分電路生成正交信號，并解決題目中余弦信號的問題，通過工程實踐設計幫助學生逐步了解自己的思維，克服思維慣性缺點，培養科學的應用能力。

5 具體實施方案

根據總體目標，依托廣西漓江學堂及中國大學MOOC建立網上競賽學習平臺，并將實驗教學案例引入教學中。組建以競賽為驅動的指導教師隊伍，劃分成“通信類”“信號類”“電源類”“控制類”4個方向，開展在線課程并建設線上競賽培訓平臺。課題類型見表1。

表1 線上課程開展課題類型

從競賽實施中提煉新的實驗教學案例，再將教學案例融入實驗教學中，強調從基礎到提升再到實驗案例改革。

以高頻電子電路為例，2019年國賽賽題“雙路語音同傳的無線收發系統”，題目要求設計制作一個雙路語音同傳的無線收發系統，實現在一個信道上同時傳輸兩路話音信號，載波頻率為48.5 MHz。分析其賽題難點在于能夠保證雙路語音無線傳輸的前提下，當載波頻率發生飄移后，能夠正確解調出信號，結合課程進行分解，詳見表2。

表2 競賽驅動下的高頻電子電路新型教學共享案例

以模擬電子電路為例，2019年國賽賽題“簡易電路特性測試儀”，設計并制作一個簡易電路特性測試儀。用來測量特定放大器電路的特性，進而判斷該放大器由于元器件變化而引起故障或變化的原因。該測試儀僅有一個輸入端口和一個輸出端口與特定放大器電路連接如圖4所示。分析其工作原理，該電路為模擬電子電路中經典的晶體三極管共射極基本放大電路，該課題硬件核心思路為利用外部其他電路。

圖4 特定放大器電路與電路特性測試儀連接圖

測量被測電路輸入輸出電阻、增益、幅頻特性，程序核心為采用快速傅里葉變換(FFT)，獲取正弦信號的幅值和相位。分析其賽題并結合課程進行分解，見表3。

表3 競賽驅動下的模擬電子電路新型實驗教學案例改革

以數字電子電路為例，2020年廣西區大學生電子設計競賽第3階段綜合測評試題，已提供的NE555(1片)、單穩態觸發器74LS123(1片)、四運放芯片LM324(1片)，以及電阻、電容、電位器、IN4148等，制作完成如圖5所示的波形功能。圖5中各輸出端負載電阻為20 KΩ，電源只能采用5 V單電源供電。

圖5 波形發生器功能

分析賽題原理，需要產生5 kHz方波、10 kHz方波、10 kHz正弦波和10 kHz余弦波。結合數字邏輯電路中課程與實驗教學進行分解，具體見表4。

表4 競賽驅動下的數字邏輯電路新型教學案例改革

6 結語

課題實施以后，以競賽題目為方向，建立以電子競賽為基礎的模塊化賽前訓練視頻庫，特點是視頻輕量級、易檢索、組合自由。極大地方便學生自主學習，也為教師后續眾多答疑減輕負擔，同時也可有效補充目前這類較稀缺的大學資源。本研究使桂林電子科技大學“電子信息大類”每年約有1 000余人受益，為持續推進廣西區大學生電子設計競賽做出了貢獻。此外，項目探索的共享資源特色建設和教學決策方式對于所有電類相關的基礎課，如模電、數電、信號、高電等實驗課程或其他線上線下混合課程都有很大的借鑒意義。