基于五位一體的電子技術(shù)系列實驗課程建設(shè)

肖 平，肖 軍，張 瑩，楊 華，楊 楠，尹光明

（東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819）

0 引言

電子技術(shù)系列實驗課程依托于我校國家級電子實驗教學(xué)示范平臺，是工科專業(yè)學(xué)生必修的公共基礎(chǔ)實驗課程。該系列實驗課程的內(nèi)容主要涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)及EDA 技術(shù)，是工科專業(yè)學(xué)生在電子信息相關(guān)領(lǐng)域必須掌握的基礎(chǔ)實驗實踐能力。因此，電子技術(shù)系列實驗課程是工科專業(yè)在實踐育人環(huán)節(jié)中的重要支撐課程。

近幾年，我校首批開設(shè)了機器人工程、工業(yè)智能、智能制造、未來技術(shù)工業(yè)智能等“新工科”專業(yè)。與此同時，傳統(tǒng)的自動化、電氣工程等老專業(yè)也在不斷調(diào)整培養(yǎng)計劃以適應(yīng)國家戰(zhàn)略與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展需求。調(diào)整后的專業(yè)培養(yǎng)計劃對電子技術(shù)系列實驗課程在基礎(chǔ)實踐和創(chuàng)新能力培養(yǎng)制定了更明確的課程目標(biāo)。

傳統(tǒng)電子技術(shù)系列實驗課程受課程設(shè)置、教學(xué)模式及實驗設(shè)備的影響，存在教學(xué)設(shè)計目標(biāo)導(dǎo)向不足，學(xué)生創(chuàng)新意識及自主能力薄弱，實驗教學(xué)資源及實驗時間不足等問題，已不能與新的課程目標(biāo)相匹配［1］。

因此，自“十三五”電子國家級實驗教學(xué)改革及示范工程建設(shè)以來，為了發(fā)揮電子技術(shù)系列實驗課程在實踐育人中的主體基礎(chǔ)支撐作用，達成課程目標(biāo)，系列實驗課程在信息化監(jiān)控及管理、線上課程建設(shè)、實驗教學(xué)評價及內(nèi)容設(shè)計等進行了深入建設(shè)與研究。

1 電子技術(shù)系列實驗課程概況

電子技術(shù)系列實驗課程為獨立設(shè)課，現(xiàn)階段面向自動化、電氣工程及其自動化、測控技術(shù)與儀器、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)，基本情況見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，系列實驗課程每年可接納700 余名在校本科生開展實驗學(xué)習(xí)。

表1 電子技術(shù)系列實驗課程基本情況

2 電子技術(shù)系列實驗課程建設(shè)規(guī)劃

電子技術(shù)系列實驗課程區(qū)別于理論課程，其建設(shè)除了涉及課程內(nèi)容，還需考慮實驗設(shè)備、教學(xué)模式等。因此，系列實驗課程圍繞實驗教學(xué)的全流程，在信息技術(shù)、教學(xué)設(shè)計、思政育人、遠(yuǎn)程平臺以及人才培養(yǎng)方面重新制定了“五位一體”的建設(shè)規(guī)劃，見圖1。

圖1 電子技術(shù)系列實驗課程總體規(guī)劃建設(shè)

（1）堅持信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的核心理念，以信息化產(chǎn)業(yè)技術(shù)為支撐，發(fā)揮智能監(jiān)管及監(jiān)控平臺在實驗教學(xué)過程中的主體作用，建立學(xué)情分析及課程反饋渠道，進而實現(xiàn)教學(xué)相長的目的。

（2）完善和規(guī)范實驗教學(xué)全流程，明確課程目標(biāo)，推進基于產(chǎn)出式學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計，規(guī)范實驗教學(xué)要求和考核評價，加強系列實驗課程內(nèi)容的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，推進數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，加快配套實驗平臺的升級及改造，全面深化高質(zhì)量實驗課程的建設(shè)，落實“以本為本，四個回歸”在實驗教學(xué)的主體地位［2］。

（3）加強實驗思政課程建設(shè)，充分挖掘所授內(nèi)容的研究背景、科學(xué)意義、研究目的以及社會價值，以潤物無聲的方式，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷、專業(yè)使命、責(zé)任擔(dān)當(dāng)與創(chuàng)新熱情［3］。

（4）加快遠(yuǎn)程輔助教學(xué)實驗平臺建設(shè)，讓學(xué)習(xí)者能夠通過遠(yuǎn)程平臺真實還原實驗現(xiàn)場，延長學(xué)習(xí)者的實驗時間，進而實現(xiàn)系列實驗課程的共享共用［4］。

（5）建立健全創(chuàng)新應(yīng)用型人才培養(yǎng)機制，為人才提供良好的實驗環(huán)境，提升實驗項目的挑戰(zhàn)度，鼓勵人才之間的互相協(xié)助，支持人才在技術(shù)創(chuàng)新方面的應(yīng)用。

3 電子技術(shù)系列實驗課程實施內(nèi)容

3.1 實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)

實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)是專為電子技術(shù)系列實驗課程開發(fā)的一款教輔系統(tǒng)，將系統(tǒng)安裝在計算機上即可使用。監(jiān)管系統(tǒng)是由預(yù)習(xí)檢測、在線實驗、實驗總結(jié)及學(xué)情分析4 個核心功能組成，并在閉環(huán)型實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中發(fā)揮監(jiān)管學(xué)生自主學(xué)習(xí)的作用［5-7］。實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)

預(yù)習(xí)檢測由教師在課前發(fā)布，學(xué)生端接收到預(yù)習(xí)任務(wù)后，在系統(tǒng)中下載預(yù)習(xí)資料和視頻，完成預(yù)習(xí)試題。預(yù)習(xí)合格后，方可進入實驗室。預(yù)習(xí)檢測環(huán)節(jié)具有防作弊功能，預(yù)習(xí)檢測時間結(jié)束后才可查看錯題情況。

學(xué)生進入實驗室后，登錄實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)開展在線實驗。由于電子技術(shù)系列實驗課程測量數(shù)據(jù)均為電信號，電信號能夠通過電子測量設(shè)備與實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸［5-7］。學(xué)生在實驗室利用實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)進行在線實驗情況見圖3。

在線實驗環(huán)節(jié)中，獲取的電信號數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)測點的形式呈現(xiàn)在系統(tǒng)頁面上。在線實驗界面如圖4所示。教師根據(jù)實驗流程設(shè)置監(jiān)測點，并設(shè)置數(shù)據(jù)誤差范圍。學(xué)生按照實驗流程，通過系統(tǒng)實時獲取監(jiān)測點數(shù)據(jù)，直至完成實驗內(nèi)容。在出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)時，多數(shù)學(xué)生能夠主動分析并解決問題，直至獲取正確數(shù)據(jù)。通過設(shè)置監(jiān)測點的方式，使系統(tǒng)在一定程度上監(jiān)管學(xué)生的自主實驗。

圖4 實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)在線實驗界面

在線實驗完成后，學(xué)生通過實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)填寫實驗報告。教師可根據(jù)實驗報告中，實驗內(nèi)容設(shè)置數(shù)據(jù)截圖模塊、數(shù)據(jù)表格模塊、文本模塊。

系統(tǒng)根據(jù)學(xué)情大數(shù)據(jù)針對各階段實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，推送相關(guān)數(shù)據(jù)信息［9］，進行學(xué)情分析。實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)可分析各階段學(xué)生提交的錯誤與正確率，試錯情況及耗時情況等。根據(jù)系統(tǒng)反饋的分析結(jié)果，教師對課程內(nèi)容進行動態(tài)調(diào)整。學(xué)情分析結(jié)果見圖5。

圖5 實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)學(xué)情分析

3.2 線上實驗課程

線上實驗課程是電子技術(shù)系列實驗課程的輔助教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過計算機或手機端訪問網(wǎng)絡(luò)地址，即可觀看實驗課程的相關(guān)視頻。通過線上實驗課程，能夠更高效地幫助學(xué)生進行課前的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備工作，提高課中的實驗學(xué)習(xí)效果。

電子技術(shù)系列實驗課程已在中國大學(xué)慕課平臺上發(fā)布“電工電子技術(shù)實驗（數(shù)字電子部分）”及“電工電子技術(shù)實驗（模擬電子部分）”2 門線上課程，并在“電工電子實驗”微信公眾號以及實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)中同步發(fā)布相關(guān)教學(xué)視頻。學(xué)生可以任意選擇線上平臺，觀看線上實驗課程資源進行實驗預(yù)習(xí)。

3.3 基于OBE教學(xué)模式的實驗教學(xué)設(shè)計

OBE教學(xué)模式是一種基于產(chǎn)出式學(xué)習(xí)的教育模式，其核心內(nèi)容是強調(diào)在教學(xué)過程中注意學(xué)生所能取得學(xué)習(xí)成果的形式、學(xué)習(xí)的現(xiàn)實意義以及取得這些學(xué)習(xí)成果的有效途徑等［10-11］。

因此，電子技術(shù)系列實驗課程在OBE教學(xué)理念的指導(dǎo)下，重新定位了各專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系，明確實驗課程產(chǎn)出式總學(xué)習(xí)指標(biāo)，進而規(guī)范實驗課程教學(xué)要求和考核評價標(biāo)準(zhǔn)，開展“基礎(chǔ)＋擴展＋提升”的階梯式實驗項目內(nèi)容設(shè)計，已達到產(chǎn)出式學(xué)習(xí)的預(yù)期效果。

在規(guī)范的實驗課程教學(xué)要求框架下，電子技術(shù)系列實驗課程再將產(chǎn)出式學(xué)習(xí)指標(biāo)對應(yīng)到實驗項目中。以測控技術(shù)與儀器專業(yè)“模擬電子學(xué)實驗”課程為例，介紹基于OBE教學(xué)模式的“波形轉(zhuǎn)換電路”實驗項目設(shè)計，見表2。

表2 基于OBE教學(xué)模式的“波形轉(zhuǎn)換電路”實驗項目設(shè)計

“波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計”實驗項目中，通過階梯式的課程設(shè)計，使每個學(xué)生都能夠完成實驗內(nèi)容，獲得產(chǎn)出式學(xué)習(xí)成果。只是部分學(xué)生通過“提升”內(nèi)容，能夠認(rèn)識到在較高頻率下運算放大器增益帶寬積、壓擺率等參數(shù)對電路設(shè)計的影響，產(chǎn)出深度學(xué)習(xí)成果，滿足了學(xué)生的創(chuàng)新需求。

基于OBE教學(xué)模式的實驗教學(xué)課程，簡單的“預(yù)習(xí)＋實驗過程＋實驗報告”考核評價方式已經(jīng)不能合理量化學(xué)生的實踐能力和綜合素質(zhì)［12］。因此，電子技術(shù)系列實驗課程根據(jù)基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型和創(chuàng)新驅(qū)動型實驗項目的設(shè)置，重新制定與產(chǎn)出式教育模式相匹配的細(xì)化分級的規(guī)范化考核標(biāo)準(zhǔn)。

隨著實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)的深入推進，線上考核方式更能夠客觀真實地評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。因此，電子技術(shù)系列課程的考核評價方式也從線下考核轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬€上＋線下”的混合考核［13］。學(xué)生以小組形式進行考核如圖6 所示。具體規(guī)范化考核評價標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 電子技術(shù)系列實驗課程考核評價標(biāo)準(zhǔn)

3.4 培育實驗思政課程

思政育人建設(shè)將思想政治教育元素融入實驗項目設(shè)計，潛移默化地對學(xué)生的思想意識、行為舉止產(chǎn)生影響［14］。電子技術(shù)系列實驗課程以“國際熱點”“身邊人”和“身邊事”為核心元素，將家國情懷、專業(yè)使命、責(zé)任擔(dān)當(dāng)與創(chuàng)新熱情融入實驗設(shè)計中，制作了“課程思政”專題，編寫了基于“課程思政”的實驗教學(xué)大綱。以“電工電子技術(shù)實驗（數(shù)字電子部分）”為例，介紹基于實驗項目的思政案例，見表4。

表4 基于實驗項目的思政案例

4 電子技術(shù)系列實驗課程建設(shè)成效

自“十三五”電子國家級實驗教學(xué)改革及示范工程建設(shè)以來，在電子技術(shù)系列實驗課程建設(shè)規(guī)劃的指導(dǎo)下，各項改革內(nèi)容得到初步落實，現(xiàn)已出版“十一五”國家規(guī)劃教材2 本“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)（第5版）”實驗教程、“電路與電子學(xué)（第5 版）實驗教程”，新形態(tài)教材1 本“電工學(xué)實驗教程”。

2020年，電工電子技術(shù)實驗（數(shù)字電子部分）被評為遼寧省線下一流課程；2022 年，電工電子技術(shù)實驗（模擬電子部分）被評為遼寧省線下一流課程。

5 結(jié)語

電子技術(shù)系列實驗課程為了發(fā)揮在實踐育人中的主體基礎(chǔ)支撐作用，達成新的課程目標(biāo)，重新制定了基于五位一體的建設(shè)規(guī)劃方案，明確了系列實驗課程的建設(shè)方向，建設(shè)了實驗教學(xué)智能監(jiān)管系統(tǒng)，推進了基于OBE教學(xué)模式在實驗教學(xué)中的應(yīng)用，培育了實驗思政課程等，并顯著提高了系列實驗課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，普遍提升了學(xué)生的自主實踐能力和綜合素質(zhì)，重點滿足了創(chuàng)新應(yīng)用型人才的需求［15-16］。但由于建設(shè)周期不足等原因，遠(yuǎn)程平臺仍正在實施中。后續(xù)建成后，電子技術(shù)系列實驗課程將全面實現(xiàn)基于五位一體的建設(shè)規(guī)劃。