電子信息類創新人才基礎能力提升與啟發式教學實踐

袁東明 史曉東 孫丹丹

摘? 要：通過電子工藝實習課程的教學改革與研究，探索電子信息類創新人才的基礎實踐能力的提升。在教學理念、教學方法、教學內容、課程評價和教學裝置等多方面進行課程整體設計，全面提升學生的動手能力、工程素質和創新意識，為培養電子信息類創新人才積極探索。

關鍵詞：電子工藝實習；創新人才；實踐教學；教學改革；啟發式教學

中圖分類號：C961? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）25-0164-04

Abstract： Through the teaching reform and research of Electronic Technology Exercitation， this paper explores the improvement of the basic practical ability of innovative talents in electronic information，carries out the overall design of the course in many aspects such as teaching philosophy， teaching methods， teaching content， course evaluation， teaching devices， etc.， comprehensively improves students' practical ability， engineering quality and innovation consciousness， and actively explores the cultivation of innovative talents in electronic information.

Keywords： Electronic Technology Exercitation; innovative talents; practical teaching; teaching reform; heuristic teaching

實踐教學在電子信息類專業學生的培養過程中具有非常重要的作用，通過實踐教學可以培養學生的動手能力、觀察能力、分析問題和解決問題的能力，是創新意識和工程素質培養中必不可少的一環。特別是在“新工科”和工程教育專業認證等背景下，如何激發學生的好奇心、如何引領學生探索未知的領域是高校電子信息類人才培養過程中面臨的一個亟待解決的問題。電子工藝實習課程（以下簡稱“本課程”）主要面向電子信息類專業的學生，針對基礎階段學生的知識結構和能力水平，以工程訓練為基礎、能力提升為核心、創新培養為重點，通過引入前沿技術，激發學生對未知領域的好奇心，提高學習興趣，發掘學生潛能，為今后的進一步學習和工作打下基礎。同時課程通過啟發式教學，化難為簡，仔細設計教學過程中的各個關鍵環節，達到全員參與、重點提高、合作協同，實現學生能力的提升。

一? 電子信息類創新人才培養的需求和實踐能力提升

電子信息類涵蓋的專業范圍很廣，包括電子信息工程、電子科學與技術、通信工程、光電信息科學與工程及信息工程等。電子信息類人才培養應該遵循電子信息產業發展規律，根據國家發展、社會需求、高校人才培養目標確定培養方向，緊跟行業技術發展的新趨勢及新動向，培養專業基礎扎實、知識結構全面、實踐經驗豐富、創新思維突出和能夠解決復雜工程問題的高素質人才。電子信息類創新人才的培養內容涉及電路與系統、微電子學、電子科學、電磁場與微波技術、計算機科學與光電子及光信息處理等多方面知識板塊。學生主要學習電子信息科學的基本理論和技術，接受科學實驗與科學思維的訓練，具有本學科及跨學科的應用研究與技術開發的基本能力。培養過程中應堅持夯實基礎，拓展能力，注重新知識和高新技術的引入，使學生具有深厚的數理基礎和寬廣的知識領域，既能從事較高層次的研究工作，又能適應和滿足國家信息產業高速發展和民眾高質量便捷電子信息服務的需要。

實踐教學是一個循序漸進的過程，可以分為以下幾個層次和階段。基礎的物理類觀察驗證實驗和電子類設計驗證實驗作為第一階段，讓學生了解操作規程，學習實驗現象的觀察和數據的記錄分析及處理，驗證理論教學知識點。這個階段偏重基礎，因此，實驗內容比較獨立，相對單一，重點在于復現經典理論，培養操作規范。第二階段是綜合設計實踐，包括電子電路綜合實驗、數字系統設計實驗、電子工藝實習等實踐課程都屬于這一階段，主要是讓學生能夠掌握系統的概念，融合多個學科知識點，達到承上啟下的作用，為第三階段的高年級專業實踐類課程奠定良好基礎，同時進一步支持第四階段，也是本科階段最重要的實踐環節——本科畢業設計。由此可見，實踐教學是一個引導學生由淺入深、逐步分析問題、解決問題的過程，是電子信息類創新人才培養過程中一個非常重要的環節，要達到通過實踐教學提升學生的工程實踐能力和創新意識，就需要不斷優化與完善實踐教學體系、不斷改進和提升教學方法及不斷更新和改革教學內容。

二? 電子工藝實習教學實踐改革

電子工藝實習整個實驗過程是一個相對完整的工程實踐項目，每個環節都體現出對學生的基礎實踐能力、創新能力、交流表達能力和團隊合作精神等綜合素質的培養。課程通過完成一個電子產品的焊接、組裝、調試，初步培養學生具備系統的概念，掌握多種軟硬件工具的使用，從單元模塊到綜合系統，從單一學科知識到多學科融合，電子工藝實習起到了非常重要的銜接作用。但是傳統的電子工藝實習課程內容單一，教學模式和方法相對固化，成績評定往往只看結果，教學裝置老舊，學生很難進行創新和深入研究，因此針對以上問題，我們通過長期的探索和研究，從教學內容、教學方法、教學裝置等多方面對該課程進行了持續改進，取得了良好的教學效果。

（一）? 精心設置教學環節，教學理念創新，教學方法多樣

電子工藝實習是以工藝性和實踐性為主的實踐教學課程，是高等學校電子信息類相關專業工程訓練的重要內容，因此本課程設計了電路焊接、產品組裝、軟件編程、硬件調試、外觀設計、交流答辯和報告撰寫等多個教學環節，全方位提升學生的能力。

課程遵循“授人以魚，更要授人以漁”的啟發式教學理念，以此指導各個教學環節的設計和實施。教學模式從“以教為中心”向“以學為中心”轉變，教學方法從“灌輸式”向“互動式、探究式”轉變，教師的角色從“知識傳播者”向“引導者”轉變，最終實現學生從“被動學習”向“主動學習”的轉變。在教學方法上采取教師講授、分組討論、翻轉課堂等多種方式（各教學環節采用的教學方法見表1），提高學生的參與度，培養學生積極鉆研、自主研究的學習習慣。通過集中理論授課，介紹基礎原理，激發學生好奇心；通過提供全套基礎解決方案，使學生能夠盡快入門，具有成就感；通過個性化要求，使得有能力的學生進一步思考、研究，達到融會貫通。除了傳統的實驗室面對面教學指導，課程采用雨課堂、騰訊會議等網絡授課模式，為學生提供更多學習的時間和空間，同時還利用QQ群、微信群等對學生進行網絡輔導與答疑。在教學過程中以學生為中心，學生在教學過程中占據主導地位，教師作為教學輔助，采用多種互動模式，注重啟發式教學，對學生進行引領，使學生明白做什么、為什么做和怎么做，不斷加強學生的理解，實現整體能力的提升。

（二）? 教學內容上不斷引入新的知識點，有效組合、整體設計

傳統的電子工藝實習課程以組裝調頻調幅收音機、黑白電視機作為主要內容，主要訓練焊接和基本電路調試能力，從學生反饋來看，學習內容與實際工作、創新需求等相差較遠，并且對于低年級的同學來說，理解電路的工作原理有難度，整體教學效果不是很明顯。為了解決這些問題，我們對該課程的教學內容進行了改革和創新，從國家發展、社會需求、人才培養三個方面考慮教學內容的設計和實施，基本思路是結合各種新型傳感器和現代通信技術及自動化控制技術，根據大部分學生的實際學習情況，從傳統電子產品組裝實踐教學轉向機電一體化自動控制類實踐教學，既重視學生的焊接、組裝、電路調試等基本能力培訓，同時不斷引入新技術、新知識，注重創新能力的培養。

在教學內容上，采用機電一體化智能小車作為新的實踐教學主體，以單片機作為處理平臺，設計多種先進的傳感器（紅外、超聲波、陀螺儀、加速度計和霍爾測速等），并且引導學生自主研究倒立擺基礎知識、陀螺儀/加速度計基本工作原理、角度測量基本原理、平衡控制的基本PID算法和濾波算法等。從傳統的焊接+裝配轉為焊接+原理+算法+裝配+程序，進一步開闊學生眼界，激發學生學習興趣，實現了多學科知識的交叉融合，擴展學生知識面。通過紅外循跡、超聲波避障、兩輪平衡車等應用場景設計，強調產品的設計與實現，提高了學生的工程素質和創新意識。

（三）? 教學過程中引入合作和競爭，評價體系兼顧整體，突出優秀

合理的課程評價體系能夠充分、有效地調動學生學習的積極性，本課程通過多元化的課程評價方式引導學生參與教學的各個環節，逐步完成課程的各項學習目標。課程采用過程評價、基本功能實測評價、開放式設計評價和競賽評價等分層次評價體系，引入合作和競爭機制，實現了全面參與、突出優秀的教學目標。

本課程在教學實施過程中，按照兩人一組進行自由組合，每人都要獨立完成基礎焊接工作，合作組裝、調試智能小車，獨立撰寫實驗報告，分工合作、任務明確，在完成課程任務的過程中培養學生的團隊精神，并鍛煉領導、協作和交流能力。另外課程還增加了外觀設計這樣彰顯個性的環節，使得每個學生的作品都是獨一無二的（圖1）。

在驗收考核環節，除了基本的電路驗收和交流答辯，還增加了比賽環節，從設計理念、行進速度和穩定性、外觀工藝設計等多方面進行綜合評分。比賽從班內到年級進行層層選拔，決出多種獎項，并頒發獎品。這些不僅增強了課程的趣味性，同時很好地調動了學生們的學習熱情、鉆研精神、創新能力，給學生更多的發揮空間，從而實現因材施教，既讓大多數同學能夠達到基本要求，又能讓優秀同學脫穎而出的目的。

（四）? 自主研制全套教學裝置、講義及完整的控制代碼

教學裝置不同于普通電子產品，完全依賴外部采購不能滿足快速變化的教學和技術需求，必須緊密結合課程上的使用反饋進行持續改進，要根據學生的實際情況和教師的技術儲備循序推進，在保證教學質量和教學效果的前提下，實現教學裝置的逐步升級換代。本課程從2012年起開始自主研制相關實驗裝置，在多年的教學實踐中持續演進、迭代，根據學生實驗過程中遇到的問題不斷優化設計，使之能夠更好地滿足教學需求。

2012年，我們在課程中采用了自主研制的基于51單片機的智能小車（圖2），通過單片機和不同傳感器的控制，可以實現小車自動循跡和走迷宮等功能。2016年，對單片機核心板進行了升級，采用基于ARM的STM32F103RCT6芯片，并增加了陀螺儀和加速度傳感器，在課程中創新采用了智能平衡車（圖3），之后不斷提升核心控制板功能和電機驅動模塊性能，并增加藍牙控制模塊，設計相應的手機APP，實現手機和智能平衡車之間的藍牙連接和控制，使教學工作能夠緊密結合新技術、新器件的發展。

實驗裝置不僅要滿足教學需求，還要從可靠性、經濟性、可更換性等各個方面進行綜合考慮。例如，電機驅動模塊這一易損部件，在設計過程中我們前后測試了十幾種電路，不斷降低驅動損壞率。對于供電模塊，我們將鋰電池供電改為充電寶供電，更加環保安全。這些改進不僅提升了教學裝置的穩定性和創新性，也在潛移默化中讓學生了解了電子產品的開發流程，在產品的設計和開發過程中充分考慮技術、用戶體驗、環境及社會效應等各種因素，培養工程技術素養和社會責任感。

另外課程根據教學裝置和教學內容編寫了詳細的教學講義，從焊接、組裝、原理、算法和實現等多方面講解課程內容，同時編寫了完整的基礎控制代碼，便于學生快速理解原理和上手實踐，并可以自主進行優化創新。

三? 結束語

經過多年教學實踐，電子工藝實習課程從教學內容、教學方法、教學形式和教學裝置等多方面都已逐步完善，形成了一套完整的、能夠反映實踐教學基本規律、具有創新性、實用性和推廣性的實踐教學方案。在教學反饋和評價環節，學生廣泛認為“課程將知識與實踐充分結合，具有很強的趣味性與挑戰性”“能夠學以致用，學會如何利用已有的各種資源”“收獲了獨立自主思考、團隊協作、與他人有效溝通交流的能力”“動手能力得到了提升，激發了對于新知識新領域的濃厚興趣”“了解到了自動化、電子、計算機方向的各種知識，體會到各學科的交叉融合”……通過學生的感受，可以看到課程對學生多方面能力的培養起到了積極的啟發引導作用，這也契合了工程教育專業認證要求中所提出的畢業生要達到的各種能力培養要求，即解決復雜工程問題能力、設計實驗并得出結論的能力、綜合考慮人文社會環境等因素的能力、使用現代工程工具的能力、遵守工程職業道德和規范、在團隊中承擔和履行責任的能力及有效溝通和交流等多方面的綜合素質需求。

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