層次化電工電子實驗教學平臺建設思考與實踐

顧艷麗， 朱震華， 劉芫健， 肖 建， 劉曉艷

（南京郵電大學a.電子與光學工程學院、柔性電子（未來技術）學院；b.實驗室建設與管理處；c.集成電路科學與工程學院，南京 210023）

0 引言

2022年2月14日，教育部、財政部、國家發展改革委公布了《第二輪“雙一流”建設高校及建設學科名單》。“雙一流”是中共中央、國務院做出的重要戰略決策，旨在“以一流為目標，以學科為基礎”，推動高校建設，改革創新人才培養模式，提升中國高等教育綜合實力和國際競爭力，為實現“兩個一百年”奮斗目標和實現中華民族偉大復興的中國夢提供有力支撐［1］。建設世界一流大學和一流學科應堅持以改革為動力，確定優先發展學科領域，重構專業教育理念，創新人才培養模式。電工電子實驗教學平臺作為工科類、綜合類高校優先發展學科的基礎支撐，對創新人才的培養質量至關重要［2］。當前電子信息技術發展飛速，傳統電工電子實踐教學平臺已無法滿足人才培養需求，迫使高校實驗室建設改革緊跟時代步伐，保持教學內容和教學手段的先進性。實驗平臺作為實驗實踐教學的重要支撐，對學生工程能力的培養尤為重要［3］。

電工電子實驗作為大多數理工類專業學生需要學習的一門專業基礎課，在理工類高校的培養體系中非常重要，對于以“電子信息”為特色的工科院校尤為重要。如我校有70%以上的學生必修電工電子實驗課程，課程專業覆蓋面約占全校的60%以上。全國有如此多的理工科高校，如此多的理工科專業，電工電子實驗課程這樣一門非常重要的必修專業基礎課，面對如此巨大的教學需求和教學壓力，教學任務重，教學時間長，教學經費少。長期以來，高校電工電子實驗室普遍存在儀器設備超負荷運行，使用頻率高，但更新速度緩慢的現象，導致儀器設備落后、老化、損壞嚴重、維修困難，嚴重影響實驗正常教學［4-5］。如何保證實驗儀器設備和器件的良好運行，保證學生良好的實驗環境是高校電工電子實驗室面臨的第二大挑戰。

電子行業是個發展迅猛的行業，電子器件、電子設備和電子開發技術發展日新月異，傳統實驗教學平臺已無法滿足專業認證要求，無法滿足人才培養需求。我國的電子技術研發水平相比于發達國家還有一定的差距，我國電子技術未來的發展任務還很艱巨［6］。這迫使高校實驗室建設改革緊跟時代步伐，保持教學內容和教學手段的先進性。實驗平臺作為實驗實踐教學的重要支撐，對學生工程能力的培養極其重要。因此，如何在教學人數眾多、教學設備落后、教學內容滯后的情況下保證學生獲得先進的知識和技術是電工電子實驗教學面臨的第三大挑戰。

1 實驗教學平臺建設思路

本文提出層次化實驗教學平臺的建設思路，從優化硬件配置入手，在現有場地、設備、網絡系統、課程資源的基礎上，完成教學改革、建設智慧實驗室、配備口袋實驗系統、更新儀表和引進先進實驗器材等建設工作。將實驗教學平臺分為“基礎實驗教學平臺—綜合實踐教學平臺—創新競賽實踐平臺”三層次體系。

平臺秉承“強調學用結合，注重能力訓練，倡導創新拓展，培養創新人才”的實驗教學理念，通過線上與線下融合、課內與課外融合、理論與實驗融合的“三融合”改革舉措，達到提高學生綜合實踐能力，提升創新思維的目標［7］。層次化實驗教學平臺體系如圖1所示。

圖1 層次化實驗教學平臺體系

建設思路中聚焦層次化教學目標，搭建基礎實驗教學平臺、綜合實踐教學平臺和創新實踐競賽平臺，構建較為完善的實踐創新人才培養體系，以及相應的工程能力訓練和綜合能力培養條件與環境，在保障普通學生學有所獲的基礎上，讓少數能力突出的學生學有所成［8］。針對三個不同層次的平臺，重點進行平臺配置和平臺課程群兩方面的建設。

1.1 基礎實驗教學平臺建設

為了能讓大部分同學基礎實驗能力得到提升，基礎實驗平臺主要配備萬用表、示波器、函數信號發生器和直流穩壓電源等常用儀表，建設電工電子實驗基礎課程群，從初級入門實驗開始，實驗內容和難度逐步加深，培養學生實驗能力和基本電路設計能力，培養學生的工程實踐能力。把握實驗課程教學特點，按照一流課程“兩性一度”的要求打造基礎實驗課程群，加強課程思政教育建設，做好教材、視頻、項目等軟硬件的課程資源建設和在線開放課程建設。

1.2 綜合實踐教學平臺建設

為了培養學生設計開發能力，使用現代工具的能力，綜合實踐教學平臺主要配備中等性能的儀器設備，如高精度萬用表、高頻信號發生器等，適當補充各類開發板等有利于學生綜合實踐能力提高的器材，對應研究電工電子技術綜合課程群的建設，培養學生綜合性電路設計能力、電子設計自動化應用能力，提升解決工程問題的能力。課程群在課程內容、器件、軟件等各方面始終保持先進性，增加課題類型，提升課程質量。

1.3 創新競賽實踐平臺建設

為了綜合培養學生項目管理能力和終生學習的能力，促進學生個性化發展。創新競賽實踐平臺配備高端和專用的儀器設備，以及有助于學生創新能力發展的先進實驗器材，主要為復雜工程綜合性課程設計、電子設計競賽冬令營、夏令營等創新實踐性環節開設系統性實驗項目，支撐電子技術與創新課程教學群的研究，培養學生電子系統設計和創新能力。通過課外創新、學科競賽等，使學生的實踐能力、創新能力和解決復雜工程問題的能力得到進一步的提高。

通過對應三個層次的課程群建設，研究不同專業背景和知識基礎的學生特點，設置不同的實驗內容，并在實驗中引進新技術、新方法和新觀念，保持實驗教學先進性。引導老師及時將競賽經驗、科研結果和項目技術等充實進實驗教學全過程，激發學生學習熱情，完善學生知識體系。

2 實驗教學平臺硬件建設

2.1 建設智慧實驗室

智慧實驗室主要面對教師和學生兩類服務對象，以深化教改，提高質量為指導，以提高學生實踐能力和創新能力為目標，實現實驗室智能化、安全化和可視化管理，實現資源互聯共享［9］，基本結構如圖2 所示。智慧實驗室集信息化管理、基礎實驗教學、遠程智能實驗和翻轉課堂實驗、直播與錄播等功能于一體，突破實驗室時間和空間的限制，提高實驗室容量。信息化系統作為智慧實驗室中重要的軟件建設內容，具有全面管理的功能，功能模塊劃分如圖3 所示。學生依托平臺進行個性化、研究性學習，結合自身情況進行拓展實驗。智慧實驗室對學生的操作情況和實驗結果進行數據統計、智能分析、考核判斷等，實時反饋，提高教學效率［10-12］。智慧實驗室綠色環保、智能舒適，有效解決實驗空間緊張的挑戰，也便于及時更新，保持教學先進性。

圖2 智慧實驗室基本結構

圖3 信息化系統功能模塊劃分

2.2 配備口袋實驗系統

傳統實驗箱的實驗內容比較固定、通用性低，使用場地受限，缺乏開發創新，教學適用范圍窄，不利于教師教學拓展和學生能力拔高。口袋實驗系統集成多種儀器，配合各種模塊，可以隨時隨地完成多樣教學和實驗，且輕巧便捷，克服傳統實驗室內各種儀表和器材不便攜帶的困難［13-14］。建設中采用“自制+采購”相結合的方式，為學生配備口袋實驗系統，圖4 和圖5 分別為自制口袋實驗板和采購口袋實驗室實物照片。利用口袋實驗系統，可以實現實驗室內外互補教學和翻轉課堂等不同的教學形式，虛實貫通，實現全時空實驗的教學新模式。實驗室內使用實體儀表，實驗室外使用口袋實驗系統，兩種教學手段結合，適合多門實驗課程教學使用，有效緩解實驗室空間壓力，學生可獲得充分的實驗機會。口袋實驗系統還能緩解實驗室內儀器維護壓力，提高儀表使用壽命。口袋實驗系統是解決前兩個挑戰的有效措施。

圖4 自制口袋實驗板

圖5 采購口袋實驗室

2.3 提升儀表質量，引進先進器材

電工電子實驗是大部分工科高校的專業基礎課，學生人數多，教學內容多。電工電子實驗室在長期的教學使用中積累了大量的電子儀器儀表，這類儀器設備使用頻率高，工作時間長，損耗嚴重，資源短缺，面對飛速發展的電子技術，難以勝任新時代教學工作。因此，建設過程中在現有平臺基礎上，本著能用盡用的原則，加大平時維護保養力度，適當、合理地進行更新。同時，為了保持實驗教學的先進性，提高教師專業能力，保證學生有機會接觸到前沿的技術，提高學生的創新設計能力，引進合適的先進實驗設備和實驗器材很有必要［15］。

3 建設成效

通過一系列建設，三層次實驗教學平臺體系建設形成了特色鮮明，具有一定示范性、影響力、輻射力的高水平實驗實踐教學平臺。

（1）建設基礎實驗課程群。建設中堅持不拋棄、不放棄的原則，考慮各專業學生知識特征，進行基礎實驗教學平臺搭建。從實驗平臺的軟、硬件配置到相應課程內容、教學方式等各方面的選擇，都充分注重學生特點，減小實驗時空束縛，制定符合大部分學生培養需求的教學大綱和教學計劃，實現電工電子實驗知識的普及化教育，擴大受益面。并在平臺建設中，加強課程思政建設，形成課程思政素材庫。

目前基礎實驗平臺開設4 門基礎課程，面向全校70%的學生，平均每年承擔約60 萬人學時的教學工作。其中“電工電子實驗（二）”課程被評為江蘇省一流課程，“電工電子實驗”課程被評為校課程思政示范項目，“電工電子基礎實驗”教材被評為十三五江蘇省高等學校重點教材。開設在線開放課程兩門，錄制教學視頻105 個，視頻點擊量超過23.6 萬。

（2）建設與優化綜合性創新課程體系。研究面向綜合能力培養的理論、實踐課程設置，以及課程之間的關聯與支撐關系，改變現有教學中不適應創新型人才培養目標的傳統模式。綜合實踐教學平臺和創新實踐競賽平臺中，除開設專業基礎課程外，以綜合型、研究型和創新型實驗內容為主，逐次提升實驗設備性能和種類，全方位、多角度、跨學科培養學生運用現代工具的能力、解決實際問題的能力和電子綜合設計能力。

目前，綜合實踐教學平臺中開設的“電子電路課程設計”課程已有30 個固定實驗內容，并持續拓展開發。在近2年的實驗案例設計競賽中，參賽教師利用課程中的實驗內容共獲得省級以上獎項20 余項。課程教材“電子系統設計與實踐教程”被評為十三五江蘇省高等學校重點教材。

創新實踐競賽平臺主要開設創新類選修課，承擔各類電子類學科培訓和競賽，培養出較多的電子技術人才，在各類學科競賽中成績突出，曾獲得2017年“全國大學生電子設計競賽”最高獎“瑞薩杯”，在2021年“全國大學生電子設計競賽”中共奪得國家級一等獎、二等獎共10 項，一等獎獲獎數量列全國參賽高校第二名，省參賽高校第一名。圖6 為近10年學生獲得學科競賽省級以上獎項的人數統計，近3年獲獎人數上升較多，實驗平臺使用效果明顯。

圖6 近10年獲得學科競賽省級以上獎項的學生人數統計

（3）研發個性化、工程性實踐教學平臺。將課外創新能力培養的知識模塊劃分為基礎類和方向類兩大類。基礎類包含電子信息類課程創新訓練必需的基礎知識，方向類中包含有通信類、模擬類、嵌入式系統類與電力電子類4 個子方向，每個方向由多門課程構成，形成了針對性強的課程群。針對培養需求，自主研發多方向、內容豐富的個性化工程性實踐教學平臺，實現多個工程實踐能力培養教學模塊，配合實踐指導書和課外訓練內容，為形成循序漸進的工程能力培養體系打下堅實基礎，提高學生創新創業能力。

4 結語

吳巖在“鍛造中國金師”的講話中說道：“探索未來高等學校教育教學的‘新形態’的過程中，教育數字化是新的教育生產力。”電工電子實驗教學平臺在人才培養中具有重要的支撐功能，作為重要的基礎設施，也將有力提升教育生產力。層次化電工電子實驗教學平臺建設中加強頂層設計規劃，準確定位，科學布局，突出超前性和系統性，緊緊圍繞基礎、綜合、創新三個不同角度進行層層遞進式教學實踐平臺的搭建，打造了數字化、智能化、互聯化智慧實驗室，配備了口袋實驗系統，提升了實驗設備器材質量和先進性［16］。平臺建設堅持OBE理念，始終堅持以學生為中心，將培養創新創業人才作為建設目標，調整教學內容、教學方式方法，完善教學體系，優化教學設計，多學科交叉融合，突出學生主體地位，充分激發學生學習的積極主動性，提升實驗教師的創新意識和綜合素質。