新工科背景下“綜合電子設計”層次化實驗教學探索

摘要：“綜合電子設計”實驗教學的改革，旨在提高學生靈活運用知識的能力和工程創新能力，以滿足“新工科”人才培養要求。運用層次化教學思想，優化實驗項目布局，基于新技術和行業背景開發新型實驗項目，改革教學手段，構建形成了“基礎—設計—綜合”層次遞進的實驗教學體系。教學過程實現了由基礎理論向工程應用的引渡，激發了學生的學習興趣，促進了學生知識能力的復合發展。實踐表明，學生的動手能力和創新能力顯著提高，取得了令人滿意的教學效果。

關鍵詞：新工科;綜合電子設計;層次化實驗教學;綜合創新實驗

中圖分類號：G712" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1672-5727（2024）02-0076-05

一、引言

“新工科”是教育部為應對新一輪科技與產業變革、提升人才綜合競爭力而提出的工程教育改革方向^[1-4]，其核心理念是將工程教育與現代科技和社會需求有機結合，以“交叉、融合、自主、創新”為主線，旨在培養德才兼備的工科專業卓越復合型技術人才，以應對未來挑戰^[5-6]。此舉既符合國家發展戰略，又與國際工程教育認證理念一脈相承。

“綜合電子設計”是中國民航大學面向自動化、電子信息專業工程教育改革試點班開設的一類重要實驗課，包括電路電子綜合設計與仿真（I、II）和信息傳輸與處理，涵蓋基礎電路、模擬電路、數字電路、高頻電路、單片機等多門課程。課程實驗性、綜合性、應用性強，承擔著培養學生電子設計技術基礎知識、實驗技能和工程創新能力的重要功能，在專業人才培養過程中發揮著不可替代的作用^[7]。然而，在實際教學過程中，教學項目相對獨立，項目間缺乏密切的聯系和融合，限制了學生靈活運用知識的能力提升。同時，實驗內容有待更新，缺乏體現學科交叉、新技術應用及民航行業需求的工程實踐項目案例，創新和拓展空間有限。

為應對科技發展和行業需求，解決原有課程教學中存在的問題，以重基礎、強應用、適應行業需求、提升工程綜合素養為主要目標，課題組對“綜合電子設計”實驗教學進行了改革探索。改革過程中，根據學科間知識交叉點，優化設計實驗教學內容，著力加強實驗項目間的關聯度;深入挖掘與民航行業需求緊密聯系的電子設計實驗教學內容，并開發綜合性創新型實驗教學項目，以提升項目的創新性和挑戰性;形成了“基礎—設計—綜合”層次遞進的實驗教學體系，促進學生知識與能力的復合發展，提高綜合知識運用及工程實踐能力，以滿足“新工科”人才培養要求。

二、層次化實驗教學體系設計

（一）教學設計思路

“綜合電子設計”是涵蓋多個學科交叉融合的新興課程，在基礎知識和專業知識向實際應用過渡中承擔著重要的橋梁作用^[8]。在教學設計階段，應考慮課程特點，設計針對不同學科的單元實驗，并注重學科間、知識點間的內在邏輯聯系，構建完整的實驗體系，以促進不同學科知識的結合與貫通。

層次化實驗教學是依據學習目標，按照難度和復雜性設置一系列實驗任務，完成整個教學過程^[9]。每階段的實驗均建立在前一階段學習的基礎之上，通過逐步深入的實驗設計，使學生在探究和解決問題的過程中逐步積累知識和技能^[10]。本研究針對“綜合電子設計”類課程的教學要求及原有實驗教學過程中存在的問題，采用層次化教學思想，并借鑒國內外電類實驗教學改革經驗，對“綜合電子設計”實驗教學進行了全新設計。

在教學設計過程中，根據教學目標梳理實驗教學內容，優化基礎型實驗項目，確保關鍵知識點全覆蓋。同時，結合新技術發展、行業應用需求和學科知識點，開發設計型、綜合型實驗項目，構建“基礎—設計—綜合”的立體化教學體系，具體教學設計思路如圖1所示。通過這種不斷深入式的教學方式，實現了教學由基礎理論向工程應用的引渡，對激發學生的學習興趣，培養工程創新能力，實現知識、能力等綜合素養的全面提升具有促進作用^[11]。

（二）教學內容設計

課題組通過課程改革，對教學內容進行了分層設計和實施，以確保學生在實驗過程中能夠循序漸進、由淺入深地學習和探索電子設計知識。

1.基礎型實驗項目

基礎型實驗項目分為驗證性和演示性兩類實驗，側重于學生對電子技術相關基礎理論的掌握、知識點的鞏固理解，以及基本實驗技能和操作方法的學習。具體實驗項目如表1所示。

每個項目均對應課程中的一個核心知識點，學生按照操作步驟完成實驗內容，觀察并分析實驗現象，得出實驗結論。通過基礎實驗項目，學生能夠深刻理解綜合電子系統設計的相關理論，為快速將所學知識應用于實際場景，以及進一步的學習打下堅實基礎。

2.設計型實驗項目

設計型實驗項目建立在基礎型實驗基礎上，著重強調對知識的綜合應用。學生需根據項目要求運用多個基礎知識點，完成簡單電子系統的設計，并達到預期的技術指標。在此過程中，學生不僅鞏固了基礎理論，還能將所學知識有機結合并應用于實際情境中，解決實際問題。設計型項目對學生理解電子設計知識體系之間的關聯，提高知識的交叉應用能力具有顯著作用;同時也能夠激發學生的學習興趣，增強學習的主動性和積極性。具體設計項目如表2所示。

3.綜合型實驗項目

綜合型實驗項目是對設計型實驗項目的延伸，針對上階段實驗任務中的小型電子系統給出不同應用場景和相關技術指標，學生需團隊協作，運用工程思維進行需求分析，提出詳細設計方案，力求創新、完善電子系統并測試驗證，以滿足具體場景的應用要求。具體實驗項目如表3所示。

綜合創新型項目相較于設計型項目更高級、更復雜。學生在項目設計過程中不僅需要運用課程相關知識，還需要綜合應用機械、材料等多個領域的知識，以及人工智能、數字云、3D打印、虛擬仿真等新技術來解決工程應用問題。綜合創新項目能夠培養學生的創造力和解決現實世界復雜工程問題的能力。此外，還有助于促進課程與競賽之間的聯動，實現教學與科研的互補。

（三）教學模式設計

在創新設計教學內容的同時，課題組依托ELVIS虛擬儀器平臺、數字化教學資源、線上線下仿真工具、液態金屬打印機等打造了立體化學習空間。針對不同類型項目采用差異化教學方式，構建了多元化混合式實驗教學模式，旨在激發學生主動學習和創新精神，培養解決復雜工程問題的綜合能力。

基礎型實驗項目教學階段，課前，學生通過線上線下仿真軟件和數字化教學資源進行預習，以提高課堂教學效果;課中，學生在實驗室完成學習內容。設計型項目教學階段，項目開始前，教師通過網絡發布實驗任務，學生自行組隊認領任務;課上，在教師指導下，學生以小組為單位通過多輪討論并利用仿真設計工具形成設計方案，并完成系統的搭建及測試;課下，學生可利用在線設計軟件、口袋式開發板對方案進行仿真驗證。綜合型項目教學階段，學生需要課下查閱資料自主學習相關設計軟件、新技術的使用方法，為下一步的創新實踐奠定基礎;課上，學生討論形成設計方案，并利用相關設備完成項目制作。教學模式方案如圖2所示。

三、層次化實驗教學實施與成效

在“信息傳輸與處理”課程中，課題組基于層次化實驗教學研究成果開展了教學實踐。該課程共計64學時，學生在前序課程中已完成電路設計、單片機程序設計等基本知識點的學習。基本實驗項目教學占用16學時，學生獨立完成;設計型、綜合型實驗項目占用48學時，學生3～4人一組完成。

在基本項目教學部分，教師通過微信公眾號平臺推送教學視頻和資料，引導學生預習。設計型項目選取“小型環境監測系統”，要求學生使用Arduino編程語言在開發模塊上實現系統功能，監測環境溫、濕度并遠程傳輸數據至電腦。學生小組討論并確定設計方案，然后使用在線仿真軟件驗證系統各模塊功能，并利用ELVIS虛擬儀器平臺和面包板完成硬件搭建。

綜合創新項目要求學生在“小型環境監測系統”的基礎上創新完善，以滿足無人機微型機場氣象數據的持續監測需求。學生根據應用環境需求，設計增加氣壓、高度、光照、風雨等檢測功能模塊，并添加太陽能充電模塊以達到不間斷工作的要求。在此基礎上，利用液態金屬打印機制作PCB，焊接系統電路，借助云平臺實現數據傳輸，完成系統程序設計。同時，使用3D建模軟件設計外殼、繪制產品裝配圖，查看產品效果，檢查電路模塊安裝位置是否干涉。圖3至圖5展示了學生項目設計過程中的設計圖及裝配圖。

為檢驗層次化實驗教學效果，結課后向學生發放了調查問卷。調查數據顯示，91%以上的學生表示課程項目內容貼近實際應用，95%以上的學生表示課程對后續學習、大學生創新創業訓練計劃項目、學科競賽等有一定幫助作用，學生對教學的整體滿意度達90%以上。學生普遍認為通過三層次的實驗項目學習，既能鞏固基礎理論知識，又能消除面對工程問題時的恐懼和茫然感，還逐步掌握了綜合運用多個理論知識點轉換為行業實際應用的方法，培養了解決復雜工程問題的能力，提升了實踐和創新能力。同時，學生運用課內項目所學云技術等相關知識參加省部級新工科競賽并獲獎。可見，“綜合電子設計”層次化實驗教學在課外競賽中也發揮了一定作用。

四、結語

通過優化開發實驗內容，引入具有民航行業應用背景的實驗項目，改革教學手段，采用多元混合式實驗教學，建立“基礎—設計—綜合”三層式教學體系，增強了教學內容間的關聯度，提升了課程的創新性和挑戰性。實踐表明，層次化實驗是新形勢下行業人才培養的一種有效途徑，有助于學生較快掌握將基礎理論轉化為工程應用的方法，提高專業知識的綜合應用能力。

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（責任編輯：張宇平）

Exploration of Hierarchical Experimental Teaching of \"Integrated Electronic Design\" in the Context of New Engineering

WANG Bo， HAN Shao-cheng， GAO Huan， HAO Lei

（Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract：" The reform of \"integrated electronic design\" experiment teaching aims to improve students' ability of flexible use of knowledge and engineering innovation to meet the requirements of \"new engineering\" talent training. By employing a hierarchical teaching approach， the layout of experimental projects is optimized， and new practical projects are developed based on new technologies and industry backgrounds. Teaching methods are reformed to establish a hierarchically progressive experimental teaching system comprising the stages of \"foundation， design and integration\". The teaching process facilitates the transition from fundamental theory to engineering application， stimulates students' interest in learning and promotes the comprehensive development of students' knowledge capabilities. Empirical evidence shows a significant improvement in students' hands-on skills and innovative abilities， resulting in satisfactory teaching outcomes.

Key words： new engineering; integrated electronic design; hierarchical experimental teaching; comprehensive innovation experiment

作者簡介：王博（1982—），男，碩士，中國民航大學工程技術訓練中心講師，研究方向為新工科教學;韓紹程（1981—）男，碩士，中國民航大學工程技術訓練中心高級實驗師，研究方向為電子技術實驗教學;高歡（1980—）男，碩士，中國民航大學工程技術訓練中心講師，研究方向為電子技術實驗教學;郝磊（1985—）男，碩士，中國民航大學工程技術訓練中心講師，研究方向為電工電子實驗教學。

基金項目：天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究項目“一流課程建設背景下的民航行業院校電類基礎實驗混合式教學改革研究與實踐”（編號：B201005904）;中國民航大學教育教學改革與研究項目“課程思政示范課建設”（編號：CAUC-2022-B1-023）