新工科背景下電子系統設計與實驗課程教學改革探究

關鍵詞：新工科教育；電子系統設計與實驗；教學改革；翻轉課堂；多元化

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）18-0153-04

Abstract： The course of Electronic System Design and Experimentation is a compulsory course for senior-level students majoring in electrical engineering， playing a vital role in the engineering education and training of electrical engineering majors. Guided by the emerging engineering education philosophy， this paper first analyzes the current issues with the course. It then introduces the continuous emerging engineering education reforms implemented in recent years， encompassing refining course objectives， reconstructing project-based course content， and improving a diversified evaluation system. Practical results demonstrate that these innovative methods have significantly enhanced teaching effectiveness， nurtured students' self-directed learning abilities， engineering literacy， and innovative spirits. These reforms provide certain reference significance for conducting high-quality teaching within the context of emerging engineering education.

Keywords： emerging engineering education; Electronic System Design and Experimentation; teaching reform; flipped classroom; diversification

為了在新一輪科技競爭中占據主動地位，使我國科技發展實現從量到質、從單點到系統的突破，教育部在全國各個高校積極推進新工科建設，以期全面助力我國創新型卓越工程科技人才的培養，提升我國人才的國際競爭力和號召力，為我國產業高質量發展提供人才支撐[1]。自2017年啟動新工科建設起，通過“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[2-4]，積極探索中國工程教育新模式[5]，新工科建設引起了全國各高校及社會各行業的廣泛關注。

電子系統設計與實驗為電類專業高年級專業必修課程，闡述電子系統設計的基本方法，講授構成電子系統的基本模塊，并結合實驗命題講解電子系統的需求產生、架構設計、單元設計和系統調試等內容，與工程教育緊密相關。本文從電子系統設計與實驗課程當前存在的主要問題入手開始分析，進一步討論了本課程近年來新工科改革的主要措施及成果，旨在提高教學水平，探索出一條激發學生自主學習興趣、培養引領未來創新型人才的途徑。

一" 課程現狀

電子系統設計與實驗課程基于電子專業“專業基礎課程”知識體系，使學生在實踐中驗證理論，同時又利用理論指導實踐，是理論與實踐緊密結合的課程。

本課程當前存在的主要問題如下。

教學目標單一：本課程改革前教學目標主要集中在知識目標和專業能力的實現，要求學生能夠綜合應用先修課程所學知識，進一步了解系統級的硬件、軟件構成原理，使用現代工具，完成系統軟、硬件結構的理解與應用。這個目標較為泛泛，更為注重對于學生專業能力的培養，更多強調學生對于電路的分析、設計和調試能力，并不符合新工科建設對于學生通識能力方面的培養要求，尤其缺乏對于學生自主學習能力和創新能力的培養。

教學內容單一：本課程改革前以課本為主要教學內容，以教師課堂授課為主要教學手段，學生只能被動地接受知識，難以激發學生的學習興趣。由于課程主要強調對于知識的正向接收能力和理解能力，對于學生專業能力的培養更多地依賴于經驗的傳授，較少考慮學生通識能力的培養，缺乏引導學生自主學習環節，導致教學效果不盡如人意。

評價體系單一：本課程改革前以期末考試和平時成績為主要評價方法。這種方式的優勢在于教師能夠根據標準答案明確地為卷面賦分，快速地完成對學生的考評[6]。而此種方法使得教師無法全面掌握學生的學習狀態，既無法體現學生在學習過程中的具體情況，也無法測試出學生的自主學習能力和實際工程設計水平。

二" 課程改革

為滿足新工科人才培養要求，電子系統設計與實驗課程自2020年起開始進行新工科改革，經歷了多年的不斷探索和努力，逐步完成了如下改革措施。

（一）" 細分教學目標，增加通識能力的培養

在改革中，本課程首先細化了教學目標，完成先修課程重要知識點的統計和具體使用工具的選擇。在先修課程的重要知識點方面主要選取概念較為簡單、常用，但在實際設計過程中容易出現問題、影響設計指標實現的知識點。現代工具特意選擇開源軟件和免費軟件，引導學生了解自由軟件和開源軟件，讓學生理解軟件版權的重要性，并激發學生對于開源軟件的學習興趣。

然后，根據新工科的需求，將教學目標的重點由知識整合提升為知識應用和能力培養，更為注重引導學生思考先修課程所學知識在電子產品設計過程中的實際應用，并且有針對性地設計相應方法，增加對學生自主學習能力、工程素養及創新精神的培養，如圖1所示。

（二）" 重新設計教學內容，體現新工科工程教育思想

本課程主要分為兩大部分，前期是教師授課部分，后期是系統設計階段。課程改革從體現新工科工程教育理念、提高學生與社會發展新需求的適配度入手，經過多年嘗試，目前在教學內容上已完成如下改革。

首先，拋棄通用單片機平臺，由教師自主研發并設計了新型實驗平臺板、編寫底層系統軟件架構，并特別針對先修課程所學知識，精心設計相應的系統參數要求及考核點安排，杜絕了學生照搬網絡上完整設計方案的可能性，只能通過認真學習自主完成設計要求。如在設計過程中要求學生必須使用單片機自帶的DAC，則學生想要實現項目要求的各個頻率采樣點數的正確選擇，就需要綜合考慮DAC啟動時間、系統時鐘周期、指令執行時間和奈奎斯特采樣定理等等。讓學生了解先修知識在實際電子系統設計中的作用，學會活學活用，而不是只知其然而不知其所以然。

其次，在教師授課部分，我們采用了項目式教學結合部分“翻轉課堂”[7-9]的方法。教師用8學時進行基礎知識的講解，教會學生如何結合先修課程基礎知識、數據手冊、開發板原理圖及軟件架構完成每個模塊原理及使用方法的學習。這里，教師自行編寫了6章有針對性的任務腳本，內容包括問題提出、涉及基礎知識、對應模塊使用及背景介紹，用以代替教材，針對課程要求的系統設計給予學生更為精確的指導。后20學時給學生布置任務書，讓學生以此為藍本，參考公司項目組架構，每8～10人組成一個大組完成“翻轉課堂”的學習。每個大組設項目經理、軟件組組長、硬件組組長各一人及組員若干，如圖2所示。

本課程“翻轉課堂”主要有以下特點。

第一，有模板，學生可以按照前8學時教師教的方法進行學習。

第二，有材料，教師會給每組學生提供設計要求、任務腳本、參考文檔、實驗平臺原理圖以及單片機和多種元器件的中、英文數據手冊，學生有豐富的材料可供學習。

第三，有梯度，因為本課程在大三下半學期開始，此時已有部分學生參加過各種電子設計競賽，具有單片機的使用和設計經驗。因此，每組會選擇有設計經驗的學生擔任項目經理和軟、硬件組組長，并根據各組成員的基礎水平和具體興趣分配各模塊的學習，完全沒接觸過單片機的學生可以選擇較為簡單的模塊，使用過的可以挑戰更為復雜的模塊。

第四，有溝通有合作，每位學生都需要根據獲得的材料完成指定模塊的學習，并且給組內其他成員講解清楚。學生可以在組內開展討論交流，互相提問，分享經驗，解決問題，極大提高了學生的學習參與感和學習積極性，實現了知識的快速拓展。

第五，有驗收有評價，課堂授課部分結束后，每個大組還需要充分利用實驗平臺板，完成3個創新程序設計，以鍛煉學生的創新能力，如圖3所示。并將對系統整體架構的理解以及創新小程序總結為PPT進行展示，如圖4所示，在展示過程中接受老師和同學的提問。以此完成學生對于整個軟硬件基礎知識的系統回顧，同時便于教師掌握學生的學習進度。這部分將作為學生的中期考核成績計入平時成績。

最后，在系統設計階段，我們要求3位學生為一組團隊，通過合作溝通完成電子系統的軟、硬件設計和調試工作。我們給學生提出了具體到參數的系統設計任務，完成任務涉及的大部分知識學生在前序“翻轉課堂”部分都會有所接觸。同時，為保證區分度，我們設計了相對簡單的基礎任務和具有挑戰性的進階任務，也支持自己設計附加功能，學生們可以根據自身水平選擇完成。

為進一步培養學生的工程素質，在期末實物驗收時，我們沒有籠統地進行整體概況性驗收，而是通過實際參數的具體測量結果衡量學生的完成情況，教師需要使用示波器對各點參數進行實際測量確認，并且要求學生在設計報告中進行誤差分析，如圖5所示。

（三）" 實現多元化評價體系，強調多視角評估和持續評估

以新工科建設為目標，改革后的課程考核方法更具多元化，綜合考慮了評價主體和評價內容，強調實踐與創新，重視團隊交流與合作，同時注重階段性成果。

具體考核內容包括中期考核和期末最終驗收，見表1。

中期考核由“翻轉課堂”PPT展示中的軟硬件設計分析以及創新小程序作為基礎成績，每個大組給學生３分自由分配成績，由學生自己決定，中期考核總成績＝基礎成績＋自由分配成績。這部分主要考核學生在系統架構學習階段的學習情況，因為是大組考核，考慮到個體差異性，給予自由分配分以獎勵組內完成工作優秀的同學。

期末最終驗收由成品測試（占70%）和系統設計分析報告（占30%）作為基礎成績，每個小組給學生３分自由分配成績，以鼓勵每一位學生都積極參與設計，而不是“抱大腿水任務”。并有1分的完成原始設計并幫助其他同學的額外加分，鼓勵學生各組之間互相交流溝通，從而鍛煉其溝通協作能力。成品測試包括功能性測試和硬件電路焊接設計兩部分成績，會使用示波器測試學生的最終焊接成品，并根據具體參數的完成情況給予對應的分數。系統設計報告則需要學生完成硬件原理圖設計和軟件流程圖設計的具體說明。更為重要的是，要求學生必須進行誤差報告分析及設計過程中的問題分析總結。

三" 課程改革效果

在新工科背景下，實踐與理論的結合是培養實踐創新型人才的重要途徑[10]。電子系統設計與實驗課程的新工科改革促進了教學中各科課程的交叉融合，通過“翻轉課堂”鍛煉了學生的自主學習能力，并通過課程內容的項目化設計保證了學生工程素養和創新精神的培養。

分析學生的問卷調查以及量化評教結果，對于本次改革，學生們普遍反映較好，表示“體會自行設計的快樂”，很多同學表示“收獲很大”“受益匪淺”。對課程的總體感受100%表示“滿意”或“非常滿意”，對教學達到了預期目標、調動了學習積極性、形成完整知識體系以及條理清晰、有啟發性的同意度都達到了100%。同時，多位同學參加近年各種電子設計競賽獲獎。

本次教學改革多次獲得學校及學院的大力支持，并在自動化學院項目式教學改革建設點驗收中被評為“優秀項目”，在新工科項目式課程優秀案例評選中獲得特等獎，后續其他課程參考本改革方法也進行了較為成功的改革。通過總結前期改革的內容，參加2021第八屆全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽，獲得全國一等獎。

四" 結束語

當前，百年未有之大變局迫切要求高校盡快完成創新型人才自主培養的任務，電子系統設計與實驗課程的教學改革是新時代教育發展形勢下的必然趨勢。新工科建設啟動后，本課程連續多年堅持進行工程教育改革的探索，秉持新工科教育理念重新設計教學目標和教學內容，持續優化考核體系，強化實踐與創新，更加注重思維和能力的培養。我們相信，隨著課程改革的不斷深入，電子系統設計與實驗課程的教學質量也將不斷提高，會培養出更多具有自主學習能力和工程素養的創新型人才。

參考文獻：

[1] 李津津.新工科背景下通識教育課程體系改革探究[J].高教學刊，2024（18）：52-55.

[2] 中華人民共和國教育部．教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知[EB/OL]．（2017-02-20）．http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html．

[3] “新工科”建設行動路線（“天大行動”）[J]．高等工程教育研究，2017（2）：24-25．

[4] 中華人民共和國教育部．天津大學積極推進新工科建設[EB/OL]．（2018-09-28）．http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6192/s133/s157/201809/t20180928_350278.html.

[5] 彭莘媚，賀銀菊，王江河，等.新時期普通高校化學反應工程雙語教學改革探究[J].化工高等教育，2021，38（2）：62-67.

[6] 王凱，劉珈銘，劉天輝，等.工程實踐教學和考評創新在船舶與海洋工程環境載荷課程中的應用[J].高教學刊，2024（31）：62-66.

[7] 祁國成，姚凱，張如炳，等.本研一體課程翻轉課堂教學效果評價方法研究[J].高教學刊，2024（32）：108-112.

[8] 劉志強，張小奇，李金浩.產教融合背景下“翻轉課堂”教學模式在公差配合與測量技術課程中的應用研究[J].模具制造，2024，24（10）：135-137.

[9] 盧彥，張冬梅.基于翻轉課堂的生物信息應用工具普及[J].高教學刊，2024（18）：89-92.

[10] 陳元電，陳靜，徐勝.新工科背景下產教協同培養實踐創新能力[J].科教文匯，2023（24）：107-110.