電氣信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索與實(shí)踐?

劉 艷 李 擎 李江昀 史雪飛 崔家瑞

（北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100083）

創(chuàng)新是國家發(fā)展、民族振興的核心要素。黨的十九大報(bào)告指出，“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐”。在國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的戰(zhàn)略背景下，培養(yǎng)基礎(chǔ)知識扎實(shí)、實(shí)踐能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的科技創(chuàng)新人才，對新經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是高等院校助力實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新引領(lǐng)國家發(fā)展的重要責(zé)任［1～3］。

電氣工程是現(xiàn)代科技領(lǐng)域的核心和關(guān)鍵學(xué)科，而模擬電子技術(shù)作為電氣工程學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有理論性、復(fù)雜性、系統(tǒng)性和工程性等特點(diǎn)。本文圍繞創(chuàng)新三要素——知識、思考、實(shí)踐，依托模擬電子技術(shù)課程，提出集專業(yè)導(dǎo)航圖、知識思維導(dǎo)圖、口袋實(shí)驗(yàn)室于一體的新舉措，探索和優(yōu)化電氣信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。創(chuàng)新三要素中，知識是基礎(chǔ)，思考是關(guān)鍵，實(shí)踐是根本。專業(yè)導(dǎo)航圖有助于激發(fā)興趣、感知專業(yè)、扎實(shí)基礎(chǔ)，思維導(dǎo)圖可以開闊思維、啟發(fā)創(chuàng)造、清晰思路，口袋實(shí)驗(yàn)室能有效協(xié)調(diào)理論知識、工程實(shí)踐、綜合素質(zhì)。

一、前沿科技引領(lǐng)的專業(yè)導(dǎo)航圖

如何從錯(cuò)綜復(fù)雜的知識體系中獲取所需知識是知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代人們所面臨的困境?！皩I(yè)導(dǎo)航圖”能夠?qū)⒄麄€(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識內(nèi)容、聯(lián)系及層次清晰地展現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)作用。

電氣信息類專業(yè)將傳統(tǒng)的電工電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)、自動控制、通信工程及信息處理等新技術(shù)交叉融合，已形成多學(xué)科交叉的行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景［4-6］。模擬電子技術(shù)作為電氣信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，不僅是3C學(xué)科 （通信Communication、控制Control和計(jì)算機(jī)Computer）的入門課程，也是工程教育的啟蒙課程。在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生普遍存在對專業(yè)認(rèn)識不清晰，課程定位不領(lǐng)會，知識承啟不關(guān)聯(lián)的 “三不”現(xiàn)象，造成低年級學(xué)習(xí)時(shí)存在迷茫和被動，高年級學(xué)習(xí)時(shí)缺失信心和興趣。

為了使學(xué)生在接觸電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課初期就能從宏觀上一覽專業(yè)課程群全局，了解整個(gè)電氣工程學(xué)科的知識體系結(jié)構(gòu)以及課程之間的承啟關(guān)聯(lián)，本文結(jié)合信息領(lǐng)域的前沿科技，針對計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、通信、控制、電力等領(lǐng)域，構(gòu)建電氣信息類專業(yè)導(dǎo)航圖 （見圖1）。專業(yè)導(dǎo)航圖的構(gòu)建要符合學(xué)生對電氣信息類專業(yè)的認(rèn)知特點(diǎn)和規(guī)律，盡可能完整地展現(xiàn)電氣信息類專業(yè)的總體知識框架，縱向以知識的生長、分化為主線，將課程分為公共基礎(chǔ)、專門技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域幾大類；橫向按知識在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用來劃分，包括電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖1 電氣信息類專業(yè)導(dǎo)航圖

電氣信息類專業(yè)導(dǎo)航圖涉及信息系統(tǒng)前沿科學(xué)技術(shù)發(fā)展中 “基礎(chǔ)”知識的重大支撐作用，在講授過程中，強(qiáng)調(diào)電氣基礎(chǔ)知識對實(shí)現(xiàn)前沿發(fā)展的重要推動作用和對社會發(fā)展應(yīng)用的前途與吸引力。以無處不在的IT產(chǎn)業(yè)為例，具體介紹相互融合的信息系統(tǒng)中每個(gè)分支以及分化出科目的研究內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域，以體現(xiàn)知識之間相互聯(lián)系、應(yīng)用價(jià)值及應(yīng)用前景，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)感知，開闊專業(yè)視野，避免其在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn) “只見樹木，不見森林”的現(xiàn)象。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生可以通過專業(yè)導(dǎo)航圖，針對自己所在專業(yè)建立分專業(yè)的知識框架，然后再沿導(dǎo)航圖所指引的方向逐步充實(shí)和完善自己的知識體系。

二、學(xué)科知識交融的知識思維導(dǎo)圖

培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的高素質(zhì)人才已成為新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才培養(yǎng)的基本需求。“思維導(dǎo)圖”的教學(xué)意義主要體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，通過圖形圖像調(diào)動學(xué)生空間想象力和整體思維觀，具有清晰思路、幫助記憶、開闊思維和啟發(fā)創(chuàng)造的功能［7-9］。

在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課程中，不同課程的知識具有隱含的關(guān)聯(lián)和相互支撐的作用，知識點(diǎn)的連接至關(guān)重要。電氣信息類專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)目標(biāo)除承載相關(guān)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識之外，還應(yīng)該在工程思維的培養(yǎng)、宏觀系統(tǒng)的建立、挖掘知識關(guān)聯(lián)及規(guī)律的能力等方面發(fā)揮重要作用，為學(xué)生今后的創(chuàng)新發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

在模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)活動中，一方面將思維導(dǎo)圖作為教學(xué)先行組織者，在課程、章節(jié)或核心知識點(diǎn)正式開講之前，教師將教學(xué)設(shè)計(jì)通過思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，在學(xué)生頭腦中搭建一個(gè)整體的知識框架，使學(xué)生沿著思維導(dǎo)圖的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)了解課程或章節(jié)的知識背景、整體結(jié)構(gòu)、核心知識點(diǎn)及知識點(diǎn)間的相互聯(lián)系，把學(xué)生的思維帶入教學(xué)軌道，以便師生共同思考和解讀教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動。另一方面在教師的引導(dǎo)下，要求學(xué)生自行梳理思維導(dǎo)圖，將核心知識點(diǎn)及彼此間的關(guān)聯(lián)以清晰、明了的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)出來。通過知識思維導(dǎo)圖的梳理，學(xué)生可以多角度思考問題，搞清楚各個(gè)知識要素之間的本質(zhì)聯(lián)系和內(nèi)在邏輯，將圖文表述的知識內(nèi)化為自己的知識，有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，從而實(shí)現(xiàn) “學(xué)思結(jié)合”。

本文以 “放大電路中的反饋”為例，探索和研究核心知識點(diǎn)思維導(dǎo)圖在課堂教學(xué)中的應(yīng)用。“放大電路中的反饋”作為模擬電子技術(shù)課程的核心內(nèi)容之一，既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。從以往的教學(xué)情況來看，由于本章知識點(diǎn)多、難、雜，容易導(dǎo)致學(xué)生概念混淆、理解困難，學(xué)習(xí)時(shí)往往停留在電路的表象，不能深入反饋的本質(zhì)，也抓不住電路的內(nèi)在必然聯(lián)系，感到 “似懂非懂”。因此，在本章的導(dǎo)論階段，圍繞核心知識點(diǎn)——負(fù)反饋，從神舟飛船對接到小雞孵化，再到負(fù)反饋放大電路，從控制的角度，由感性到理性、由具象到抽象，環(huán)環(huán)相扣逐步提出負(fù)反饋放大電路的兩個(gè)關(guān)鍵問題：什么是負(fù)反饋？為什么在放大電路中引入負(fù)反饋？引導(dǎo)學(xué)生思考，并將問題進(jìn)行拓展和延伸，達(dá)到舉一反三、觸類旁通的目的，有效實(shí)現(xiàn)知識的遷移。思維導(dǎo)圖將知識點(diǎn)及其關(guān)聯(lián)以圖文并茂的形式呈現(xiàn)，使學(xué)生建立清晰準(zhǔn)確的知識架構(gòu)，更好地解決學(xué)生消化吸收的問題。

在講授過程中，一方面采用引導(dǎo)探究式教學(xué)法，插入對業(yè)界動態(tài)的介紹和評述，通過最新時(shí)事，也是學(xué)生們非常感興趣的案例—— “神舟飛船與天宮目標(biāo)飛行器的自動交會對接”引出反饋的概念和框圖，激發(fā)學(xué)生的聽課興趣，讓學(xué)生知曉負(fù)反饋的應(yīng)用前景和前沿問題，有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中有更開闊的視野。另一方面采用類比推理法，通過控制系統(tǒng)的具體應(yīng)用實(shí)例——“小雞孵化”引出負(fù)反饋放大電路，說明負(fù)反饋放大電路的組成及其性能和作用，增加學(xué)生的感性認(rèn)識。同時(shí)用辯證的觀點(diǎn)，從一個(gè)全新的角度向?qū)W生剖析負(fù)反饋的本質(zhì)及內(nèi)在聯(lián)系，以研究、解決問題為中心，構(gòu)建從系統(tǒng)到電路的知識結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新思維。

三、工程實(shí)踐滲透的口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

模擬電子技術(shù)課程具有理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的特點(diǎn)，單純的理論教學(xué)無法滿足知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求。為了提高電氣信息類專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，在教學(xué)中引入口袋實(shí)驗(yàn)室，旨在打破實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中學(xué)習(xí)和掌握系統(tǒng)的知識體系，充分發(fā)揮學(xué)生想象力和創(chuàng)造力，從而實(shí)現(xiàn) “知行統(tǒng)一”［10-11］。

在模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)活動中，利用口袋實(shí)驗(yàn)套件作為隨課實(shí)踐平臺，為學(xué)生搭建便攜實(shí)驗(yàn)環(huán)境，方便學(xué)生及時(shí)驗(yàn)證或探究相關(guān)的理論知識，有效提升學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合素質(zhì)。為了提高口袋實(shí)驗(yàn)室對學(xué)生知識理解、知識廣度方面的促進(jìn)作用，一方面學(xué)生根據(jù)理論課學(xué)習(xí)進(jìn)度，利用口袋實(shí)驗(yàn)室套件驗(yàn)證、測試和分析相關(guān)元器件及基本電路的功能和性能，從而更深刻地理解和掌握相關(guān)理論知識；另一方面學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的方式，根據(jù)興趣選擇一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過文獻(xiàn)查閱、小組討論制定設(shè)計(jì)方案，并利用口袋實(shí)驗(yàn)室套件及元器件搭建電路，完成電子系統(tǒng)的組裝、驗(yàn)證和調(diào)試，有效提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。

綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目借鑒 CDIO（構(gòu)思 Conceive、設(shè)計(jì)Design、實(shí)現(xiàn)Implement、運(yùn)作Operate） 工程教育理念，針對實(shí)際電子系統(tǒng)面向項(xiàng)目開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)。綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目CDIO教學(xué)模式的實(shí)施過程見表1。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目CDIO教學(xué)模式的實(shí)施

基于口袋實(shí)驗(yàn)室的綜合實(shí)驗(yàn)不僅從項(xiàng)目角度培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，而且從項(xiàng)目實(shí)施過程中各環(huán)節(jié)的具體細(xì)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新意識，把傳統(tǒng)課堂教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐活動結(jié)合起來，由簡單的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)逐步過渡到復(fù)雜的項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)模式，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地掌握電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和開發(fā)要領(lǐng)，讓學(xué)生在實(shí)踐中建立完整、系統(tǒng)的知識體系［12-15］。

四、教學(xué)實(shí)施效果

（一）講臺學(xué)生滿意度分析

針對模擬電子技術(shù)課程，筆者連續(xù)3年按照上述理念和措施進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，取得一些成效，得到學(xué)生的認(rèn)可。本文選取自動化專業(yè)、不同講臺人數(shù)、對學(xué)生滿意度及學(xué)習(xí)成績進(jìn)行匯總，匯總情況見表2。

由表2匯總結(jié)果對比分析可以看出，學(xué)生評教分均在96分以上，表明這種教學(xué)方式得到學(xué)生的高度認(rèn)可；講臺平均分均高于課程全校平均分，說明這種教學(xué)方式能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性；2016-2017-1學(xué)期講臺人數(shù)較少時(shí)，學(xué)生評教分最高，講臺平均分也一定程度上遠(yuǎn)高于課程平均分，說明本文提出的教學(xué)理念和措施更適合小班教學(xué)。

表2 學(xué)生滿意度及學(xué)習(xí)成績匯總表

（二）培養(yǎng)目標(biāo)反饋及問卷調(diào)查

本文提出的教學(xué)理念和措施旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)感知、培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和創(chuàng)新意識、提升學(xué)生的工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為學(xué)生解決復(fù)雜工程問題奠定基礎(chǔ)。本文針對課程以上三個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成情況對自動化專業(yè)2016級168名學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，共收回有效問卷162份，調(diào)查問卷反饋統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 課程調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)表

由表3調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本文提出的專業(yè)導(dǎo)航圖、知識思維導(dǎo)圖、口袋實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和專業(yè)感知、培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新意識、提升學(xué)生工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力。

五、結(jié)束語

本文圍繞創(chuàng)新三要素——知識、思考、實(shí)踐，結(jié)合模擬電子技術(shù)課程，提出電氣信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。在教學(xué)活動中不斷探索實(shí)踐，凝練前沿科技引領(lǐng)的電類專業(yè)基礎(chǔ)課導(dǎo)航圖、構(gòu)建學(xué)科知識交融的核心知識點(diǎn)思維導(dǎo)圖、開展工程實(shí)踐滲透的口袋實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。經(jīng)過三年教學(xué)實(shí)踐，取得比較滿意的教學(xué)效果，尤其是小班授課時(shí)學(xué)生的認(rèn)可度非常高。本文提出的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式可以在其他工科課程教學(xué)中推廣應(yīng)用。