電子信息類創(chuàng)新人才基礎(chǔ)能力提升與啟發(fā)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(chuàng)新人才的基礎(chǔ)實踐能力的提升。在教學理念、教學方法、教學內(nèi)容、課程評價和教學裝置等多方面進行課程整體設(shè)計，全面提升學生的動手能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識，為培養(yǎng)電子信息類創(chuàng)新人才積極探索。

關(guān)鍵詞：電子工藝實習；創(chuàng)新人才；實踐教學；教學改革；啟發(fā)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(yè)學生的培養(yǎng)過程中具有非常重要的作用，通過實踐教學可以培養(yǎng)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(chuàng)新意識和工程素質(zhì)培養(yǎng)中必不可少的一環(huán)。特別是在“新工科”和工程教育專業(yè)認證等背景下，如何激發(fā)學生的好奇心、如何引領(lǐng)學生探索未知的領(lǐng)域是高校電子信息類人才培養(yǎng)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(yè)的學生，針對基礎(chǔ)階段學生的知識結(jié)構(gòu)和能力水平，以工程訓練為基礎(chǔ)、能力提升為核心、創(chuàng)新培養(yǎng)為重點，通過引入前沿技術(shù)，激發(fā)學生對未知領(lǐng)域的好奇心，提高學習興趣，發(fā)掘?qū)W生潛能，為今后的進一步學習和工作打下基礎(chǔ)。同時課程通過啟發(fā)式教學，化難為簡，仔細設(shè)計教學過程中的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，達到全員參與、重點提高、合作協(xié)同，實現(xiàn)學生能力的提升。

一? 電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求和實踐能力提升

電子信息類涵蓋的專業(yè)范圍很廣，包括電子信息工程、電子科學與技術(shù)、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(yǎng)應(yīng)該遵循電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，根據(jù)國家發(fā)展、社會需求、高校人才培養(yǎng)目標確定培養(yǎng)方向，緊跟行業(yè)技術(shù)發(fā)展的新趨勢及新動向，培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、知識結(jié)構(gòu)全面、實踐經(jīng)驗豐富、創(chuàng)新思維突出和能夠解決復(fù)雜工程問題的高素質(zhì)人才。電子信息類創(chuàng)新人才的培養(yǎng)內(nèi)容涉及電路與系統(tǒng)、微電子學、電子科學、電磁場與微波技術(shù)、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(shù)，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(yīng)用研究與技術(shù)開發(fā)的基本能力。培養(yǎng)過程中應(yīng)堅持夯實基礎(chǔ)，拓展能力，注重新知識和高新技術(shù)的引入，使學生具有深厚的數(shù)理基礎(chǔ)和寬廣的知識領(lǐng)域，既能從事較高層次的研究工作，又能適應(yīng)和滿足國家信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和民眾高質(zhì)量便捷電子信息服務(wù)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?；A(chǔ)的物理類觀察驗證實驗和電子類設(shè)計驗證實驗作為第一階段，讓學生了解操作規(guī)程，學習實驗現(xiàn)象的觀察和數(shù)據(jù)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(chǔ)，因此，實驗內(nèi)容比較獨立，相對單一，重點在于復(fù)現(xiàn)經(jīng)典理論，培養(yǎng)操作規(guī)范。第二階段是綜合設(shè)計實踐，包括電子電路綜合實驗、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(yè)實踐類課程奠定良好基礎(chǔ)，同時進一步支持第四階段，也是本科階段最重要的實踐環(huán)節(jié)——本科畢業(yè)設(shè)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(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，要達到通過實踐教學提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，就需要不斷優(yōu)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(nèi)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(huán)節(jié)都體現(xiàn)出對學生的基礎(chǔ)實踐能力、創(chuàng)新能力、交流表達能力和團隊合作精神等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。課程通過完成一個電子產(chǎn)品的焊接、組裝、調(diào)試，初步培養(yǎng)學生具備系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)的電子工藝實習課程內(nèi)容單一，教學模式和方法相對固化，成績評定往往只看結(jié)果，教學裝置老舊，學生很難進行創(chuàng)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(nèi)容、教學方法、教學裝置等多方面對該課程進行了持續(xù)改進，取得了良好的教學效果。

（一）? 精心設(shè)置教學環(huán)節(jié)，教學理念創(chuàng)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(guān)專業(yè)工程訓練的重要內(nèi)容，因此本課程設(shè)計了電路焊接、產(chǎn)品組裝、軟件編程、硬件調(diào)試、外觀設(shè)計、交流答辯和報告撰寫等多個教學環(huán)節(jié)，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(fā)式教學理念，以此指導各個教學環(huán)節(jié)的設(shè)計和實施。教學模式從“以教為中心”向“以學為中心”轉(zhuǎn)變，教學方法從“灌輸式”向“互動式、探究式”轉(zhuǎn)變，教師的角色從“知識傳播者”向“引導者”轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)學生從“被動學習”向“主動學習”的轉(zhuǎn)變。在教學方法上采取教師講授、分組討論、翻轉(zhuǎn)課堂等多種方式（各教學環(huán)節(jié)采用的教學方法見表1），提高學生的參與度，培養(yǎng)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(chǔ)原理，激發(fā)學生好奇心；通過提供全套基礎(chǔ)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(tǒng)的實驗室面對面教學指導，課程采用雨課堂、騰訊會議等網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(jù)主導地位，教師作為教學輔助，采用多種互動模式，注重啟發(fā)式教學，對學生進行引領(lǐng)，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(xiàn)整體能力的提升。

（二）? 教學內(nèi)容上不斷引入新的知識點，有效組合、整體設(shè)計

傳統(tǒng)的電子工藝實習課程以組裝調(diào)頻調(diào)幅收音機、黑白電視機作為主要內(nèi)容，主要訓練焊接和基本電路調(diào)試能力，從學生反饋來看，學習內(nèi)容與實際工作、創(chuàng)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(nèi)容進行了改革和創(chuàng)新，從國家發(fā)展、社會需求、人才培養(yǎng)三個方面考慮教學內(nèi)容的設(shè)計和實施，基本思路是結(jié)合各種新型傳感器和現(xiàn)代通信技術(shù)及自動化控制技術(shù)，根據(jù)大部分學生的實際學習情況，從傳統(tǒng)電子產(chǎn)品組裝實踐教學轉(zhuǎn)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(diào)試等基本能力培訓，同時不斷引入新技術(shù)、新知識，注重創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

在教學內(nèi)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(shè)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(chǔ)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(tǒng)的焊接+裝配轉(zhuǎn)為焊接+原理+算法+裝配+程序，進一步開闊學生眼界，激發(fā)學生學習興趣，實現(xiàn)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(yīng)用場景設(shè)計，強調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計與實現(xiàn)，提高了學生的工程素質(zhì)和創(chuàng)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(yōu)秀

合理的課程評價體系能夠充分、有效地調(diào)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(huán)節(jié)，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(shè)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(xiàn)了全面參與、突出優(yōu)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(chǔ)焊接工作，合作組裝、調(diào)試智能小車，獨立撰寫實驗報告，分工合作、任務(wù)明確，在完成課程任務(wù)的過程中培養(yǎng)學生的團隊精神，并鍛煉領(lǐng)導、協(xié)作和交流能力。另外課程還增加了外觀設(shè)計這樣彰顯個性的環(huán)節(jié)，使得每個學生的作品都是獨一無二的（圖1）。

在驗收考核環(huán)節(jié)，除了基本的電路驗收和交流答辯，還增加了比賽環(huán)節(jié)，從設(shè)計理念、行進速度和穩(wěn)定性、外觀工藝設(shè)計等多方面進行綜合評分。比賽從班內(nèi)到年級進行層層選拔，決出多種獎項，并頒發(fā)獎品。這些不僅增強了課程的趣味性，同時很好地調(diào)動了學生們的學習熱情、鉆研精神、創(chuàng)新能力，給學生更多的發(fā)揮空間，從而實現(xiàn)因材施教，既讓大多數(shù)同學能夠達到基本要求，又能讓優(yōu)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(chǎn)品，完全依賴外部采購不能滿足快速變化的教學和技術(shù)需求，必須緊密結(jié)合課程上的使用反饋進行持續(xù)改進，要根據(jù)學生的實際情況和教師的技術(shù)儲備循序推進，在保證教學質(zhì)量和教學效果的前提下，實現(xiàn)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(guān)實驗裝置，在多年的教學實踐中持續(xù)演進、迭代，根據(jù)學生實驗過程中遇到的問題不斷優(yōu)化設(shè)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(xiàn)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(chuàng)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(qū)動模塊性能，并增加藍牙控制模塊，設(shè)計相應(yīng)的手機APP，實現(xiàn)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(jié)合新技術(shù)、新器件的發(fā)展。

實驗裝置不僅要滿足教學需求，還要從可靠性、經(jīng)濟性、可更換性等各個方面進行綜合考慮。例如，電機驅(qū)動模塊這一易損部件，在設(shè)計過程中我們前后測試了十幾種電路，不斷降低驅(qū)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(huán)保安全。這些改進不僅提升了教學裝置的穩(wěn)定性和創(chuàng)新性，也在潛移默化中讓學生了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程，在產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)過程中充分考慮技術(shù)、用戶體驗、環(huán)境及社會效應(yīng)等各種因素，培養(yǎng)工程技術(shù)素養(yǎng)和社會責任感。

另外課程根據(jù)教學裝置和教學內(nèi)容編寫了詳細的教學講義，從焊接、組裝、原理、算法和實現(xiàn)等多方面講解課程內(nèi)容，同時編寫了完整的基礎(chǔ)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(yōu)化創(chuàng)新。

三? 結(jié)束語

經(jīng)過多年教學實踐，電子工藝實習課程從教學內(nèi)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(guī)律、具有創(chuàng)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(huán)節(jié)，學生廣泛認為“課程將知識與實踐充分結(jié)合，具有很強的趣味性與挑戰(zhàn)性”“能夠?qū)W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(xié)作、與他人有效溝通交流的能力”“動手能力得到了提升，激發(fā)了對于新知識新領(lǐng)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(yǎng)起到了積極的啟發(fā)引導作用，這也契合了工程教育專業(yè)認證要求中所提出的畢業(yè)生要達到的各種能力培養(yǎng)要求，即解決復(fù)雜工程問題能力、設(shè)計實驗并得出結(jié)論的能力、綜合考慮人文社會環(huán)境等因素的能力、使用現(xiàn)代工程工具的能力、遵守工程職業(yè)道德和規(guī)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(zhì)需求。

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