新工科背景下電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程教學(xué)改革探究

關(guān)鍵詞：新工科教育；電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗；教學(xué)改革；翻轉(zhuǎn)課堂；多元化

中圖分類號：G642" " " 文獻標(biāo)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(jù)主動地位，使我國科技發(fā)展實現(xiàn)從量到質(zhì)、從單點到系統(tǒng)的突破，教育部在全國各個高校積極推進新工科建設(shè)，以期全面助力我國創(chuàng)新型卓越工程科技人才的培養(yǎng)，提升我國人才的國際競爭力和號召力，為我國產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供人才支撐[1]。自2017年啟動新工科建設(shè)起，通過“復(fù)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(shè)引起了全國各高校及社會各行業(yè)的廣泛關(guān)注。

電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗為電類專業(yè)高年級專業(yè)必修課程，闡述電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，講授構(gòu)成電子系統(tǒng)的基本模塊，并結(jié)合實驗命題講解電子系統(tǒng)的需求產(chǎn)生、架構(gòu)設(shè)計、單元設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容，與工程教育緊密相關(guān)。本文從電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程當(dāng)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(xué)水平，探索出一條激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)引領(lǐng)未來創(chuàng)新型人才的途徑。

一" 課程現(xiàn)狀

電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程基于電子專業(yè)“專業(yè)基礎(chǔ)課程”知識體系，使學(xué)生在實踐中驗證理論，同時又利用理論指導(dǎo)實踐，是理論與實踐緊密結(jié)合的課程。

本課程當(dāng)前存在的主要問題如下。

教學(xué)目標(biāo)單一：本課程改革前教學(xué)目標(biāo)主要集中在知識目標(biāo)和專業(yè)能力的實現(xiàn)，要求學(xué)生能夠綜合應(yīng)用先修課程所學(xué)知識，進一步了解系統(tǒng)級的硬件、軟件構(gòu)成原理，使用現(xiàn)代工具，完成系統(tǒng)軟、硬件結(jié)構(gòu)的理解與應(yīng)用。這個目標(biāo)較為泛泛，更為注重對于學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，更多強調(diào)學(xué)生對于電路的分析、設(shè)計和調(diào)試能力，并不符合新工科建設(shè)對于學(xué)生通識能力方面的培養(yǎng)要求，尤其缺乏對于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

教學(xué)內(nèi)容單一：本課程改革前以課本為主要教學(xué)內(nèi)容，以教師課堂授課為主要教學(xué)手段，學(xué)生只能被動地接受知識，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。由于課程主要強調(diào)對于知識的正向接收能力和理解能力，對于學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)更多地依賴于經(jīng)驗的傳授，較少考慮學(xué)生通識能力的培養(yǎng)，缺乏引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致教學(xué)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?yōu)橹饕u價方法。這種方式的優(yōu)勢在于教師能夠根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)答案明確地為卷面賦分，快速地完成對學(xué)生的考評[6]。而此種方法使得教師無法全面掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，既無法體現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的具體情況，也無法測試出學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和實際工程設(shè)計水平。

二" 課程改革

為滿足新工科人才培養(yǎng)要求，電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程自2020年起開始進行新工科改革，經(jīng)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(xué)目標(biāo)，增加通識能力的培養(yǎng)

在改革中，本課程首先細化了教學(xué)目標(biāo)，完成先修課程重要知識點的統(tǒng)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(shè)計過程中容易出現(xiàn)問題、影響設(shè)計指標(biāo)實現(xiàn)的知識點?，F(xiàn)代工具特意選擇開源軟件和免費軟件，引導(dǎo)學(xué)生了解自由軟件和開源軟件，讓學(xué)生理解軟件版權(quán)的重要性，并激發(fā)學(xué)生對于開源軟件的學(xué)習(xí)興趣。

然后，根據(jù)新工科的需求，將教學(xué)目標(biāo)的重點由知識整合提升為知識應(yīng)用和能力培養(yǎng)，更為注重引導(dǎo)學(xué)生思考先修課程所學(xué)知識在電子產(chǎn)品設(shè)計過程中的實際應(yīng)用，并且有針對性地設(shè)計相應(yīng)方法，增加對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程素養(yǎng)及創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，如圖1所示。

（二）" 重新設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，體現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計階段。課程改革從體現(xiàn)新工科工程教育理念、提高學(xué)生與社會發(fā)展新需求的適配度入手，經(jīng)過多年嘗試，目前在教學(xué)內(nèi)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(fā)并設(shè)計了新型實驗平臺板、編寫底層系統(tǒng)軟件架構(gòu)，并特別針對先修課程所學(xué)知識，精心設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)要求及考核點安排，杜絕了學(xué)生照搬網(wǎng)絡(luò)上完整設(shè)計方案的可能性，只能通過認真學(xué)習(xí)自主完成設(shè)計要求。如在設(shè)計過程中要求學(xué)生必須使用單片機自帶的DAC，則學(xué)生想要實現(xiàn)項目要求的各個頻率采樣點數(shù)的正確選擇，就需要綜合考慮DAC啟動時間、系統(tǒng)時鐘周期、指令執(zhí)行時間和奈奎斯特采樣定理等等。讓學(xué)生了解先修知識在實際電子系統(tǒng)設(shè)計中的作用，學(xué)會活學(xué)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(xué)結(jié)合部分“翻轉(zhuǎn)課堂”[7-9]的方法。教師用8學(xué)時進行基礎(chǔ)知識的講解，教會學(xué)生如何結(jié)合先修課程基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)手冊、開發(fā)板原理圖及軟件架構(gòu)完成每個模塊原理及使用方法的學(xué)習(xí)。這里，教師自行編寫了6章有針對性的任務(wù)腳本，內(nèi)容包括問題提出、涉及基礎(chǔ)知識、對應(yīng)模塊使用及背景介紹，用以代替教材，針對課程要求的系統(tǒng)設(shè)計給予學(xué)生更為精確的指導(dǎo)。后20學(xué)時給學(xué)生布置任務(wù)書，讓學(xué)生以此為藍本，參考公司項目組架構(gòu)，每8～10人組成一個大組完成“翻轉(zhuǎn)課堂”的學(xué)習(xí)。每個大組設(shè)項目經(jīng)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(zhuǎn)課堂”主要有以下特點。

第一，有模板，學(xué)生可以按照前8學(xué)時教師教的方法進行學(xué)習(xí)。

第二，有材料，教師會給每組學(xué)生提供設(shè)計要求、任務(wù)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(shù)據(jù)手冊，學(xué)生有豐富的材料可供學(xué)習(xí)。

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

第四，有溝通有合作，每位學(xué)生都需要根據(jù)獲得的材料完成指定模塊的學(xué)習(xí)，并且給組內(nèi)其他成員講解清楚。學(xué)生可以在組內(nèi)開展討論交流，互相提問，分享經(jīng)驗，解決問題，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)參與感和學(xué)習(xí)積極性，實現(xiàn)了知識的快速拓展。

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

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

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

（三）" 實現(xiàn)多元化評價體系，強調(diào)多視角評估和持續(xù)評估

以新工科建設(shè)為目標(biāo)，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(nèi)容，強調(diào)實踐與創(chuàng)新，重視團隊交流與合作，同時注重階段性成果。

具體考核內(nèi)容包括中期考核和期末最終驗收，見表1。

中期考核由“翻轉(zhuǎn)課堂”PPT展示中的軟硬件設(shè)計分析以及創(chuàng)新小程序作為基礎(chǔ)成績，每個大組給學(xué)生３分自由分配成績，由學(xué)生自己決定，中期考核總成績＝基礎(chǔ)成績＋自由分配成績。這部分主要考核學(xué)生在系統(tǒng)架構(gòu)學(xué)習(xí)階段的學(xué)習(xí)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(nèi)完成工作優(yōu)秀的同學(xué)。

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

三" 課程改革效果

在新工科背景下，實踐與理論的結(jié)合是培養(yǎng)實踐創(chuàng)新型人才的重要途徑[10]。電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程的新工科改革促進了教學(xué)中各科課程的交叉融合，通過“翻轉(zhuǎn)課堂”鍛煉了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，并通過課程內(nèi)容的項目化設(shè)計保證了學(xué)生工程素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。

分析學(xué)生的問卷調(diào)查以及量化評教結(jié)果，對于本次改革，學(xué)生們普遍反映較好，表示“體會自行設(shè)計的快樂”，很多同學(xué)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(xué)達到了預(yù)期目標(biāo)、調(diào)動了學(xué)習(xí)積極性、形成完整知識體系以及條理清晰、有啟發(fā)性的同意度都達到了100%。同時，多位同學(xué)參加近年各種電子設(shè)計競賽獲獎。

本次教學(xué)改革多次獲得學(xué)校及學(xué)院的大力支持，并在自動化學(xué)院項目式教學(xué)改革建設(shè)點驗收中被評為“優(yōu)秀項目”，在新工科項目式課程優(yōu)秀案例評選中獲得特等獎，后續(xù)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(jié)前期改革的內(nèi)容，參加2021第八屆全國高校電工電子基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)案例設(shè)計競賽，獲得全國一等獎。

四" 結(jié)束語

當(dāng)前，百年未有之大變局迫切要求高校盡快完成創(chuàng)新型人才自主培養(yǎng)的任務(wù)，電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程的教學(xué)改革是新時代教育發(fā)展形勢下的必然趨勢。新工科建設(shè)啟動后，本課程連續(xù)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(shè)計教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，持續(xù)優(yōu)化考核體系，強化實踐與創(chuàng)新，更加注重思維和能力的培養(yǎng)。我們相信，隨著課程改革的不斷深入，電子系統(tǒng)設(shè)計與實驗課程的教學(xué)質(zhì)量也將不斷提高，會培養(yǎng)出更多具有自主學(xué)習(xí)能力和工程素養(yǎng)的創(chuàng)新型人才。

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