“卓越工程师计划”试点班课堂教学改革与实践

李江昊 常丹华 张宝荣 黄震 郭璇 刘雪强

[摘要]卓越计划试点班的课堂教学要求面向工程实际、增加实践内容，课堂教学的方式方法需要进行改革以适应卓越计划人才培养的需求。以开拓知识视野、激发学习热情、培养实践能力为目的，探讨了基于一点两面原则的三环相扣式的教学方法，该方法围绕学生这个中心，通过课内教学、课外训练和课程设计3个紧密联系的环节，以各种途径和方法拓展了理论知识面和工程实践知识面。

[关键词]卓越工程师计划；课堂教学；教学方法

[中图分类号]G642[文献标识码]A[文章编号]1005-4634(2012)01-0046-04

0引言

“Made in China”这句曾经让无数国人感到自豪的英文，如今带来的更多是沉重。在科技创新飞速发展的今天，中华民族迫切期待的是“Designed in China”。创新始于教育，国家民族的希望也在于教育，这已经成为国人的共识，工程技术领域创新的基础源于学生时代的工程教育。

本着为未来工程领域培养优秀工程师后备军的目标，2010年6月国家教育部启动了“卓越工程师培养计划”，它要求高校转变办学理念、改革人才培养模式，培养出面向世界的优秀工程技术人才，以提升我国产业的国际竞争力[1]。笔者所在燕山大学有幸成为第一批卓越工程师计划试点高校之一。学校经过对报名学生进行遴选，最终选拔出175名学生组成了3个“卓越计划”试点班（以下简称“卓越班”）。

“卓越计划”目标远大，激动人心，但万丈高楼，起于累土，未来的优秀工程师也是从今天的一门门课程中汲取营养，逐渐成长起来的。因此，担任“卓越班”授课任务的教师倍感责任重大，如何围绕卓越计划的培养目标进行教学方式方法的改革，这是萦绕在每位授课教师心头的首要问题。

课堂教学改革是摸着石头过河，特别是对待卓越班这样的新生事物，需要经验、智慧和勇气。本文提出了“一点两面”三明治式的教改原则，针对卓越班学生的实际状况，结合多年的教学经验、想法，进行了多环节的教学改革实践，并以电类专业基础课《数字电子技术基础》为例，在教学内容筛选组织、教学方法等方面进行了尝试，取得了不错的教学效果。

1“一点两面”的教改原则

1.1教改原则

没有规矩不成方圆，教学改革要遵循一定的原则。针对卓越班制訂了“一点两面“三明治式教改原则，“一点”指以学生为中心，无论如何改革，都要根据学生自身的实际条件因材施教；“两面”指以教材中的理论知识和工程实践知识为支撑面，这两个支撑面的知识又有多种渠道来源。教改原则中的“点、面”构成如图1所示，理论知识（面）的来源有两个，分别为教材中必修内容和选修内容；工程实践知识（面）的来源包括教师做过的工程课题等4个，均来自教材外。

“两面”为“一点”服务，并且两面的面积要根据一点的大小设定，即要适合点的大小。这里的“面积”指理论、工程实践知识的广度和深度，点的“大小”则指学生的自身条件，如基础、理解力等。如果超越学生自身条件，片面追求所谓的卓越，任意增加知识的广度、深度，则会揠苗助长，事与愿违。

1.2卓越班学生状况分析

卓越班的学生都经过层层选拔，是原班级中比较优秀的学生，有较好的基础。最重要的是他们有从事工程技术工作的热情和兴趣，爱因斯坦有句名言：“兴趣是最好的老师”，学生自身有热情、兴趣，对教师优化课堂教学大有裨益。

此外，卓越班的许多课程是单班上课，包括笔者所教的《数字电子技术基础》，这也是笔者第一次给单班上课（此前至少是4个教学班同时上）。单班上课比多班上课有很大的优势，教师可以更好的掌握课堂，以前多班上课时不容易采用的问答、互动等教学手段此时都可以方便地使用，而学生的注意力、听课效果也会极大提高。

卓越班的不利因素是课程过多。根据培养计划，前3年要修完所有课程，第4年安排实习，因此不少课程提前半年学习。课程多、压力大，容易引起思想上的波动，影响学习效果。因此教师一方面进行思想工作，给学生减压，另外授课时也注意当堂消化，不增加课业负担。

2三环相扣的教改实践

教改实践包括3个环节：课内教学、课外训练和课程设计。课内教学是基础，是积累知识；课外训练是初训，初步锻炼实践能力；而课程设计是实训，全面检验理论和实践知识的掌握情况，它们之间的关系如图2所示。这3个环节由外至内是一个包容的关系，即内层知识是外层知识的基础。而由内至外则是一个发散的过程，学习理论和实践知识的最终目的是创新、是应用，所以知识按照图1中的流程收缩积累后，必须发散出去。

2.1广内容和多方法相融合的课内教学

作为教改的第一个环节，课内教学涉及的内容广、学时长，因此是最重要、投入精力最多的环节。课内教学是广内容与多方法相融合的过程，广内容指拓宽理论知识和工程实践知识两个方面，多方法指改变静态、呆板的教学方法，采取较为有效的新方法，如主动学习、探索性实验[2]。广内容、多方法的实施目的有3个：开拓知识视野、激发学习热情、奠定实践基础。

1）教学内容的拓展。为拓宽理论知识，将多班授课时不讲的选修内容选择一部分向卓越班学生进行讲解。之所以选择一部分，时间因素是一方面，另外有些内容理论深度较大，况且在实际应用中也很少用到。选讲的内容要考虑学生未来在工程中可能遇到的情况，如“门电路”这一章中，必修内容为CMOS电路和TTL电路两大类，但二者混用时的接口电路却不是必讲内容。但考虑到CMOS和TTL电路混用实际情况的存在，因此将二者接口电路内容也向学生作了介绍。类似内容还如“组合电路的竞争——冒险现象”等，也属非必讲内容，但工程设计中却会常常遇到。

拓宽工程实践知识的途径主要有4种，已经在图1中列出。拓宽的具体内容则来源于教师多年的工程设计知识和经验积累。这些途径及其所涉及的具体内容的形成经过任课教师的深思熟虑，难度、深度都要控制得当，因为必须考虑到学生的工程理解能力还处于萌芽状态这一实际情况。

未来学生从事工程技术工作，首先面对的应该是资料的查阅，因此将“工程资料查阅方法”作为工程知识面拓展的第一个内容。资料查阅涉及内容很多，比如查论文、查专利、查集成电路等。笔者选择的是介绍查阅集成电路“Datasheet”（即使用手册）的方法，因为学生做数字电路设计时会使用到各种型号的集成电路，这些集成电路的逻辑功能、引脚功能都包含在Datasheet中，因此掌握Datasheet的概念、查阅和阅读方法都十分必要。另外，同论文、专利的查阅相比，Datasheet的查阅需求更迫切，也容易上手。

以往经常有学生问“学的这个知识有何用”。工程知识拓展引入的第二个内容“与授课内容有关的工程实例”，就是为了回答这个问题。选择的实例应是学生比较熟悉的生活中的例子。例如，组合逻辑电路一章中有“编码器”、“译码器”、“数码管”等内容，工程实例举的是利用这些器件构成“医院的病房呼叫系统”，患者发出的呼叫信号经编码器编成BCD码，再经显示译码器输出到数码管，直观显示患者的病房号。其实学生对病房呼叫系统这个概念并不陌生，但并不知道它是如何构建起来的。通过这个例子，学生加深了对相关内容的理解。再比如，讲到“单稳态触发器”时，举的实例是楼道中控制照明灯点亮时间的“触摸延时开关”，这个开关就可以用单稳态触发器来实现。

作为一名优秀的电子工程师，必须及时跟踪自己领域最新的技术发展。因此，工程知识拓展的第三个方面介绍了“最新数字电路的设计手段”，即电子设计自动化（简称EDA）技术。向同学们简述了EDA技术硬件方面的CPLD、FPGA和软件方面的Max+plus II、Quartus II等内容，为后续进行数字电路的课程设计作了铺垫。

拓展的第四个内容是“教师做过的工程课题”，将实际课题中同数字电路相关的内容剥离出来讲解，教师现身说法，学生表现出很大的兴趣。例如笔者硕士期间做过的“塑料光纤直径测量系统”课题，涉及到的数字电路知识就包括了A/D转换、EDA技术、数码管驱动及显示、D/A转换等很多方面。通过这个例子，学生能切实感受到数字电路强大的功能。

理论、实践知识面的拓展需要占用一定的课堂时间，这个时间可以通过精炼必修内容、适当提高必修内容的讲解速度获得。例如介绍集成电路生产厂商、器件Datasheet等内容占用了1课时，这个时间就是节省出来的。卓越班学生基础较好，适当提高讲课速度是可行的。

2）多种教学方法。教学效果的好坏与教学方法密切相关，卓越班的单班授课形式为多种教学方法的实施创造了条件。目前采用的教学方法主要分三类：师生互动、（学生）主动学习和探索性实验教学。其中师生互动教学具体包括提问、多媒体展示等。

“提问”是一个古老而有效的课堂教学方法。讲课时，不时抛出一些略需动脑的小问题给学生，不失为单班授课的一个好方法。其实问题回答正确与否并不重要，重要的是让学生动了脑筋，同时也集中了听课注意力。但要注意的是不要问难度较大的问题，一旦回答不上了，学生自尊心可能会受到打击，反而对学习不利。

随着电子教学手段的飞速发展，投影仪、实物展台等多媒体教学仪器早已进入到了课堂之中，必须充分加以利用。如在拓展工程知识面的教学活动中，教师制作了图文并茂的课件；在介绍教师课题时，通过展台展示了课题电子系统的实物。通过这些多媒体手段，学生对拓展的工程知识有了直观的感受，它的效果比任何华丽的语言都有效。

主动学习式的教学中师生角色要互换，学生在学习知识后要为教师和其他同学作现场讲解。主动学习方式除了可以锻炼学习能力之外，还能锻炼学生的语言组织能力和表达能力，在未来工作中，这两点也非常重要。主动学习又可分为半主动式和全主动式两种。半主动学习中的学习内容由教师安排，例如安排学习“同或、异或互为反运算的证明”之后，选一名学生到黑板上进行了证明和讲解，最后教师作点评。全主动学习的具体内容则由学生自主确定，教师只确定一个大的范围，例如让学生搜集、整理数字电路方面的课外知识，然后利用PPT形式作讲解。PPT形式的讲解受启发自文献[3]，该文作者让学生利用其进行课程答辩，不失为一种好的方法。全主动模式注重的是“自由”，让学生自由选题，思想自由翱翔。

长期以来学生习惯了对教材中理论、方法全盘接受，但课本中的有些内容与实际有些出入。先贤孟子曾说“尽信书不如无书”，探索性实验教学就鼓励学生对课本中一些有“争议”的内容进行实验。例如对于“TTL电路输入端负载特性”进行探索性实验后，学生发现实际情况与课本结论不一致，经分析是课本中的模型和实验时的器件参数不同。探索性实验的选题要有实际意义，并且复杂性要低、操作要简单，同正常教学计划安排的较为复杂的实验区别开来。

2.2注重自学能力和团队精神培养的课外训练

未来从事工程设计工作，独立自学能力和团队精神是十分重要的。为培养卓越班学生这方面的能力，设置了课外训练这一环节。课外训练的题目由教师给出，选题的原则是能让学生得到自学训练和团队训练。如设计“病房呼叫系统”，要完成该题目需要自学一部分教材上的知识，该系统需要用数码管显示病房号，而数码管及其显示译码器内容课上介绍的比较简略，因此要完成这部分工作需要学生自学相关内容。此外，该设计需由若干个模块构成，这样每个同学可以负责一个模块，分工明确、各司其职，同时相互间又必须有合作，因为每个模块的输入输出信号都与其他模块息息相关。如此学生们既具有独立性，又具有合作性。就如同人体的内脏器官，作为个体存在、实现各自功能的同时，又作为一个整体来运行。

题目安排下去后，学生自由结组，设置组长一名，负责人员的分工和协调。在经过资料查阅、方案制定、討论、完善等步骤后，各组将最终方案提交。期间教师可以为学生提供咨询帮助，但注意应以传授解决问题的方法为主，而不是帮学生解决具体问题。

考虑到卓越班学生课业负担较重，因此课外训练的题目难度较低，训练次数以1次为宜。另外只要求给出设计方案，不要求具体实施，方案的具体实施训练可以在课程设计阶段进行。最终方案介绍可让学生通过PPT形式完成，教师进行现场点评。其实各组方案的优劣并不重要，重要的是通过这样一个过程锤炼了个体的自学能力、思考能力，团队的分工协作能力。

2.3注重综合实践能力培养的课程设计

数字电路的EDA课程设计开设多年，已被证明是培养学生综合运用所学知识、提高实践能力的有效手段，是将来胜任实际工程设计工作的一块敲门砖。

EDA课程设计的题目都比较贴近实际生活，如交通灯控制器、病房呼叫系统、出租车计价器等，要求学生在规定的时间内，在实验室中利用计算机软件完成电路的设计，再利用实验箱进行硬件的操作，因此对学生的实践锻炼非常有帮助。由于卓越班培养目标的特殊性，对其EDA课程设计作了一些特殊安排。首先，课程设计时间由两周延至三周；其次，设计题目难度增加，并且鼓励学生用“原理图”和“硬件描述语言（如VHDL）”两种方法来完成设计。

1）鼓励式指导、探索性实验 。在课程设计指导过程中，也注重应用鼓励式指导和探索式实验等方法，一则可以激发学生的设计热情，另外学生也会有更大的收获。例如有学生询问“模块的端口顺序如何调整”问题，实际上这个问题笔者此前也未遇到过，于是鼓励学生“希望你自己多探索、多尝试，如果成功一定将答案告诉我”。不久该学生找到了调整方法，并告之了指导教师，显得很兴奋很有成就感。笔者始终相信：鼓励方式比批评方式更利于学生的成长。

2）注重“渔”传授。正如“授之以鱼，不如授之以渔”，在EDA指导过程中，教师更注重“渔”的传授，让学生收获更多的“渔”。设计过程中，学生遇到的软、硬件问题非常多，如果指导教师单纯帮助学生解决问题本身，虽然所需时间少、能轻松一些，但这样学生收获并不大。正确的做法是：对于简单问题，将解决问题的方法、思路告诉学生，让学生自己动手解决；对于棘手的问题，教师固然可以帮助学生解决，但之后必须要讲解问题产生的原因、解决问题的原理等，即让学生做到“知其然，更要知其所以然”。

3）鼓励讨论、支持创新。目前，课程设计由于时间充裕，并未采用小组方式，而是一人一题（有重题）的方式进行。尽管如此，学生之间的相互讨论还是非常热烈的，对此指导教师持鼓励态度。只要适当引导和监督，学生间的学习、交流会使彼此学到更多的知识，正所谓“三人行，必有我师”。此外，对课设中出现的一些创新性设计甚至奇思妙想，教师也非常支持。每个题目都有一个常规的设计方案，但总有学习兴趣浓厚的学生不走寻常路，另辟蹊径，这种精神值得肯定和鼓励。例如“ALU算术逻辑单元”这个题目要求用LED显示计算结果，而一个学生进行了创新，改用数码管显示结果，更加直观。再如“自动奏乐器”这个题目要求演奏一个简单的乐谱，但一个学生利用其原理实现了《菊花台》整首曲子的演奏，并且为了获得良好的演奏效果，还自己购买了质量更好的蜂鸣器来播放。这确实是一个奇思妙想的杰作，对此指导教师给出了很高的评价。创新是工程设计之魂，难能可贵，必须鼓励、支持，对创新过程中的失败也应报以宽容之心。

3结束语

在“一点两面”教改原则的指导下，通过课内教学、课外训练和课程设计三个环节的环环相扣，使得《数字电子技术基础》的教学改革能够适应目前卓越试点班的培养目标。然而任重道远，作为新生事物的卓越计划会逐渐完善，伴随它的教学改革也会不断的进行下去。未来工作着重于“两强”：一要强化教师自身素质和能力，如定期组织研讨、交流经验等；二要强化新的教学手段和方法，如制作简易的实验板，以在课堂上实现一些重要内容的实验演示。

参考文献

[1]张文生,宋克茹.“回归工程”教育理念下实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].西北工业大学学报(社会科学版),2011,31(1):77-79.

[2]张安富,刘兴凤.实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高等工程教育研究,2010,29(4):56-59.

[3]黄震,毕卫红,张保军,等.光纤通信教学实践与总结[J].教学研究,2011,31(3):58-59.