电子设计竞赛与实践教学改革

2013-07-19彭小峰

实验室研究与探索 2013年4期

杨奕，徐鹏，彭小峰

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆400054)

0 引言

电子设计竞赛是面向高校大学生的群众性科技活动，是教育部、信息产业部组织的学科竞赛，目的在于推动高等学校信息与电子类学科面向21 世纪课程体系和课程内容的改革，推动高等学校实施素质教育，培养学生工程实践能力、提高学生解决实际问题进行电子设计制作的能力，吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，特别是在高校大学生创新能力、协作精神培养方面，起到了积极引导和推进作用。

1 全国大学生电子设计竞赛的特点

全国大学生电子设计竞赛起源于1994 年，每2 年举办1 届，竞赛中规定了3 人组队，竞赛时间(4 天3夜)，竞赛规则及评审要求等［1］。电子设计竞赛的特点:①“政府主办、专家主导、学生主体、社会参与”的组织运行模式;②竞赛规模大，参赛人数多，具有权威性和影响力;③涉及到的专业知识面广，其中包括模拟电路、数字电路、高频电路、传感器技术及应用、微机原理、单片机接口技术、CPLD 可编程技术、DSP 技术、自动控制原理等多门课程;④综合性、应用性强。竞赛题目中大多都是工业、科研、实验等方面经常用到的电子技术知识，必须依靠多学科知识才能完成［2］。同时，选手们还应具有较强的电路设计能力、实验操作能力、计算机应用能力以及队员之间的团队协作能力等［3］。

2 “大基础、大工程”人才培养模式

我院于1995 年就组织学生参加电子设计大赛，通过近几届的赛前培训和正式比赛发现学生的理论基础不够扎实，动手能力较弱，工程素养较差，设计方案生搬硬套，创新意识较弱等方面的问题。说明现有人才培养模式和课程体系急需改革。

我院在2005 年对自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、电子信息科学与技术等专业按电气信息大类制定人才培养方案，将各专业的公共基础、专业基础模块进行整合，建立了统一的公共基础平台和学科基础平台，并率先在我市高校实行按大类招生的培养模式。同时在“大基础、大工程”的教育理念指导下，加强了工程实践能力培养环节，开始“2 +1 +1”人才培养模式改革实践。“2 +1 +1”模式即:前两年按电气信息学科大类进行“大基础”的基础理论教学，面向电气信息类所有专业设置;第三年根据学生志愿按专业方向进行分流培养;第四年根据市场需求和学生的就业情况进行工程能力的培养。“2 +1 +1”分段培养充分贯彻了“大基础、大工程”的教育理念，体现了我院“通才与专才相结合、共性和个性相结合、个人发展与行业需求相结合”的人才培养特色。参与电子设计大赛的学生主要是三年级的学生，通过两年电类基础课程的学习有了一定的理论基础，在第三年的专业分流培养过程中，主要是开设专业基础课程，并配以相应的实践教学环节，而针对电子设计大赛的综合性、个性化实践教学环节较少，目前我院主要通过电子设计竞赛教练组组织学生进行课外培训解决。因此，对于进入专业阶段学习的基础素质较好的学生有必要提前开设类似于专业综合设计的创新性和个性化的实践环节，为电子设计大赛锻炼队伍，提高学生的综合设计能力。

3 电子设计竞赛与实践教学改革

我院经过几年的教学实践，在“大基础、大工程”背景下构建了4 层次(实践技能层、学科基础层、综合应用层、创新实践层)和12 类(计算机基础、物理实验、专业实验、生产实习、创业实践……等)实践活动融合贯通的“4·12”实践教学体系(见图1)。实践教学按“分层培养，阶梯递进，逐步提高”的方式进行，通过开设阶梯式工程实训系列课程，每一个阶段完成对一种能力的训练，循序渐进地提升学生工程认知、实验、设计和实施能力，体现了能力训练的渐进性。

在原有的人才培养方案中，专业综合设计和创新性实验主要集中在四年级开设，相对于电子设计竞赛有一定的滞后性，因此，可以考虑将一部分的四年级阶段的实践环节提前到三年级下学期进行，但同时这样的调整必然会影响到常规教学计划。下面就我院多年竞赛培训和实践教学的情况提出相应的改革措施。

图1 “4·12”实验与实践教学体系

3.1 建设柔性综合实践教学体制［4-7］

专业综合实践环节可以考虑在三年级下学期和四年级上学期分别开设，学生可以选择在任意阶段完成该环节，采用分散和集中相结合的管理方式，为了不过多影响原有的教学进程，在三年级下采用分散方式进行综合实践环节，针对参加电子设计大赛和一些学有余力的学生，主要为三年级的学生，也可以吸收大二的学生参与实践过程，辅助三年级同学完成电路板的绘制以及元器件的焊接等工作。在学生选课前，每位电子设计大赛指导老师拟定1 或2 个综合实践题目，每个题目限定一组学生(3 人)完成，指导教师定期对课题进展情况进行监控，学期结束前，指导教师组根据课题完成质量以及答辩情况进行综合评价，考核通过的学生提前获得相应专业综合实践环节学分。建立柔性的综合实践教学体制，将电子设计培训工作转换为实践教学环节，能有效的调动师生双方的积极性，使参赛学生提前完成综合性设计能力方面的训练，为后期的集中培训环节奠定了基础。

3.2 完善导师责任制

通常集中综合实践教学环节是一位老师面对多组同学，整个环节集中在2 到3 周的时间，而很多老师在此阶段还有其他的授课教学任务，指导的时间和效果都无法保证。通过柔性的实践教学方式，并将整个2到3 周的集中实践环节分散到整个学期进行，老师可以在整个学期中弹性安排指导工作，并对实践过程有效的监控，实践过程的控制可以参照毕业设计的管理模式。指导教师主要为参与电子设计竞赛的教练组成员，同时具有科研项目的其他教师也可以提出相应的题目供学生选择［8］。教练组人员配备采取“以老带新”方式，老教师在实践教学过程中充当组织者和技术带头人，青年教师主要承担具体指导工作，每个青年教师都有相应的老教师作为直接责任人，形成“指导梯队”，即有利于发挥青年教师的主观能动性，也能有效利用老教师的丰富设计经验［9］。同时我院在指导教师工作开展方面也提供许多便利条件，如设立电子设计大赛专用实验室，并提供相应的硬件设备和元器件支持，同时面向全院老师开放专业实验室，专任教师可以参与指导学生实验工作并从事相应的科研工作。

3.3 建立开放性综合实验室

从我校参加电子设计大赛以来，培训和指导工作一直由我院相关老师组织负责，培训基地以前只能依托于基础实验中心或专业实验中心，主要的仪器设备都必须从实验中心借用，培训时间也集中安排在暑假期间，给实验室的管理工作带来了极大不便，尤其是近几年学生参赛人数的增多，各方面资源矛盾显得尤为突出。建立开放性的综合实验室能有效解决资源分配的矛盾，开放性综合实验室作为专业实验中心的一个下设实验室，服从实验中心的统一管理，其核心作用是承担学生课外电子制作辅导和各类电子设计竞赛的培训任务，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，为学生创新精神和实践能力的培养提供宽广的平台，同时实验室也针对大四学生开设专业综合设计等实践环节。仪器设备实行“专用专管”制度，实验室单独配套各类专用仪器设备，不占用其他实验室的仪器设备，实验室可以安排电子设计大赛指导老师作为管理人员，各专用设备落实相应的责任人［10-12］。开放性综合实验室是针对全校参加电子设计大赛的学生和老师开放，学生须经过校级电子设计竞赛的选拔测试，合格者方能进入实验室参加各项培训活动。

在“大基础，大工程”原有实践教学模式下，通过设立柔性实践环节、完善导师负责制以及设计开放性综合实验室等措施，才能使我们的参赛学生在正式比赛之前得到一定综合设计能力，并通过课程学分及答辩环节保证实践过程的质量。

3.4 建立虚拟实验检测平台［13］

在有限的空间和资源条件下，充分利用和结合校园网络的优势，建立虚拟实验平台，帮助学生在电脑上结合仿真软件自己设计检测电路，利用网络实现学生和老师及时交流指导。指导学生自主学习网络教学数字资源的建设为电子设计培训提供了有利的学习资源保障。有效锻炼学生电子设计能力的培养和学习。

网络虚拟实验就是在Web 中创建出一个可视化的环境，其中每一个可视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进行虚拟的实验。整个平台的设计采用ASP.NET+SQL Server 架构，再利用客户端Javascript 脚本控制实验过程。通过有效地运用服务器安全策略，并配合客户端Javascript验证技术，可以尽最大可能地保证实验过程及实验数据的真实有效性，同时也能减轻老师在检查实验时的工作负担。

(1) 网络化的自主学习( 强化学生理论基础知识) 。建立一种新型的“学生中心论”的学习模式，给学生提供自由发挥想象力和进行创新实验的软件平台。利用网络平台，学习不再是一个被动地接受知识的过程，而是主动发现知识的过程;学习者可以自主监控自己的学习过程，根据实际需求，自主选择最适合自己的学习内容和学习策略，见图2。

图2 自主学习演示实验版块

(2) 网络化的自主实验( 提高学生工程应用能力) 。构建网络虚拟实验平台，建立一个超越真实环境约束的虚拟实验环境。通过网络进行自主学习、自由讨论、创新设计，实现资源上的共享、内容上的开放、实验上的交互，见图3。

图3 自主实验虚拟实验版块

(4) 有的放矢，强化自主学习检测。常规实物实验绝大多数学生不预习，盲目实践(盲人摸象)，通过这个环节的监控，使学生在实做测试过程中有的放矢，带着问题来，提高了分析问题和解决问题的能力，有效地提高学生工程实践能力，在电子设计培训中起到了很好的指引检测学习作用，见图4。

(4) 普及性教育为主，精英为辅助，精英带动普及。在电子设计培训过程中，“全面撒网，发掘精英，并重点培养;精英向同级或低年级学生进行‘传帮带’，加快学生群体自我能力的提高，营造良好学习氛围”，这充分体现了老师的指引作用和学生的互助学习、以老带新作用，以及团队合作精神。

图4 自主实验自动检测版块

虚拟实验平台是对教学模式、管理模式、交互方式等进行全新建构后形成的数字化自主、互动的实验教学和实验室管理工作环境，较好地解决了困扰目前实验教学改革进一步深化过程中的3 个难点:学生自主选择实验项目的信息披露和记录适时性、学生自主学习的网络教学数字资源的建设、突破传统物资管理软件重管理实物而轻服务教学的局限，形成了实现实验时间和项目的自主选择、背景知识和信息的适时支撑，符合进一步提高本科实验教学质量要求的实验教学运行管理整体解决方案。

4 多方位教学培养锻炼

电子设计竞赛是对学生全方位能力的一次综合测试与检验，根据历年竞赛经验，在自主学习的网络虚拟实验平台中，不仅提供多个课程的自学模块(含教学视频与强化联系)，还对提供了电子设计竞赛所需各类模块。提高学生电子设计和实践动手能力［14-16］，并在电子设计竞赛中获得显著效果:

(1) 基本技能训练与单元电路设计。内容多样化，包括运算放大器、信号发生器、常用传感元器件等各种电路;并通过完成网络实作，在线检测调试和总结报告，学生均能掌握常用电子电路的设计与制作的能力。

(2) EDA 软件( 单片机) 系统的训练。学生初期可选择Multisim、Protus 等仿真软件，以掌握电路仿真能力;同时开设单片机编程的系统训练，学生根据自己能力，选择了AT89S52、AVR、STM32 等不同的MCU 电路学习和掌握。

(3) 综合系统训练与检验。经过前面网络单元模块学习与实做，根据学生软硬件设计能力的偏向性划分队伍，能促成竞赛队伍磨合成型;竞赛队伍不断参加校级省级比赛(如盛群杯，飞思卡尔等比赛)，以赛代练，能更好的了解比赛过程，积累竞赛经验，为参加全国电子设计大赛做好充分准备。

5 结语

大学生电子设计竞赛为学生施展才能提供了舞台，同时也推动了“大基础，大工程”人才培养模式下实践课程教学改革。通过近几年对实践环节的改革，教学效果有了一定的提高，学生在实验课程中形成的综合创新实验能力在全国学生竞赛活动(例如全国大学生电子设计竞赛和挑战杯大赛)中得到了印证，成绩逐年提高。但改革创新是永无止境，随着新技术、新知识的不断涌现，如何将其融入教学中，如何提高学生自主学习、自主创新、自主设计的能力，提高学生的工程素养，培养创新人才是高等学校的长期任务。为此，我们将不断地探索、努力提高教学水平和教学质量。

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