自主研学的电工电子实践课程建设

胡仁杰+++王成华+++堵国樑+++黄慧春+++管秋梅

摘 要：在国家级实验教学示范中心建设中，东南大学电工电子实验中心以电工电子实践课程改革为突破口，设计了“强化项目背景工程性、强化知识应用综合性、强化实现方法多样性、强化实践过程探索性”的一系列实验项目，构建了具有“多知识点融合、跨理论课程知识融合、已有知识与拓展知识融合、课内实验与课外研学融合”特色的电工电子实践课程。通过案例分析、任务要求、考核规则及研学方法引导，使学生在自主选择任务要求、自主设计方案进程、自主构建实验平台、自主展示实践成果的实践进程中形成“创新意识思维、自主学习研究、项目组织规划、知识综合运用、研究探索发现、工程设计实践”的综合能力与科研素质。

关键词：课程体系；实践模式；实践环境；师资队伍；创新能力

一、电工电子实践课程改革背景

2000年以前，高校电工电子实验教学常常是理论课的附属。新世纪以来，各高校纷纷独立开设了“电路实验”、“模拟电子线路实验”、“数字逻辑电路实验”等多门自成体系的实验课程。

电工电子实践课程与电路、模拟电子线路、数字逻辑电路、EDA、在系统编程技术等电工电子基础课程相配合，是工科电类专业及部分非电专业的核心基础实验课程（见图1），也是我校电工电子实验中心教学工作的主体。

随着对学生自主研学、创新设计、工程实践能力与素养要求的提高，这种电工电子基础实验教学课程体系内容、教学进程模式的不足之处越来越凸显：

一是实验课程相对于理论课程独立设置，课程间知识结构壁垒制约了跨课程知识体系的综合性实验项目的开设，而现实工程实践中是很难划清知识体系的界限的。

二是受实验教学验证理论知识为主的传统影响，实验项目大都围绕知识点主观设置，实验习题化严重，解决方法单一，缺乏分析研究的空间。学生遇到实际工程问题仍然束手无策。

三是实验教学中教师直接传授知识有余，对问题的分析过程与解决方法引导不足。

四是实验课程大都是2～3学时的相互孤立的项目，任务要求统一有余，对知识的深度与广度要求层次少有梯度，因材施教不足，实验没有深入与升华的时空条件。

东南大学在创建研究性大学本科创新人才培养体系的进程中，着眼于学、思、知、行有机结合，将实验教学改革作为高层次创新人才培养模式改革的突破口。2005年首批入选国家级实验教学示范中心后，东南大学电工电子实验中心以学生自主研学创新实践理念为指引，深化分层次模块化实验课程体系、基于项目研究的创新实验教学、开放式自主实验教学模式改革，在开放综合的实践环境建设、实验教学全程现代化管理、国家精品资源共享课程建设等方面取得了显著成效。

二、电工电子实践课程改革与建设内容

在“尽早综合运用知识、尽早接触工程实际、尽早开展探索研究”指导思想下，东南大学电工电子实验中心确立了实践课程改革目标：以实验项目为载体、任务要求为驱动、过程考核为引导，促进学生分析思考、拓展知识、发现问题、探寻方法；以构思设计强化内容探究性、知识综合性、方法多样性、过程工程化的实验项目为基础，致力于教学目标实现途径与课程整体设计规划的研究探索；以示范中心、精品课程、教学团队及各级教改项目为支撑，构建“引导入门—基础系列—专题研究—科学研究”循序渐进的电工电子实践课程体系，并优化集成了软硬件条件及教学资源，满足学生自主学习、研究探索、设计创新、工程实现需求的开架式自助实践环境。

2008年，实验中心基本形成了全新的电工电子实践课程体系及教学规范。该体系由基础实践、数字电路、模拟电路、综合设计、课外研学五个教学模块组成。其中，课程体系强调知识纵横融合，使实践活动不受知识结构约束；实验内容从知识方法应用、综合设计到研究探索阶梯递进，强调实验项目要求的层次性和项目的工程背景。在教学方法方面，通过研学方法引导、案例分析引导、任务要求引导、考核规则引导，使学生养成 “自主选择任务要求、自主设计方案进程、自主构建实验平台、自主展示实践成果”的实践习惯。在教学管理方面，提出了从教学主任、教学秘书、课程负责人、设备维护负责人、普通教师、学生一系列角色的职责规范与要求。

1. 设计“四强化”实验项目，构建“四融合”课程体系

实验项目是教学的载体。我们以“强化项目背景工程性、强化知识运用综合性、强化实现方法多样性、强化实践过程探索性”为指导思想，设计开发了一批强化工程性、综合性、多样性、研究性的实验项目。根据电路、数电、模电等理论课教学进程，及由浅入深、由点及面、由单元到系统的认知规律，将实验项目配置到课程教学模块中。

教学模块各自有与同期理论课相关联的教学内容与教学目标。随着教学进行，实验项目逐步扩大知识覆盖面，实现“多知识点融合”；部分项目综合前期模块知识、拓展未学知识，实现“跨课程知识融合、已有知识与拓展知识融合”。

模块一：以元器件参数测量、电路频率特性测试、交流电路参数测试等结合电路课程的实验为载体，重在理解、掌握实验基础知识、基本方法、基本技能。在“黑箱电路参数测试”实验中，学生运用欧姆定理，根据电感、电容阻抗随频率变化的规律，通过改变施加激励类型与频率，边测量边分析，从前一步结果分析决定下一步测量方法；最终判断封闭在“黑匣子”中元件的性质并计算参数。每个学生研究对象不同，其差异性将导致实验方法的多样化，实验中尝试分析现象、构思方法、总结规律等研究探索的基本要素，实验后通过交流演讲共享群体智慧，拓宽视野。

模块二：从数字电路基本特性开始，由组合逻辑到混合逻辑电路、直到数字系统设计，实现从点到面的知识体系覆盖。其中，变步长计数器设计项目综合了时序、组合与运算等多种逻辑电路设计方法，实现了多知识点的融合，并为后续简易DDS信号源做了铺垫。

简易DDS信号发生器实验以变步长计数器作为存储器地址发生器，融合了前面逻辑设计、数据存储、数模转换等技术方法，在自主拓展滤波、数字锁相等技术基础上，最终实现波形、频率、幅度、相位皆可变的信号源，实现了已有知识与拓展知识融合。

模块三：模块三设置了5个单元实验项目和1个系统级项目（见图2）。每个单元实验都有自身的工程应用背景及教学目的，涵盖多门课程的多个知识点，构成简单的小系统；同时单元实验中的部分功能或电路，也为小系统音频功率放大电路的设计实现提供了很好的支撑，实现了由单元到系统。例如，自动增益控制放大器实验融合了模拟电路、数字电路、FPGA、单片机等多门课程的知识与技术方法，实现了跨课程知识融合。

实验教学改革带动了学生课外研学活动的开展。一大批具有扎实理论基础和实践创新能力的拔尖人才脱颖而出，实现了课内实验与课外研学的融合。

2. 推进教师“四引导”下的学生“四自主”实践模式

电工电子实验中心通过改革传统的教师讲解、学生验证的定式化教学模式，使教师在实验教学过程中亦编亦导亦演。我们通过研学方法、案例分析、任务要求、考核规则的引导，使学生进入自主研学的各个场景，成为实践的主角，养成研究探索习惯，并形成了学生自主选题设计任务要求、自主设计实现方案与进程、自主选择研究软硬件平台、自主构思展示实践成果的实践教学模式（见图3）。

模块四：模块四是“温度测量与控制实验”，说明了温度测量与控制方法的多样性：有多种方法实现温度信号的获取、放大、转换、处理与显示，温度升降控制也有多种模拟或数字实现方法，亦可在MCU或FPGA中运用不同算法实现指定温度或温度曲线控制。

该实验教学进程安排如下：

（1）课前提出温度测量、固定温度控制、温度曲线控制的任务，要求学生查阅资料，拟定实现功能，设定精度指标，构思实现方法。

（2）分组讨论交流系统结构、测量控制方法。

（3）初步测试帕尔贴温控装置特性。

（4）修订设计方案，选择仪器设备、电路模块，制定实施计划。

（5）在设计仿真基础上选择传感器、元器件，实现调试单元电路。

（6）制定测试方案，进行系统功能及指标测试，撰写提交总结报告。

（7）教师评审设计报告，现场验收项目。

（8）组织项目演讲答辩，评选优秀作品，制作展板及演示视频。

3. 集成教学资源，创造适应研究探索实践的环境条件

为了让学生能够充分自主、不受制约地进行自主研学探索，电工电子实验中心本着“硬件与软件协同、资源平台与交互渠道协同、开放实验与监管机制协同、教育理念更新与教学技术开发协同”的原则，在优化配置实践环境条件资源的基础上，进一步构建了开架式自助实践环境，学生可以根据项目需求自行选择配置实践条件。

（1）通过与院系合作共建、与国际高科技企业（TI、Schneider、Xilinx 、ADI、Cypress、Altera、Microchip等）联合共建，统筹布局、集成配置功能指标与规格齐全的仪器设备与设计分析软件，使学生的创新实践不受资源的制约，充分满足研究、设计、分析、仿真、实验、制作、焊接、测试等不同环节的软硬件需求。

（2）研发并装备电子电路、电器控制、电子系统、工程对象等多个系列模块化综合设计训练平台。实验模块可以灵活组合，重复为课程实验、实践项目和课外研学活动服务。学生可以根据项目需求，自主选择模块、元器件，构建个性化实践平台。

（3）建立了信息化网络教学资源平台，提供课程教学信息，设计制作丰富的教学辅助资源与教学拓展资源。

（4）实验中心重点建设了针对开放式个性化实验的教学辅助与过程管理系统，涵盖了课程组织计划实施、教学进程统筹安排、考核评价成绩统计、预约派位门禁管理、器件申请审批发放、实验信息现场采集、电子报告提交批改、实践项目进程管理、实验考试问卷调查、设备器件出入库管理等教务管理、工程管理与质量保障功能。首创了基于信息化管理技术的开放式自主实践全程管理模式。

实验课程管理：从实验项目库选择各种类别实验项目生成实验课程，设定考核方式与成绩构成比例，配置实验班级，安排教学进程与责任教师，设置授课与开放时间。

实验过程管理：从实验预习方案设计、选择实验元器件、教师审批实验方案、现场选择项目派位、实验座位电源控制、实验预习检查、实验数据波形采集、教师验收实验结果、学生自主验收实验、撰写电子实验报告、电子实验报告提交、教师批改实验报告等环节，进行实验全程管理。

实践项目管理：对课程设计、课外研学项目、学科竞赛培训等基于项目研究的实践活动实现全程管理。其中包括教师发布项目信息、学生提交项目申请、教师确认项目立项、学生提交项目认定书与设计文档、学生提交项目总结与作品视频、教师评审验收。

4. 倾心教学团队建设，打造高水平师资队伍

师资队伍是一切改革与建设工作的基础。电工电子实验中心始终注重教学团队建设，电工电子实践教学团队充分发挥教学名师引领作用，加强理念教育和文化建设；制定进修、培训、晋升和业绩考核的支持政策与激励措施，营造和谐工作环境；关心扶持青年教师成长，培养年轻教师敬业做人、严谨做事；形成定期学术研讨交流制度，博采众长，吸取精华；根据不同年级、专业与班级学风研讨课程配置、实施措施、教学要点；通过示范中心、教学团队、精品课程、教改项目、“985工程”建设等一系列项目的研究、探索、改革与建设工作，形成了一支由教学名师和高水平教授负责、核心骨干相对稳定、教学热情执着、教学思想先进、甘于合作奉献、服务意识坚定、知识结构合理，教学科研融合学术水平高、实践经验丰富、教学特色鲜明、敢为人先、勇于创新、专兼职相结合的实验教学师资队伍。

2010年东南大学“电工电子实践课程教学团队”获国家级教学团队称号。

5. 以课外研学为抓手，着力培养学生实践创新能力

电工电子实验中心以学生自主研学、管理为主要模式，以学生科技社团活动、“挑战杯”、全国大学生电子设计等学科竞赛，以及各级大学生科技训练为载体，以“在创新实践平台上组建学生创新团队”为培养机制，组织指导学生课外研学。课程教学团队是学校学科竞赛、科技训练项目的组织者与指导者。

通过课外研学活动，一大批具有扎实理论基础和实践创新能力的拔尖人才脱颖而出。2009年以来，修完电工电子实践课程的学生参加校内电类学科竞赛的人数超过6000人次，参加省级以上电子设计竞赛的学生超过3200人次，获得各种全国性高水平竞赛奖项80多项。2013年，我校学生在全国大学生电子设计竞赛中获得9项一等奖、5项二等奖。

三、结束语

为了深化实践课程教学改革，进一步完善实践课程教学体系，电工电子实验中心连续三年对学生开展了问卷调查。资料统计，87.1%的学生支持实践课程改革，95.7%的学生赞同实验内容安排，91.4%的学生对探究性及工程性实验有兴趣。这些表明，学生对实践课程教学高度认同，学生的学习兴趣和主动性得到很大的提高，实现了“创新意识、自主学习、综合运用、研究探索、工程实践”的教学目标。实验中心将进一步推进实验教学改革，并为改革成果的推广应用提供条件。

[责任编辑：夏鲁惠]