大电子实验教学平台建设和教学方式的改革

2015-12-23成谢锋郭宇锋黄丽亚孙科学

实验室研究与探索 2015年9期

成谢锋，郭宇锋，黄丽亚，肖建，孙科学

(南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京210003)

0 引言

为了实现中国梦，建设有创新性特色的中国工业，培养一大批能够适应和支撑中国新工业的工程技术人才，使我国从工程教育大国走向工程教育强国，我国教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”。“卓越工程师教育培养计划”的重要特点之一是强化培养学生的工程能力和创新能力。电子信息类实验教学是高等院校理工类专业学生重要的专业基础课，也是学生在大学教育阶段的主要工程性实践环节，它对培养学生的素质和能力十分重要，实验教学效果对学生专业技能的培养以及就业都将产生直接影响［1-9］。

南京邮电大学“电子与科学技术专业”成功入选首批“国家卓越工程师教育培养计划”，在4 年实施教育培养计划过程中，构建了一个面向卓越工程师教育培养的电子信息类实践教学体系。针对卓越工程师培养目标，设计和建立了电子信息类大电子实验平台，形成了以“实验内容—教学方法—教学目的”为经，以“基础学科技能培养—综合设计能力训练—创新能力培养”为纬的多层次、立体化的“三横三纵”的实验实践教学体系，并且在此基础上分析卓越工程师教育的具体实施方法，重点探索了4 种工程化教学方式:基础实验的工程化教学方式，创新实验的工程化教学方式，校企合作的实验室建设方式，实验教师团队的工程化建设方式，讨论了实验教学质量状态和效果的感知与评价手段。通过建立面向卓越工程师培养的大电子实验平台和实验教学方法，能有效强化学生实践能力和自主创新能力，从而全面提升学生的综合素质，获得了显著的教学成效和社会效益。

1 实验教学与卓越工程师培养的关系

卓越工程师的培养是一个系统工程。卓越工程师应具备扎实的专业知识与工程实践能力，创新能力与自主学习能力，以及良好的团队协作能力。实验教学是学生理论与实践结合的重要环节，通过实验教学中的综合设计和创新实验等环节，可以让学生形成良好的创新思维和创新实践能力，是高校卓越工程师培养必不可少的环节。面向卓越工程师培养的电子信息类实验教学体系的建立需要一个探索、改革、完善的过程，需要在实践中不断总结提高，进而在实践教学方面进行更深入的改革和建设，促进“卓越工程师”培养向纵深发展［10-15］。

2 大电子实验平台建设和实践教学模式的改革

2.1 电子信息类大电子实验平台建设

在卓越工程师教育培养的实验实践教学中，我们建设了电子信息类大电子实验平台，如图1 所示。其中电子电路实验子平台提供电子电路的基础训练，巩固和加深对电路分析、模拟电路和数字电路等课程中相关原理的理解，实现理论教学与实验教学的相互促进;微波与射频电路实验子平台设有微波设计与测试2 个模块，基于该平台，学生可掌握微波电路器件、天线的一般设计方法、仿真与优化手段及现代测量技术，培养微波射频工程师所具备的基本素养;天线与电波实验子平台基于“可视化实验教学”理念和“工程化实验教学”意识，使学生直观地了解并掌握基本测量技术手段，动手设计、加工制作各类小型天线，提升无线电相关专业的工程实践能力;嵌入式系统实验子平台注重虚实结合、学用结合，培养学生掌握嵌入式系统基本原理和复杂电子系统的实验与综合设计能力。综合创新实验平台以培养高素质科技创新人才为出发点，面向全校，组织和接待大学生电子创新活动。

图1 电子信息类大电子实验平台示意图

大电子实验平台还融合了学校的“江苏-新加坡有机电子与信息显示联合实验室”，成为了具有国际视野的电子科技专业人才的培养基地和协同创新基地。同时还与TI、NI、Altera、Xilinx、Cadence、ACTEL、瑞萨等国际知名电子信息企业建立了9 个校企联合实验室，利用校企联合实验室，学生既可以接触到业界最新的技术，又可以从企业专家的授课中获得工程实践能力的提高和工程意识加强。此外，还在熊猫电子、华为、普天通信、江苏省邮规院等国内知名电子信息类40 家企业建立了实习实践基地和卓越工程师培养基地。通过这些基地完成对学生的生产实习和认识实习教育，让学生可以熟悉生产流程、了解市场需求、培养工程意识和吸收工程经验。

2.2 “三横三纵”的实验实践教学体系

依托电子信息类大电子实验平台，我们形成了以“实验内容—教学方法—教学目的”为经，以“基础学科技能培养—综合设计能力训练—创新能力培养”为纬的多层次、立体化的“三横三纵”的实验实践教学体系。第一层次为基础学科技能训练。主要培养学生的基本实验技能，我们根据不同的专业的培养目标，既考虑共性需求，又兼顾特殊要求，设计了系统完整的电子信息类专业基础实验模块。首先构建了通用基本技能实验模块，主要是电子电路的分析、设计、组装和测试技能，这是电子信息类学生都应当具备的实验技能;其次根据不同的专业和学科的要求，构建了专业基本技能模块。比如微电子专业的半导体器件设计模块和集成电路设计模块，电磁场与无线技术专业的微波和射频电路设计模块和电磁场仿真实验模块，电子科学与技术专业的的微纳材料制备模块和表征模块等。第二层次为综合设计能力训练。它通过构建课程设计、综合设计、毕业设计和专题研讨等实验实践模块，实现不同知识点、不同课程和不同学科之间的知识整合、重构和融合，其目的是进一步巩固学生所学专业知识的基本概念、基本原理和分析方法，培养综合运用所学知识分析和解决问题的能力，实现知识的活学活用，同时培养学生的自学能力、思维能力、实践观点和团队合作能力。第三层次为创新能力培养。这是实验技能培养的最高层次，主要依托本实验室的优质软硬件资源和师资力量，以各类创新项目(STITP、开放实验等)、学科竞赛(电子设计竞赛、机器人竞赛等)和科学研究为载体，采用灵活的课外组织模式，培养学生的创新能力、思维能力、合作能力、科研能力、管理能力和工程意识。

针对不同的实验内容，我们采用了不同的教学方法，针对第一层次的基础学科技能训练实验内容，采用了可视化、信息化、规范性等教学方法;针对第二层次的综合设计能力训练实验内容，采用了个性化、开放式、虚拟化等教学方法;针对第三层次的创新能力培养的实验内容，采用了工程化、协同化、实用化等教学方法。始终把实践和应用能力、研究和创新能力的培养放在重要位置;坚持以学生为中心，以培养目标为导向，努力实现人才培养目标与社会需求的有机结合。

3 四种工程化教学方式的探索

3.1 基础实验的工程化教学方式

基础实验主要是针对基础理论课的验证型实验，是卓越工程师培养的根基，主要包括电子装配、电子电路基础等实验子平台的教学内容。通过这些基础实验教学，使学生加深对基础理论的理解，掌握实验仪器的使用和其他的实验手段和方法，激发学生对实验的兴趣，从而可以进行更高阶的实验。随着卓越工程师的培养目标和培养标准的调整，基础实验的工程化教学模式也要做相应的变化，从而体现基础实验教学模式满足培养目标的要求。基础实验的工程化教学可以采用如下一些方式:

(1)全面实施实验室面向学生开放制度。为了使学生在实验活动中由被动变为主动，开放实验室中实验内容开放、实验时间开放、实验元器件开放，学生可根据自己的学习进度和时间通过手机预约实验，实验过程可录像，实验后提交电子版实验报告，指导教师确认后认可该实验成绩，达到规定实验评分，该实验课程可免考试，成绩由指导教师根据学生平时实验记录成绩进行综合评定。

(2)随着现代生产工艺的改进、生产设备的更新和先进制造系统的更新，需要学生了解主流的生产工艺设备与制造系统，相应的基础实验和实习课程设置和教学内容应该进行及时的调整和更新，增加这部分的认知实验。在电子装配实验子平台中增加最新的电子设备生产流水线，开设新的实习内容。

(3)基础实验不仅要引导学生根据实验结果与理论结果进行对比研究，还要深刻理解相关的工程意义，让工程应用这条主线贯穿于整个基础实验教学过程中。这要求实验教师本身必须多熟悉相关的工程案例，多参与工程实践，多做科研，以提升自身的工程能力，这样在基础实验教学过程中才能有效的融入工程案例，让学生了解与电子信息工程专业相关行业的生产、设计、研究与开发、环境保护和可持续发展等方面的方针、政策和法津、法规，正确认识电子信息工程对于客观世界和社会的影响，在小事上锻炼能力，在大事中展示智慧，培养具有创造精神的新型大学生。

3.2 创新实验的工程化教学方式

目前，部分高校建立创新实验室，以“挑战杯”和“全国大学生电子设计竞赛”等科技竞赛为目标，取得了很好的效果。但这主要是针对少部分的参赛学生。为了进一步加强实践能力和创新意识，在创新实验的工程化教学模式中:

(1)首先对培养目标进行了修订，强调了对创新意识与方法、工程实验、工程设计等方面的要求，相应地对培养方案进行了修改，在自主个性化学分部分增加了补充要求，规定电子信息专业每位学生至少有1个自主个性化学分必须来自科技创新活动或学科竞赛或实践项目。没有该学分将达不到毕业的要求。

(2)倡导工程项目较多的教师吸收学生参与科研活动和创新实验活动。在“大学生创新训练计划”(STITP)中，遵循“注重过程、兴趣驱动、自主实践、鼓励创新”的原则，重点引入教师科研与技术开发(服务)课题中的子项目，开放实验室中的综合性、设计性、创新性实验项目，以及工程实习基地中的创新性子项目(包括创业计划与职业规划等创新项目)。

(3)根据企业提出的实践要求，将这些实践要求划分成若干个实践子项目，或者将教师与企业合作的科研项目划分成若干个科研子项目，在校企联合培养基地，使实践面向工程实际，促进学生必须参与实践和创造，使他们在相关企业的实际环境中，通过参与实际工作，了解课堂知识学习与企业实际工作岗位之间的关系，学习社会文化与企业精神，了解社会与企业的用人需求和对人才的要求，在实际工作中锻炼自己。

(4)在综合实验设计和电子实习应该更注重工程实践，增加与工程实践关联度高的工程设计类题目，体现专业特色。

通过上述工程化教学模式使学生掌握在电子信息技术领域基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识，能够综合运用所学理论和技术手段进行电子系统的设计、开发和分析，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素。

3.3 校企合作实验室建设的方式

学校的教学活动基本上还是与实际生产活动相脱离的。培养卓越工程师，要求在人才培养过程中企业深度参与，就是要回归工程教育，让理论学习与实践教学重新整合。学校和企业可以在一定框架下实现资源共享。

(1)学校可以跟企业签订协议，将有条件的实验教学内容在企业完成，将理论教学与生产实践相结合;或者利用学校教学资源完成企业部分产品的设计、生产，让学生参与其中，让学生将所学内容与工程实践相结合，并在工程实践中不断涉猎新的知识。

(2)在校企合作实验室建设模式中，依托学校的“江苏-新加坡有机电子与信息显示联合实验室”，定期邀请国际、国内专家举办技术讲座，培养具有国际视野的电子信息领域的专业人才。

(3)与企业合作，共同设计一套适合电子信息学科发展的校企合作实验室。该实验室可以采用软件与硬件相结合的方式，利用先进的虚拟离线软件和设计仿真软件及企业提高的精密仪表有机整合，实现实验教学能力的提高，并满足科研中从设计到定型生产的各个环节要求。

(4)实验中心与企业合作开发最新的实验培训教材，开展相关培训或讲座，让国际上知名大企业的培训讲师走进课堂，拓展学生的国际视野，培养学生交流、竞争与合作的能力。

(5)选择的校外实习基地要用针对性，应体现出电子科学与技术专业的核心价值，要具有很强的专业工程背景。

3.4 工程化实验教师团队建设的方式

实验教师团队是工程实践能力培养的基石，以学生工程实践能力的提高为焦点，充分发挥校内教师的积极主动性和作用，以工程创新型人才培养为目标开展合作教学工作。工程化实验教师团队建设的方式为:

(1)组织青年教师利用暑假带学生到企业实践基地进行生产实习;选派教师参与企业设备客户培训;新进青年教师必须经过“社会实践、生产实习、企业毕业设计带队”锻炼，促进其工程素养与能力的提升;选派科技特派员、企业博士后到企业锻炼，指导大学生创新实验和创业计划项目等方式，增强教师的工程经历，提升教师队伍的工程实践和工程教育能力。让骨干教师定期、分批到企业实践和培训，参与企业的相关产品设计、生产和管理过程。

(2)鼓励和引导专业教师依托学科研究方向，积极争取各类科研项目，争取并实施产学研项目，开展与企业的科技合作。比如申报华为、中兴等企业的创新研究计划项目。遵循自愿申报和公司资助的原则，鼓励教师申报这类企业计划项目，同时将企业研究项目作为实验中心建设的一项评价指标。校内教师还可以与工程实践基地兼职教师合作申报省产学研联合创新项目和省科技成果转化专项资金项目，力求合作发展、共同进步。

(3)引进企业兼职教授。近年来有来自企业的30 名工程技术专家为电子信息工程专业的学生进行形式多样的教育教学指导，如通过课题合作研究、开设讲座课程、学术交流、联合指导本科生毕业设计等多种形式，积极参与卓越工程师的培养活动。

4 卓越工程师培养效果评价

为了检验卓越工程师培养目标的达成度，学校和学院定期对毕业生服务社会的能力进行跟踪调查。学院深入学生就业单位调研，通过与学生就业单位人力资源部门座谈、对学生就业数据分析等方式跟踪毕业生的就业和发展状况，以对培养目标的达成进行衡量和评估。对培养目标的实现与否进行衡量与评估的主要措施包括:

(1)对学生主要就业单位进行调研，跟踪了解企业对毕业生反映。

(2)召开毕业生座谈会，及时了解毕业生工作、事业、发展状况。

(3)通过麦可思调研报告和NSSE-China 问卷调查等方式对学生的学习进行评估，获取“麦可思——南京邮电大学毕业生中期职业发展年度报告”。

通过实施所述专项调查分析，可以了解和掌握在校生与毕业生对实验教育教学质量状态和效果的感知和评价，形成了以“学”为中心的校、学院两级实验教学评价和质量保证体系，通过学生、教师间良好的互动反馈，进而提升以学生为主体的实验教学质量，并且通过评估可以了解培养目标的达成度，同时也对培养目标本身进行了评估，相关评估结果，可对制(修)订新一轮卓越工程师培养培养目标及培养方案提供参考。

5 结语

我校“电子与科学技术专业”在4 年实施卓越工程师教育培养过程中，建设了电子信息类大电子实验平台，形成了“三横三纵”的多层次、立体化实验实践教学体系，探索了工程化实验的实施细则和方式，基本达到了卓越工程师培养目标。依托该实验平台指导完成国家级、省级和校级大学生创新实践项目(STITP 项目)300 余项，承担了历届全国/江苏省大学生电子设计竞赛的校级选拔、培训和竞赛组织工作，构建了系统的面向大学生科技创新和竞赛培训体系，受益学生达1 500人/年。在该平台的支持下，我校学子在全国大学生电子设计大赛、挑战杯、全国大学生机器人大赛和美国机器人公开赛等重要赛事中，屡创佳绩，近3 年来获得省级以上大学生电子类设计竞赛奖共计近200项，其中国家级90 余项。承担大学生科技创新计划250 余项，其中国家级110 余项。近年来，实验中心教师主持的教改项目已获8 项省(部)级奖，6 项校级奖，多次获得“开放实验项目优秀组织单位”的称号。

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