以提高动手能力为导向深化工程教育改革——以四川文理学院电子设计竞赛组织培训工作为例

易 鸿

(四川文理学院 智能制造学院，四川 达州 635000)

一、工程教育认证背景

(一)华盛顿协议的签署

工程教育认证制度源自西方，是对高校培养出的毕业生是否合格的一种认可。

1989年由美国、英国、加拿大、爱尔兰、澳大利亚、新西兰6个国家的民间工程专业团体发起和签署《华盛顿协议》，协议规定任何签约成员须为本国(地区)政府授权的、独立的、非政府和专业性社团。目前《华盛顿协议》有正式会员10个，分别为来自美国、英国、加拿大、爱尔兰、澳大利亚、新西兰、中国香港、南非、日本的民间团体和中国科协；预备会员5个，分别为来自德国、马来西亚、新加坡、韩国以及中国台北的民间团体 。《华盛顿协议》是国际工程师互认体系的六个协议中最具权威性，国际化程度较高，体系较为完整的“协议”，是加入其他相关协议的门槛和基础。该协议主要针对国际上本科工程学历(一般为四年)资格互认，确认由签约成员认证的工程学历基本相同，并建议毕业于任一签约成员认证的课程的人员均应被其他签约国(地区)视为已获得从事初级工程工作的学术资格。2013年，我国加入《华盛顿协议》成为预备成员，2016年年初接受了转正考察 。2016年6月2日，在吉隆坡召开的国际工程联盟大会上，全票通过了我国加入《华盛顿协议》的转正申请，我国成为第18个《华盛顿协议》正式成员。[1]

华盛顿协议提出的工程专业教育标准和工程师职业能力标准，是国际工程界对工科毕业生和工程师职业能力公认的权威要求。华盛顿协议强调遵循实质等效的原则，实质等效的两个方面即“形”和“实”，“形”可以有差别，即培养目标和内容等可以有差别，但“实”必须等价，即各自培养的毕业生是合格的，能够胜任工程行业的工作。

(二)工程教育的核心理念

工程教育教学设计要以学生知识、能力、素质达到既定标准而设计师资、课程等教学资源配置，以保证学生学习目标达成为导向质量保障与评价以学生学习结果为唯一标准。专业的培养目标、毕业要求、教学环节都要进行达成度评价每一个教学参与者都要进行评价，建立评价的机制和周期常态化、制度、证据，评价结果必须用于改进课程、毕业要求、培养目标。

1. 成果导向理念

产出导向(成果导向)-Outcome-Based Education1981年由Spady率先提出，被认为是追求卓越教育的正确导向。[1]《华盛顿协议》全面接受了OBE理念,OBE强调如下5个问题：

(1)我们想让学生取得的学习成果是什么—目标；

(2)我们为什么要让学生取得这样的学习结果—需求；

(3)我们有效帮助学生取得这些学习成果—过程；

(4)我们如何知道学生已经取得了这些成果—评价；

(5)我们如何保障学生能够取得这些学习成果—改进。

产出导向基于课程教学计划核心是确定课程，教学实施过程是安排上“好”每门课，教学评估是评价每门课上得怎么样。基于产出教学目的是使毕业生达到一定的能力要求，教学计划要反映对毕业要求的支撑，上“好”课就上有效完成相应的支撑，逐项评估毕业要求是否达成。

2. 工程教育毕业要求

华盛顿协议中对毕业生的培养目标是成为一名合格的工程师，对工程知识的要求是能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。悉尼协议对毕业生的培养目标是成为一名合格的工程技术员，对工程知识的要求是能够将数学，自然科学、工程基础和专业知识用于确定及应用工程流程、程序、系统和方法。都柏林协议对毕业生的培养目标是成为一名合格的技术工人，对工程知识的要求是能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于广泛的实践操作性流程和实践工作。[1-3]

3. 国际等效的毕业要求

(1)工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。

(2)问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。

(3)设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。

(4)研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。

(5)使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。

(6)工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。

(7)环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。

(8)职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。

(9)个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。

(10)沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。

(11)项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。

(12)终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。

4. 工程教育的实施与评价

在理论课程教学方面追求学生对基本原理的掌握：就是要能够理解其精髓，掌握其思想和方法，要求将基本原理与工程实践问题有机地结合起来，探讨应用的方法，在基本原理与工程实践结合的实际案例中体验原理之美，在教学过程中不能简单地照本宣科，要引导学生探索、思考，使学生逐渐养成分析、探索之习惯，适当地归纳总结，将知识和方法等串起来。

相应的对于理论教学的评价主要考虑考核内容和评分的合理性，这是基础数据，认证的核心，摆脱“概念、填空、单选、多选、判断对错、简述、简答……”等为主的考核，摆脱简单追求及格率的倾向；按照教学大纲规定的内容进行考核，直接体现该课程支持的所有毕业要求指标点达成情况的评价；保证相应计分能够体现相应毕业要求达成度的评价有效的实施与评价。

在实践教学方面：实践教学与理论教学有机结合，且追求理论指导下的实践：设计、实现、分析能够有效地促使学生掌握深入的工程原理，努力结合工程实践，避免简单地为了实践而实践，要构成体系，要从简单到复杂，从小规模到大规模，要注意给学生创造机会：协作、沟通、表达、组织，恰当的载体。使学生经历复杂工程(系统)构建，构建过程中体现知识、技术、方法的综合应用基础硬件系统、基础软件系统、应用软/硬件系统，教学大纲要明确任务，要明确对应毕业要求指标点。在实践教学的开展方面：分析、研究相关内容(数据)，引导搜集相关资料和信息，学习新的技术，帮助学生掌握实验范型；追求设计与实现，追求与人与物的多方协同，实践中不断探索，学习系统和工作评价；引导学生实现团队协作，学习将系统的构建和社会关联起来，关注自己的社会责任；引导学生养成分析、探索之习惯，增强解决问题能力；做到课内、课外相结合，引导学生深入考虑问题及其解决方案、方法、途径、工具、具体体验原理之美。

二、针对学科竞赛的理论教学改革

教学要围绕培养学生的全面素质和创新能力这个重要目标，打破传统的教学模式，建立起“理论、实践、研究”三位一体的新的教学模式，创建新的教学体系，整合教学内容。

在训练和竞赛过程中，要广泛地了解、使用新技术、新器件，更清楚地认识到当前电子技术的飞速发展，对教学提出了新的要求。要培养跨世纪的科技人才，必须不断改进教学内容。为了适应电子设计竞赛的新形势，舍弃过时陈旧的内容，比如分立元件电路和数字电子技术实验中过多的小规模集成电路实验；适当提前引入单片机、CPLD、FPGA以及SOC芯片的应用等新的内容。

(一)主要相关课程改革举措

1. 基本电路设计分析能力培养所牵涉的课程：电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路。

2. 电子系统实现能力培养的相关课程：实现硬件平台：微控制器、可编程器件、DSP器件及应用；实现软件手段：汇编、C语言、数据结构、嵌入式技术。

3. 电子系统分析能力培养方面所牵涉的课程体系分为两个部分，公共基础：电路分析、信号系统、数字信号处理；专业方向：通信原理、自控原理、电子测量仪器、雷达原理等。

4. 工程教育体系下电子设计应用训练层次化实施：课程级项目：课程实验及主要课程项目；课程群级项目：结合2-3门课程的学期设计项目；专业级项目：跨学期的综合性项目、毕业设计；创新学分：学科竞赛、科技社会实践。

具体改革实施过程以电路分析课程为例，该课程突出知识的工程应用，内容上采用以基本原理、基本理论结合典型工程应用实例的结构方式。另一方面，问题驱动理论与方法的学习；设置工程应用实例分析与电路设计内容，提高学生学习兴趣及理解知识的能力。比如把三极管模型引入电路分析，做好和后续课程模电的衔接。

(二)教学质量考核评价的变化

通过试题体现素质教育及工程教育的要求，进一步贴近基础及工程应用、并包含一定比例的实验教学内容，注重对考生运用所学知识分析问题、解决问题能力的考查。 在各专业课程考核时做到以下几点：

1. 减少纯记忆性题目数量。

2. 考题设计强调概念性、灵活性，简化解题过程。

3. 实验成绩加权进总分。

4. 保证有电路分析型题目。

5. 和实验结合的工程设计题目。

(三)加强实践环节——增加综合性、设计性实验课

实验课程中对简单陈旧的演示性、验证性实验项目加大整合力度，根据现代科技发展对高校人才培养要求，开出一批题型新颖、难度适度的设计型、综合型和应用型实验项目。同时，增加单独设课的比例，把各专业的主要基础课和技术基础课实验拿出来单独设课，根据各系各专业的培养目标，并相应的提高实验的学时数和综合性、设计性实验内容。通过开设电子系统设计等综合性实验课让学生初步建立系统设计的概念。按照竞赛的模式，设计一些综合性题目供学生选择，规定一定的时间完成并提交设计报告。

在综合电子设计这个环节，使学生能够较系统地掌握电子系统设计过程从选项、立项、方案论证、电路设计、电路实现、装配调试、系统测试、总结报告、文档整理等全过程的各个环节，并付诸实现，充分发挥学生的自我能动性和创造力，培养学生的协调配合能力及合作精神。完成学生由单元设计向系统设计的过渡，掌握现代化仪器设备在系统设计和实验中的应用，使在校的每一个学生在具体的实践环节上都基本能够达到实际应用、实际设计、实际开发的要求。

具体实施过程如下：

1. 实验教学的教学内容和任课教师的一体化设计，一人一组与项目多人合作结合。

2. 课堂及预习引入EDA仿真实验工具，达到实验手段的多样化，设计多款配套实验设备。

3. 增加设计性课程群级、专业级实验项目，无固定标准答案的工程设计题目，引导学生进行实践操作。

4. 有教师及助教学生管理的预习与补做开放实验室。

三、开展多方面科技活动，循序渐进的推动创新能力培养

本着培养高素质人才的宗旨，积极开展各项科技活动，每年举办大学生科技报告会等活动。运行情况表明：通过学习实践，大学生的电子设计和制作水平大大提高，并获得了初步的科研能力和电子产品的开发能力；也培养了学生的创新能力，为学生提供了一个提高技能、施展才华的广阔舞台，也为电子设计竞赛培育了更多的优秀人才。而且，通过提高学生的研究兴趣，也促进了如“挑战杯”“全国机器人设计竞赛”等电子类其他课外活动的开展，这些成绩明显的实现了开办电子设计竞赛的初衷：是面向大学生的群众性科技活动，吸引、鼓励广大学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才脱颖而出创造条件。

四、学科竞赛精心的组织和培训

(一)组织竞赛工作的指导思想

电子设计竞赛赛事是为丰富大学生的校园文化活动，营造大学生学术科技与创新创业活动氛围，帮助学生拓展科技创新知识，调动学术科研的积极性，培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风；促进学生工程实践素质的培养、提高学生针对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，为优秀人才的脱颖而出创造条件。[2-4]

在此借鉴CDIO工程教育理念，有机地把竞赛全程设计与教育教学改革结合起来，全面贯彻培养既强调理论设计，更强调系统实现；既需要培养综合运用基础知识的能力，更要注重创新意识和创新能力的培养。依托电子竞赛，加强对配套课程改革、软硬件环境建设、团队建设、竞赛培训和竞赛组织实施的“一体化设计”是取得好的竞赛成绩的关键。[2-5]

(二)建立结构合理的指导教师团队

在电子设计竞赛辅导过程中需要老师具有扎实的知识和丰富的经验。由于竞赛命题范围广，涉及很多课程、并鼓励新技术的应用，要求指导教师要有很宽的知识面和丰富的实践经验。年轻教师对新技术上手快，但实践经验比较缺乏；老教师经验丰富，但计算机应用和新技术的掌握上又略有不足。为了发挥特长、实现互补，成立了相对固定的教师赛前指导小组，按照自己的专业特长分别对不同的竞赛小组进行专业辅导和技术指导。

(三)充分依靠学生、办好应用电子技术协会

全国大学生电子设计竞赛是面向大学生的群众性科技活动，电子协会作为我校电子爱好者的兴趣社团，自2001年协会建设以来，共有500多人次参与了相关活动，社团会员在指导教师的指导下自己动手开展了电子实验、电子制作、举办科技讲座和学术报告会、组织电子设计竞赛和成果展示、为街道社区免费修理电子设备等活动；每学期定期开展“学院电子竞赛”“电子制作讲座”等多项活动，在学生中广泛开展科技实践活动，做了大量基础性、普及性的扩大影响的宣传、动员工作，成为了竞赛团队中的重要力量。

协会的活动主要起到以下一些作用：

1. 课内外良性互动，搭建学生课外创新平台； 建立指导学生电子协会以“热情鼓励科技创新活动,积极倡导志愿服务活动,正确引导兴趣爱好活动”为活动指导原则开展活动。

2. 把学生电子竞赛抓手，由于学生竞赛活动社会认可度高，参与学生就业情况好。“教师积极辅导+学生积极参与+竞赛优异成绩”形成良性共振，有效地调动了师生参与的积极性，扩大了学生受益面。

3. 一方面把课外科技活动作为检验教学改革效果的重要依据，指导教师在辅导学生课外科技活动的过程中，及时发现教学中存在的不足，有效地促进了教学改革。另一方面，创新基地的科技活动作为知识学习和综合应用知识有效载体，推动了学生能力的提高，巩固了课程改革效果。

4. 促进重视工程实践及创新“优良学风” 的形成，培养了教师的工程实践能力，形成“亦师亦友”的新型师生关系。

协会的运行也同时得到以下一些收获：电子协会得到了华为大学生计划的资助。 学生电子协会承办的“义务家电维修”活动获得“省十佳社团公益活动”称号。电子协会评为全国“科技下乡先进集体”电子协会多次评为省“暑期社会实践先进集体”、省“优秀学生社团”等光荣称号。

(四)分专业方向、有针对性的强化训练

在竞赛年的3月份开始，就有针对性地对有志于参加竞赛的同学提供训练。训练模式是先进行通用性的专题讲座，然后分组实验设计、制作一些功能小模块和小系统。 通用专题讲座包括 ①电子设计的基础知识；②高性能运算放大器的选择与应用；③常用传感器与单片机测控技术；④负反馈控制技术；⑤A/D与D/A技术；⑥EDA与仿真设计；⑦模拟和数字通信技术；⑧网络资源查询和专业外语阅读能力；⑨ PCB与电磁兼容设计基础；⑩设计论文和报告撰写等。

根据学生的专业特点和个人兴趣爱好，结合全国大学生电子竞赛的题目分类，将参赛学生分为不同的学习方向，每周进行专题训练和讲座，每月进行月度综合题目测试。

1. 测控技术与功率电子技术方向

训练内容：以单片机为核心的电子与机械自动控制、功率电子电路应用设计、电子测量仪器等。

需要的知识点：模拟、数字电路、传感器与应用、运动控制硬件软件设计；线性、开关电源、交直流功率转换与控制电路软硬件设计等。

2. 信号处理方向

训练内容：以ARM、单片机、EDA技术为核心的模拟、数字信号处理电路软硬件设计

需要的知识点：模拟、数字电路设计、FPGA器件及应用、DSP应用技术等。

3. 通信电路方向

训练内容：以单片机为核心的模拟、数据通信电路软硬件设计与制作、电子测量与仪器等。

需要的知识点：模拟、高频电路设计与制作、PLL与DDS、通信与编码等。

(五)暑假集训

暑假集训是锦赛前的最后冲刺阶段，充分利用好这段时间是快速提高学生能力的有效途径。在竞赛年的暑假，全体参赛学生集中封闭进行训练，通过对往届的题目进行讲解、分析、制作、总结等几个环节的训练，让学生在近似实战中快速提高，为9月份的正式竞赛打下了坚实的基础。

集训过程中，要求指导教师注意培养学生正确地查找资料、分析问题、解决问题的综合能力。

针对不同特长的学生因材施教，培训内容各有侧重，平时老师要注意建立学生的技能和特长档案，在组队时有针对性地进行引导，通过知识互补达到最佳的组队。

五、赛前元器件保障和小系统制作

(一)元器件的选购与准备

鼓励学生自行申请或购买专用器件，避免方案雷同，给学生一定金额的自行采购器材的权利，元件费用学校报销，竞赛完毕后器件收回。 达到了方案的多元化的目的。

鼓励学生合理利用“免费的午餐”，建立自己的器件库，通过样片申请：ADI、TI、MAXIM等。

(二)电路模块和最小系统的准备

在比赛的准备过程中将可能用到的功能进行模块化，这样可以减少设计、调试时间，有助于在比赛中取得好成绩。

硬件模块电路制作的主要要求是：标识好电源线、地线、输入输出接口，每个单独模块都要加上电源指示灯和电源滤波电容。

软件模块方面的要求是：要有文件说明，主要包括功能、输入输出参数、时间、版本、修改历史，在程序中要进行标识、说明。

资料要及时整理归档：小组成员要合力做好资料的整理工作，如做硬件的要将电路原理、电路图、所用芯片资料整理清楚，做软件的要画出相应设计流程图，将设计思想用文字表述清楚，这些资料再全部汇总整理后备份、保存，就完成了一个模块的设计了。

(三)其它保障

竞赛期间选手们离不开指导老师的后勤保障工作，从生活、休息条件到元器件的采购、管理等都需要指导教师的直接参与，对该环节的设计也是非常重要的。

1. 竞赛前必须做好常用器件的购买准备工作，有条件的可以做好登记与测试。

2. 准备技术资料和网络条件，提供打印、复印等便利。

3. 开题后积极准备测试场地和测试仪器。

4. 组织好生活安排等后勤工作。

六、面临的问题与办法

(一)一些问题

1. 全国竞赛题目难度越来越高，偏离了竞赛的初衷。

2. 学生获得新器件的渠道越来越窄，影响了学生的积极性。

3. 部分竞赛题目评分标准的设计欠科学，误导选手。

4. 四川作为电子信息技术教育资源丰富的教育大省，应该加强在培训指导和信息等方面的团结协作，取长补短，进一步扩大四川赛区在全国的影响力。

(二)一些竞赛经验

1. 磨刀不误砍柴工，组织学生认真审题，分析指标，优化方案。

2. 设计中尽量使用自己熟悉的器件和方案，建议学生一定要有备用方案。

3. 小组内充分交流，合理分工，做到时间、工作衔接良好有序。

4. 遇到挫折，鼓励学生不到最后一刻决不放弃。