对工科人才的多路径创新教育

樊 华， 谢华江， 马珊珊， 谢实梦， Nathalie Sheridan

（1.电子科技大学电子科学与工程学院，成都610054；2.格拉斯哥大学教育学院，苏格兰格拉斯哥G12 8QQ）

0 引 言

在物联网（IoT）快速发展的大潮中，高校迎来了2000年后出生的新生，这些新生被称为“移动互联网（数字）原住民”。现在的大学生在计算机和互联网包围的时代下成长，社交网络、智能手机已经成为他们生活中不可分割的部分。传统的教学模式已不再适合当今时代的教育。随着物联网的发展，教育理念不断更新，变得更加包容和平等，为所有人带来终身学习的机会［1-2］。以学生为中心的教育和教学的改革已成为不同国家高等教育研究的核心问题。学生是课程的直接使用者和受益者，高校要确保课程质量的内涵变得极具挑战性，先进性和创新性，这就要求高校的教育教学不仅要注重理论知识，还要紧跟时代发展的需求，提高学生的适应能力和实践能力，增强学生的专业素质，使学生一旦从学校毕业后，具备独立工作的能力，并迅速适应企业的实际工作需要。随着科学技术在全球范围内跨学科交融，技术集成和人文渗透的发展趋势，只有加强知识，能力和意识的协调发展，才能提高工程师未来的核心竞争力［3-6］。

为了尽可能地达成上述目标和要求，线上和线下混合教学法已成为当今教学改革的趋势。教学活动将更多地通过课外时间进行交流讨论，更多时间将花费在课外活动，例如高水平的讨论和现场实验；师生将获得更大的教学弹性，学生也可以通过多种途径获得知识；虚拟实验室的引入也使学生获取知识的场所有更多的可能。通过这种混合教学模式，结合现代教学方法，可以大大提高学生的学习兴趣［7-9］。

1 引入反思性教学

1.1 背 景

在2013年9月，笔者以一位新教师的身份为大一学生讲授“电子电路基础”这门课程。大部分新进教师起初都只是机械地将课本内容灌输给学生［10-11］，不能够突破教科书的局限性。我校对年轻老师的授课有严格的监督方案，教育专家经常不打招呼地出现在新教师的课堂上，学生在期末对授课老师也要评教。该年度的评教结果都认为笔者采用的是传统以教师为中心的策略，旨在向学生灌输信息。正如世界权威的教育专著《教授如何成长为老师》［12］一书中对教师成长过程所详细描述的那样，教师的成长分为5个阶段（第1个阶段（self）：当教师刚开始他们的教学生涯，教师关注的是他们在课堂中的作用；第2个阶段（subject）：教师对他们所教授课程的认知；第3个阶段前半部分（student）：学生对知识的吸收程度；第3个阶段后半部分（student as receptive）：帮助学生增加对知识的理解；第4个阶段（student as active）：提高学生应用知识的能力；第5个阶段（student as independent）：学生独立自学）。显然，笔者作为成长中的老师仍属第1阶段。

1.2 从自我到主观的转变

幸运的是，我校的整体教学环境对新教师的自我提升提供了良好的氛围。在与格拉斯哥大学合作后，引入了反思性教学理念。此外，英国高等教育教学的专业标准框架（UKPSF）也开始得到采用。该标准框架的提出主要是为了帮助从事教学的工作者能持续得到进步，得到专业化的指导，促进个人和教学机构对教学方法质量提高的认可度。整个标准框架分为3个部分，每一个部分的内容都有详细的描述和诠释，分别用字母以及数字标明并分类，如图1所示。

图1 英国高等教育教学的专业标准UKPSF框架内容

在我校与格拉斯哥大学合作中，由格拉斯哥大学教育学院的老师亲自对我校的新教师进行一对一指导。Nathalie Sheridan老师担任了笔者的导师，在英藉老师的指导下，笔者收集了大量相关教学材料和视频，以提高教学能力（见图2中的A5，K1），通过从教学专家的视频中进行学习，笔者开始考虑如何培养学生的独立思考和创新能力。而在过去的几年中，越来越多地使用虚拟学习环境进一步提高学生的自主能力（见图2中的A2，K4）［13］。下面的案例将阐述如何从“自我”过渡到“主观”的整个过程［12］。

1.2.1 类比思维训练

工程教育不仅强调解决问题的能力（“怎么做？”）［14］，还强调深入思考能力：“做什么？”和“为什么？”［15］，这是为了帮助学生通过多种角度来考虑问题，并使学生具有跨学科和跨系统的思想。世间万物是相辅相成相互联系的，所以可以启发学生从日常生活中的启示来解决电路问题。例如，可以将多级放大器的零漂移与电路的“蝴蝶效应”进行比拟。零点漂移意味着第1级的微弱漂移将被多级放大器连续放大，最终使得有用信号被淹没，而“蝴蝶效应”通常用来强调微小事件带来的巨大影响。因此，将零点漂移类比为“蝴蝶效应”会在很大程度上激发学生的兴趣。

为了抑制零点漂移，每两级之间插入一个电容可以阻止零点漂移的逐级传递，这可以与生活中的垃圾分类进行比较，所有这些方法实际上都属于图2中的“分隔原理”。除了插入电容来抑制零点漂移外，差分放大器也是抑制零点漂移的另一种常用方法，它实质上是两个相同的单级放大器（如同复制）的组合，“复制原理”在现实生活中也很普遍，如图3所示。

图2 分隔原理抑制零点漂移

图3 复制原理抑制零点漂移

1.2.2 探究与小组教学法

在教学过程中，当讲授放大器的组成这一章节时，传统的教学方法是直接给出如图4所示的放大器电路，并详细阐述基本放大器的工作原理。而现在，在导师Nathalie Sheridan的指导下，笔者尝试从“以教师为中心”转变为“以学生为中心”［16］，结合了探究和小组教学方法，要求学生以小组为单位，基于放大器的特性和三极管的基本工作条件（见图1中的K3，V1），按步骤设计一个基本的放大器，整个流程如图5所示。课堂气氛非常融洽，学生们进行了热烈讨论，通过互帮互助解决了问题。同时有一些平时比较内敛的学生也开始积极参与讨论。在课堂结束时进行的小测验表明，大多数学生已经对放大器的设计提出了自己的想法，而在之前，他们只能分析一些简单的放大器，这给老师留下了深刻的印象（见图1中的V3，K5）。经过反思，深感课堂教学的前奏就像音乐的“序曲”和戏剧的“序幕”［17］，具有激发情绪，集中学生注意力，渗透主题并起到融入情境的作用（见图1中的A4，K4）［10］。从受控源引入放大电路，并将“电路分析”的知识灵活地植入到“模拟电路”中，可以有效地整合前后的知识。此外，正如Mills等［18］所描述的那样：“小组教学对学生和他们的老师都可以带来巨大的回报。”而实际上小组教学的确能使学生参与思考和深度学习课程内容。

图4 放大器电路

图5 探究式教学中放大器组成

总之，“反思性教学”要求教师自觉地将自己的课堂教学实践纳入全面而深入的思考，真正带动教学水平的不断进步。这是一种能提高自己的能力并改善教学实践的方法，不断深入地思考自己的教育经验，积极探索和解决教育实践中的一系列问题，进一步充实自己，优化教学，最终使自己逐渐成为合格的大学教师。

基于以上数据可知，各地区尾水导流工程实际尾水导流量均未达到工程设计规模，各地区导流工程效益未完全发挥。而尾水导流规模未达到设计规模的原因主要在于各地区管网建设等配套设施未健全，部分污水未完全收集。随着经济的发展，经济总量不断上升，单位面积经济增量显著增加导致的污染物持续增多，将对沿线生态环境产生较大的压力。如果不能合理收集、处理污水，输水干线水质将受影响。

2 科研项目转化为实验教学

通常，科学研究是促进工科教育发展的有效方法。笔者根据科研领域“高精度数据转换器设计”［28］，设计了一个有关“模数转换器（ADC）性能测量”的实验。该实验要求学生使用Altium Designer软件设计PCB，以测试由ADC芯片的性能。PCB制造的生产周期通常为2周。最后当PCB准备就绪时，学生必须完成PCB设计和焊接。对学生来说，最困难的部分是使用多个商用芯片、电阻器、电容器和其他分立元件来设置参考电压缓冲器，以稳定PCB上ADC的参考电压。在此过程中，应鼓励学生搜索商业芯片的参数手册，例如模拟器件（ADI），德州仪器（TI），凌力尔特，MAXIM等，并选择合适的电源，参考电压和运算放大器芯片。然后学生登录官方网站申请免费芯片样品。接着，根据厂商提供的封装，学生开始使用Altium Designer软件设计PCB。PCB的具体焊接设计示例如图6所示。输入信号由模拟信号发生器（Standford research DS360）提供，则ADC的输出代码由逻辑分析仪（Agilent 16823A）收集。如图7所示，Agilent 33120A用于生成高性能系统时钟信号，而电源由Agilent E3631A提供。总之，“模数转换器（ADC）性能测量”工程的目标实践首先是培养学生使用Altium Designer增强PCB设计的能力，以便学生可以焊接一些简单的组件，掌握焊接的基本技术和技能。这种工程实践不仅包含理论知识，而且还包含工程实践，是将教科书知识融入实践的有效途径。

图6 PCB焊接的设计实例

图7 ADC测试

3 建设虚拟实验室

虚拟实验室的概念最早由弗吉尼亚大学的William Wull教授于1989年提出。他认为虚拟实验室是由研究人员基于电子，网络，交互式，人工环境而创建的。如图8所示，教师和学生都使用虚拟实验室的平台来实现双向交互式实验教学的目的。在该系统中，师生是实验的主要对象，包括老师布置课前准备任务，回答学生的问题，交流讨论学生之间的问题以及学生独立进行实验。

图8 虚拟实验室平台

虚拟实验室是一种不受限制实验室。学生和老师可以随时随地进行实验，从而可以无限制地开放和共享信息资源。虚拟实验室具有传统实验室所没有的许多优势。①全方位的教学方法有助于取得良好的教学效果。传统实验室受主观的空间和技术限制，并且不能让每个学生在正式实验前都能听到或清楚地观看老师的实验演示。虚拟实验室使每个学生都能清楚地观察测量原理和操作步骤。此外，学生可以在网络终端上自由预览和操作课前实验，而没有时间和空间的限制，这大大加深了学生对实验原理的理解。教师可以根据课程要求独立设计新的实验计划，鼓励学生从不同角度挑战，激发学习者的兴趣，增强自主学习能力，培养合作创新意识。②先进的技术提高了学生的学习兴趣。由于资金和人员的限制，高等院校中的许多设备无法及时更新。过时的设备和测量仪器极大地挫败了学生进行实验的兴趣和热情。虚拟实验室的组件库可以快速更新，并与时俱进，从而可使学生学到最新科学技术，并大大增强学习的主动性。③维护成本低，安全性和可扩展性好。虚拟实验室使用软件来模拟真实的实验场景，在使用和维护方面相对便宜。唯一需要做的就是通过网络和程序管理和维护虚拟仪器，而不会浪费站点和管理的成本。由于操作不当或其他原因，学生可能会在实际实验室中无意中损坏昂贵的设备。学生显然无法负担价值数万甚至数百万美元的设备，并且学校很难应对此类问题。对于此类具有高风险因素（例如爆炸物或有毒物质）的实验，虚拟实验室允许进行方便且安全的实验。但是，虚拟实验室也存在许多问题，这些问题的确不能忽视。由于理想的测量设备与真实的测量设备之间的差异，学生在面对非理想因素时可能无法处理。大量的互联网信息充斥其中，无法有效处理这些可能导致学生脱离目标主题和干扰科学研究的目的。

建立虚拟实验室的方法有很多。通常的方法是使用软件来模拟真实的硬件功能。当前国内虚拟实验室中最常用的软件有：Flash，VRML（虚拟现实建模语言），Quick Time VR（Quick Time虚拟现实），LabVIEW和MOOC。麻省理工学院于1980年代开始建立Weblab在线实验室，而犹他州立大学将Matlab与LabVIEW相结合，以开发在线电磁兼容（EMC）课程。我校将软件ElvisLab（电子虚拟学生实验室）作为过去3年的教学模拟平台，该软件已在帕维亚大学（意大利）首先使用了几年。与上述软件相比，ElvisLab似乎更灵活，这是因为它可以轻松访问统一资源定位器（URL）而且并不需要复杂的安装步骤。使用者可以选择任意的章节和课题，其中配备了所有实验指南和测量仪器。ElvisLab是电子电路基础课程的辅助工具。在课堂上学习了模块化知识之后，学生可以通过与小组成员或老师的互动来找出问题，并利用理论指导ElvisLab中的相应实验，从而加深对知识的理解。

以下是ElvisLab中的实验示例。运算放大器是所有模拟电路系统的主要组件。它通常用于反馈环路，并且是各种电路（例如放大器，滤波器，解调器，采样和转换电路）中最重要的组件，这些电路可提供稳定且理想的增益以实现低噪声性能。每个学生都应该对运算放大器有透彻的理解，并能够灵活运用所学知识。ElvisLab软件允许验证带宽和摆率的范围。零极点，相位阈度（PM），增益带宽乘积（GBW）和摆率（SR）是运算放大器最重要的参数，但它们也是最抽象的部分，学生总是会零极点很难理解。图9所示的实验允许学生验证模拟电路高速工作时，实际运算放大器的实际性能受到哪些限制。选择正弦输入波是研究带宽限制的最佳选择，而方波是研究摆率的最佳选择。提到的两个参数都取决于偏置电流。因此，学生可以更改控制板上的偏置电流。通过这样的实验，学生可以加深对运算放大器主要局限性的理解，这有利于学生在集成电路设计中快速有效地选择合适的参数来实现所需的功能。

图9 运算放大器的实验

4 校企合作创新课程

为了紧跟时代前进的步伐年轻一代的教育建设形势，自2018年3月起来，我校进行转型，从各个角度调整对学生的教育。建立了一种“三全育人”的模式并将其付诸实践。作为试点，电子科学与工程学院已经在工程认知，工程培训和工程研究3个阶段建立了一支由全体教职工、全过程、全方位的教育和培训系统，以满足集成电路产业的发展的需求。从2018年5月开始，学校创新性地开设了校企合作的集成IC实验课程，该课程将行业的实际需求与学校培训计划紧密结合在一起，有效地增强了学生的专业素养和学习使命感。例如，“SOC（片上系统）验证方法”的校企课程已培训了大量学生。该班的老师是联发科无线联通业务部的研发总经理。由于丰富的案例和从浅到深的教学方法，得到了同学们的高度评价。

此外，2018年9月开设了一个集成的IC实验课程，该课程完全针对行业的需求在校园内培训阶段而整合了所有实验课程。参照集成电路产业链的布局，将分散在几个学期的实验课程合并在了一起，包括关于物理、器件、IC设计、封装和测试等的完整知识结构链。它可以提高教学内容的连贯性，使学生能够全面掌握知识的应用。学生们总体上对此实验课程表示满意。这些课程帮助学生更系统地学习知识，提高他们解决问题和独立思考的能力，从而使学生对IC行业有更好的了解。

学院秉承“工程与国际化”培养的理念，根据“三个一”项目的课程特点，培养学生的工科素质，调整和优化课程体系，增强教学内容的时代感、针对性和适应性。“三个一”项目即学生进行为期一年的工程实践教育，完成一条龙IC综合实验，实现一次芯片流片。其中1年工程实践教育时间分散在4年的学习期间，第1年到企业考察，第2年在校实践学习，第3～4年企业实习的方式。目的是提高学生的工程能力，培养高素质的集成电路工程人才。在学校的领导下，在联合对外合作办公室、校友办公室和学生部的努力下，学院与30多家公司和研究机构签署了联合培训实习协议，如Media Technology Co.、四川宏威电子科技有限公司、上海微系统与信息技术研究所等。为了加强学院与成都华为电子技术有限公司在生产、教育和研究、人员培训、资源共享等领域的合作，华为邀请学院师生于2018年6月到该公司进行调查和研究。企业为学生提供一定数量的职位，使其可以在暑假期间进行短期实习，并在半年之内进行长期实习。通过实际项目的实践，学生巩固了专业基础知识，增强了行业认知度，通过实习和联合培训，促进了我国集成电路人才培训和行业的发展。为了更好地总结实习经验，提高实习效果，实习结束后，将根据学生在公司的表现对企业导师进行评分。此外，学生应完成实习总结报告，大学专业教师将对报告进行审查和评分。最终，学生将以小组的形式介绍实习期间遇到的问题和获得的收获。学校相关单位为学生组和企业组布置实习反馈调查表，以总结实习的经验和不足，并为后续实习提供数据支持。

对于新生来说，学校以创新的方式将新的教育课程融入实际的企业场景。每个新生都有机会参加由全国著名的半导体公司举办的“集成电路企业半日游”活动。通过对企业车间的现场调研，学生可以观察电路设计和设备制造的过程，并与集成电路行业建立起更紧密地联系。这样一来，学生们将可以更好地了解IC行业的现状，并降低他们刚刚进入大学时对专业的困惑感。此外，每个新生都配备了著名IC公司经验丰富的CEO或高级工程师为班主任。学生可以全面了解企业，并与企业导师交流以了解行业发展，工作氛围，兴趣爱好等内容。

学校还经常邀请国内外众多知名企业家与学生分享行业最新动态。例如，一些首席执行官还带来公司开发的最新半导体晶圆，供学生观看和学习，这可以拓宽学生的视野，使学生对看似离我们很遥远的集成电路行业有更加直观的了解。

5 建设国际化平台

自2011年以来，我校已将国际化确定为学校的3个“核心战略”之一。学校通过合作教育，联合培训，出国学习，各种短期交流和双学位发展计划为学生提供了一个出国平台来感受不一样的世界。国际化平台为学生提供了一个接触国际技术前沿的窗口。学校教师积极开展国际合作项目，已经签署了近20个国际交流项目和联合培训项目，例如与耶鲁大学的国际研究项目，与麻省理工学院（MIT）、阿卜杜拉国王科技大学联合举办集成电路暑期学校。同时，我校还与格拉斯哥大学和瑞典皇家理工学院合作，积极稳妥地推进海外校园与学校相关合作点的建立。

对于外国留学生的培养，学院进行了一系列针对留学生课程的教学改革。课程和学生学习效果评估中增加了更多的国际元素。例如，在面向留学生的电子电路基础课程中，特别提出了一种用于小班讨论的交互式教学模式，学生与老师积极讨论。中国传统教育视教师为权威，这导致师生之间缺乏精神交流和人文关怀。考虑到国际平等交流的概念，建立了这种互动式教学模型，使每个外国学生都有机会参与问题的讨论。这种互动式的讲授、讨论、分享和思考的教学模式，鼓励学生表达自己，与他人交流和加强团队合作，旨在激发学生寻求知识和探索精神的动力。它可以提高学生的独立思考能力，批判性思维能力和创新思维能力，有利于增强教师与外国留学生之间的感情。外国留学生可以更快地融入中国大家庭，消除陌生感，提高学习效率。此外，除了在课堂上进行讨论外，学院还安排了研究生助教，为本科生提供一对一的辅导。当外国学生在课后学习过程中遇到问题时，他们可以及时求助于助教。

6 教学成果

近年来，电子科技大学一直在致力于推进本科工科教育，努力发挥教师的科研专长，通过工科教育改革提高学生的创新精神和实践能力，并在教学改革中取得了一定成绩。在“2015～2019年全国普通高校学科竞赛排行榜（本科）”中，我校以425个奖项、总分97.57位居全国第4，在理工类院校中排名全国第2。2018年，我校获得国家教学成果一等奖1个和二等奖4个，其中3个项目被教育部批准为首批新的工程研究和实践项目。同时学校新工程的建设被选为四川省教育改革设计发展与创新的典型案例。

2019年3月的英国工程技术学院（IET）专业认证反馈会议上，专家组一致确认并建议，由我校和英国格拉斯哥大学联合赞助的电子信息（中外合作教育）（电子信息工程）专业在2018～2022年期间获得了IET专业认证，5年认证期限是IET专业认证最长的时间，该评估也是西南地区中外合作办学的高校首次获得该权威行业认证。

7 结 语

为了深化工科教育的教学改革，构建科学合理的工科教学计划。我校采取了有效合理的课程教学改革以提高学生的学习效率；利用创新的科研训练项目来提高学生的工程实践能力与协作能力；此外还建立了虚拟实验室，以提高学生的自主学习能力和培养他们的创造想象力；最后多路径课程使学生能够紧跟行业的先进技术，而建设国际化平台则为学生提供了拓宽视野，体验不同文化之间碰撞的机会。