面向创新能力培养的实践教学平台设计及应用

邓计才　宋豫全　张延彬

摘 要：为有效支撑大学生创新能力培养，本研究分析了开放式电子系统工程实践教学平台的设计要求，提出了基于虚拟演播室的电子工程实践教学平台设计方案，并以此为基础开设了电子系统工程实践课程。该教学平台兼具技术先进性和实用性等特点，嵌入了探究性内容，激发了学生的学习兴趣。同时，课程采用项目驱动教学模式进行教学，注重学习与实践的过程考核。教学实践表明学生的实践创新能力得到了明显提升。

关键词：创新能力；电子系统；工程实践；教学平台

实践教学是实现高等工程教育人才培养目标的重要载体，实践课程体系设计、课程内容及实施等对人才培养质量有重要影响。对于课程内容而言，把最新的数字技术成果嵌入课程内容，有利于激发学生的学习兴趣，从而获得良好的学习效果，这符合OBE教育理念的目标。基于此，课题组研究了电子系统工程实践教学平台的设计方案，并将其应用于电子信息工程专业的电子系统工程实践课程，课程内容融合了专业理论、技术和工程等知识，满足了学生全面发展的需求，达到了支撑创新人才培养的目的。

一、电子系统工程实践课程设置

根据创新人才培养及专业认证对实践教学指标的要求，需要着力构建面向解决复杂工程问题能力的实践课程体系，并基于产出导向的OBE教学理念，设置从基础技能型、综合应用设计型到工程实践与创新型等逐级提升的实践课程群，在教学中不断对课程进行改进和优化，实现学生实践技能与创新能力的逐步提高。

电子系统工程实践课程属于“工程实践与创新型”部分内容，课程设置在大三年级，此时学生已完成公共基础课、专业基础课和专业方向主干课等课程的学习，并完成了电装实习、基础课程实验及课程设计等实验，具备一定的专业知识和实验技能，但是仍缺乏完整的电子信息应用系统实践过程。因此，电子系统工程实践课程的教学目标就是对学生进行实用型电子信息系统的设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养学生运用专业知识独立处理实际设计、制作、调试中遇到的问题。

有别于传统的课程实验和课程设计等实践课程，电子系统工程实践课程应涵盖较广的知识面，内容上应具有较强扩展空间以培养学生创新意识。同时，课程内容应有清晰的应用场景和技术先进性，这样便于激发学生的学习兴趣和主动性。为此结合电子信息工程专业特点，教学内容是以开放式教学平台为基础完成数字视频处理与传输系统设计，涉及的内容包括数字视频处理、计算机编程、信号与系统、射频信号传输、电子测量等，能够满足创新人才的培养需求。

电子系统工程实践课程采用项目驱动教学模式，制定电子系统设计项目任务书，明确系统的功能指标，学生以开放式平台为基础，根据项目任务要求进行二次开发，完成设计、调试和测量等工作。

二、电子系统工程实践教学平台研究与设计

（一）电子系统工程实践教学平台设计要求

电子系统工程实践教学平台以数字视频采集与处理为核心进行构建，包括相应的软硬件单元。电子系统工程实践教学平台应满足以下要求：

1.技术先进，包含电子信息工程前沿技术成果，利于拓宽学生视野。

2.软硬件综合性强，既有硬件的设计安装，又有相应软件编程调试，是一个软硬件结合的平台系统。

3.覆盖知识面广，包含前期所学主干课程的知识点。

4.可扩展性强，便于进行信号处理（如视频算法）的深入研究和开发。

5.技术实用性强，有明确的应用场景。

6.满足复杂电子系统设计需求，适合多人协作完成。

（二）基于虚拟演播室的工程实践平台设计方案

虚拟演播室是一种数字视频节目源生成设备，由蓝箱舞台系统、视频采集、同步采集跟踪、数字视频抠像、虚拟现实与视频合成等部分组成，其技术核心是蓝屏抠像技术，并通过图像合成输出特殊效果的视频，涉及数字视频处理与编程的综合应用。

根据上述电子系统工程实践教学平台要求，课题组提出了基于虚拟演播室系统的“数字视频处理与传输接收系统”教学平台方案，整个教学平台由虚拟演播室系统、卫星电视接收系统、视频传输前端系统、视频传输与接收网络等部分组成，平台各模块涉及电子信息工程的多个技术点和知识面，虚拟演播室包含数字视频处理技术和计算机编程技术，锻炼学生对数字视频的掌握能力和编程能力；视频传输前端部分包含视频编码和视频调制内容；传输网络采用射频传输技术，根据射频信号传输特性设计传输网络；接收网络需要完成射频信号的分配，满足接收解调需要，并检测用户电平和接收效果。系统设计既有视频抠像算法设计与编程，又有射频传输系统设计和安装调试，内容贴近实际需要，实踐工作量较大，动手能力要求高，需要团队多人协作完成，更好满足工程实践课程需要。

三、电子系统工程实践教学应用探究

（一）教学内容与过程分析

以上述教学平台为基础在电子信息工程专业开设了电子系统工程实践课程，课程设计内容为“数字视频处理与传输接收系统”，具体包括两个方面。一是数字视频处理设计：基于虚拟演播室进行视频采集，分析数字视频处理原理，优选抠像算法，编程输出数字视频信号；二是视频传输接收系统设计与调试：将虚拟演播室视频信号与本地接收解调的视频信号作为节目视频源，经调制输出射频信号。设计射频传输、分配网络，完成安装调试和测量。

根据课程教学目标及内容，采用项目驱动教学模式开展教学。学生以小组为单位分工协作，通过查阅资料完成系统方案论证分析和设计，要求掌握正确使用计算机工具开展电子系统软硬件设计的方法，以及应用电子设备开展系统测量的方法。通过完整的电子系统设计实践过程使学生理解专业知识、技术标准及其应用之间的关系，提高学生的创新应用能力。

课程教学过程分为四个阶段。团队组建与资料查阅阶段：给定电子系统工程实践项目任务书，明确系统功能及设计指标，学生根据项目任务书进行组队和任务分配，进行相关资料查阅、学习与系统设计。实践阶段Ⅰ-数字视频处理阶段：学习虚拟演播室工作原理，分析蓝屏图像抠像算法，编程实现图像抠像与合成。实践阶段Ⅱ-射频传输分配系统设计、安装调试阶段：在实践阶段Ⅰ的基础上，通过卫星接收解调获取视频信号，设计射频传输系统，并在实验室安装视频传输分配系统，经系统调试、排除故障，使之达到设计指标要求。验收答辩阶段。撰写技术总结报告，进行课题答辩。

（二）教学思考

工程实践教学是培养学生创新能力的重要环节，相关课程没有固定内容和教学模式，以开放式教学平台为基础开展电子系统工程实践教学是工程实践教学的一种改革与探索，本课程教学已有近5年时间，总结如下：

1.工程实践课程应以工程技术为主线、以解决复杂工程问题为目的组织教学内容，综合多科目知识，贴近实际应用，解决实际问题，把构思、设计、制作、调试、测量等融为一体，凸显“工程实践”特色。

2.教学平台内容与方案是提高工程实践教学效果的保障。虚拟演播室包含了最新的数字前沿技术，应用领域明确，学生能够接触到真实的应用场景，这种“身临其境”的感受能够快速拉近理论与实践的距离，有利于消除学生学习中的迷茫。近5年教学实践表明，学生综合评测优良率达80%，学习效果明显提升，综合实践能力显著提高。

3.嵌入探索性内容是培养学生创新能力的关键。本课程虚拟演播室配置了完整的数字视频摄取、处理、合成、输出的软硬件，嵌入了图像抠像算法的研究和编程内容，要求学生查阅资料设计抠像算法并编程验证，其探索空间大，有利于培养学生的创新能力、挖掘科研潜力，也有利于拔尖学生的培养。

4.教学过程控制是课程评测的关键。工程实践课程以小组为单位开展教学，学生按任务分工开展工作，需要确保每名学生既对项目整体方案充分理解掌握，又要完成承担的设计调试任务，对实践的各个环节都有成绩考核和评定标准，这样有利于培养学生的团队协作精神，确保每名学生的实践能力和技术水平得到提高。

基于电子信息工程专业教学目标和专业特点，课题组分析了开放式工程实践教学平台设计要求，制定了基于虚拟演播室的电子系统实践教学平台设计方案，并开设了电子系统工程实践课程。电子系统工程实践课程涵盖了电子信息工程专业的主干课程，结合了软硬件等多科目知识，强化了对专业知识的综合应用，体现了解决复杂工程问题的特色，并嵌入了探究性内容和电子信息前沿技术成果，激发了学生的学习兴趣，对提高学生的综合应用能力和实践创新能力起到了重要作用。

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责编：应 图