新工科理念驱动下电子系统类实验课程群改革建设

2023-11-09王志军宋令阳段晓辉周小计杨延军毛新宇

实验室研究与探索 2023年8期

王志军，宋令阳，段晓辉，周小计，杨延军，毛新宇

（北京大学信息科学技术学院，北京 100871）

0 引言

新工科建设是为了主动应对新一轮科技革命和产业变革，以现在及未来的产业需求为导向，培养符合时代发展和产业、行业要求的创新人才［1-3］。按高校类别的不同［4］，综合性大学的新工科建设在于培养面向未来技术和产业，发现和引领未来方向的人才［5］；工科优势高校的新工科建设在于培养面向现在产业的复杂需求，发明创造型人才［6-7］；地方高校的新工科建设在于培养符合现代产业、行业需求的应用型人才［8］。

新工科建设有两方面的含义，“新的工科专业”和“工科的新需求”。“新的工科专业”指新的工科专业建设，包括理工融合新专业，如“柔性电子学”“量子电子学”等［9］；也包括工工融合的新专业，如“人工智能”“集成电路”等。“工科的新需求”指传统老专业按照新工科建设理念进行的升级改造，这更是一个量大面广的方面。

高校的新工科建设是一个系统工程，涵盖了队伍建设、人才培养、学科科研、产教融合、科教融合和国际合作等诸多方面［2］。不论是哪个方面的改革建设，多学科/专业的交叉和产教融合都是非常重要的两个方面。实验类课程是新工科建设的重要支撑，电子信息类专业中实验类课程不仅具有理论联系实际的作用，更具有将理论知识有机化、系统化，提升理论认识的层次高度等重要作用［10-11］，如何突破传统工科的教育模式、充分发挥实验类课程在新工科建设中的重要作用，是文章关注的核心内容。

本文探讨对电子信息类专业中的电子系统类实验课程群进行新工科改革建设的实践，实践中突出理工结合特色，体现了多学科/专业交叉融合，进行了实质性的产教融合。

1 建设具有新工科内涵的实验课程群

通过对华为、平头哥、XILINX、Arm 等国内外电子信息领域相关企业的广泛调研；通过与校友企业家的深度交流；通过对国内外十几所高校相关专业人才培养体系实践教学的对比研究，理解了相关产业、行业对人才的新需求，缕清了北大电子信息类专业新工科改革建设的思路。我校作为学科齐全的综合性大学，文理见长，其电子信息类专业有着强理科背景。而电子信息类专业本身又是典型的工学专业，与产业应用联系密切。因此，北大的电子信息类专业新工科改革建设需突出理工结合的特色，培养基础扎实、视野开阔、理工结合的领军人才。

按照以上改革建设思路，考虑到实践训练在电子信息新工科人才培养过程中的重要性，体现对学生扎实基础和系统思维的培养，本项改革依据“厚基础、宽口径、重实践”的原则升级改造了包含5 门课程的电子系统类实验课程群，如表1 所示。课程群包括从基础到前沿，从兴趣到专业的五门课程，覆盖从1 ～4 年级整个培养环节。

表1 电子系统类实验课程群建设改革方案

2 改革课程体系设置

新工科建设的落地实施体现在一门门的课程上，课程建设的重点在于课程内容的重塑和教学方法的创新［12-13］。实验课程群中的5 门课程内容均进行了新工科理念的重塑，体现了理工结合、多学科/专业交叉和系统级大工程观。

2.1 建立体现理工结合的课程

体现“理”强调保证基础的北大特色，基础实验内容有深度、有拓展，教学方法采取小班（≤15 人）研讨，按照综合性大学的人才培养目标，培养学生的研究探究能力。

体现“工”构建理论上可行，但工程中出问题的实验内容，培养学生的工程概念；课程内容从1 ～4 年级连贯涉及电子系统概念，且软硬协同的电子系统取自真实应用需求，培养学生的系统大工程思维；教学方法采取学生团队合作、实验室开放运行、企业家第二导师等，全面培养学生的知识融合、团队协作、自主学习等综合能力，从而具有综合性大学领军人才的重要素质。

2.2 实现多学科/专业交叉

从实际应用系统角度构建课程内容，一定是多学科/专业交叉的［14］。一个典型的电子系统一定是软硬协同的系统，涵盖电子、计算机、自动化、通信等诸多学科。如“智能电子系统设计与实践”课程要求学生不仅要会制作产品原型，还会涵盖机械、美学等更多学科。课程群改革建设中，来自学院多学科/专业的教师组成教学队伍，不同学科/专业学生组成团队，使得师生思维交叉碰撞、视野开拓。根据学科/专业交叉的思想，梳理清晰教学目标，改革重塑课程的内容及模式，见表2。课程建设中始终贯彻大系统的观念，将相关学科专业内容、“新工科”思想所需的各项能力有机地融入课程，创新教学模式，并将之与传统教学模式结合，灵活地运用到各门课程中。

表2 各课程的教学目标、内容与模式

3 构建并实践实质性产教融合新模式

产教融合是新工科建设极为重要的环节［16］。由于综合性大学本科毕业生深造率高，直接就业压力小，因此，产教融合的重点并不在于组织大批学生去企业实习，而在于将业界新技术引入到课堂教学中来；将企业家、工程师引入到课堂教学中来，让学生感受企业文化和工程思维；将当前以及将来企业面临的技术难题引入到课堂教学中来，启发学生去开拓、创新。只有做到有内涵的实质性的产教融合，才能有效地将产业需求和高校人才培养进行有机衔接。

3.1 广泛建立联合实验室

通过与华为公司建立“智能基座”联合实验室、与鼎阳科技公司建立“智能化测试测量”联合实验室、与Arm、ST、NORDIC公司联合建立“智能硬件创新”联合实验室、与XILINX公司建立“智能互联创新”联合实验室、与Imagination公司建立“边缘人工智能”联合实验室、与Altium 公司建立“电子设计技术”联合实验室，将业界新技术、新产品引入课堂，为学生提供各种系统平台选择。

3.2 积极探索实质性产教融合新模式

“智能电子系统设计与实践”课程聘请企业工程师上讲台，从工程师的角度讲解企业产品研发思路和过程，让学生感受系统大工程思维。

“电子信息前沿与顶点实践”课程联合华为、爱奇艺、字节跳动、北京明朝万达、北京优炫软件和DOCOMO北京研究所，由企业专家作为主讲，介绍企业运作、管理、产品研发推广等等，让学生体验产业需求和企业文化。每位企业专家都会带来企业正在攻关研制的真实技术难题，供学生作为实践项目选择，配备校内第一导师和企业专家第二导师，学生可以在校内实验室也可以到企业实验室完成实践项目，进行实质性的产教融合。

与Imagination公司联合，在学堂在线上开设“移动图形概论”MOOC 课程和北大暑期课程，将产教融合的成果向社会开放。

4 实验教学效果

4.1 承担多项教改项目

课程的改革建设承担了多项教改项目，如表3 所示。包括1 项教育部电子信息类专业教学指导委员会教学改革研究项目，1 项教育部第二批新工科建设与实践项目。申请完成了9 项北京大学本科教学改革项目，其中“电子系统基础训练实验创新”被评为结题优秀项目。

表3 教改项目列表

申请中央高校改善基本办学条件专项资金实验教学条件提升改造项目经费100 万元，升级改造了利于开放、研讨的智能硬件创新实验室，新建了工艺加工实验室，作为新的实验课程群配套，为学生提供了创新发挥的平台。实验环境、实验平台和实验课程内容均处于国内领先水平。

全新改革建设的5 门电子系统类实验课程群受到了学生的普遍欢迎。学生选课热情高涨，开放实验室灯火通明。面向实际需求的课程内容组织，理论联系实践，激发了学生兴趣，充分调动了学生的主观能动性。实验课程效果相比以往有大幅提升，课程评估结果良好。

4.2 产教融合成果明显

除了与国内外优质企业建立联合实验室、与企业专家和工程师共同开课、与企业联合开设MOOC 课程和暑期课程外，改革期间还申请完成了5 项教育部产学合作协同育人项目，如表4 所示，所有项目均顺利结题。

表4 产学合作协同育人项目

4.3 成果经验在国内高校的推广

改革取得的成果经验先后10 余次在教育部高等学校电子信息类专业教指委、电工电子国家级实验教学示范中心联席会、中国电子教育学会等单位组织的全国性教学会议上做主题报告，得到了积极而广泛的反响。

产教融合成果也广泛向国内高校辐射，与Imagination公司联合开设的线上“移动图形概论”MOOC课程和北大暑期课程向社会开放；承担教育部产学合作协同育人师资培训项目期间，成功主办了“全国高校嵌入式暨智能硬件设计教师培训”“从端到云的可重构计算高校师资培训”和“TTT（Teacher Training Teacher）精品课程”“智能电子系统设计与实践师资暑期培训”3 场师资培训班。来自国内约100所高校的160 位教师来到北大电子信息科学基础实验中心进行了3 天的学习和交流，学习改革取得的成果和经验，收益颇丰。