面向多维度教学目标的实践教学案例设计——以电子工程设计系列课程为例

高 新，张岩艳，司 农

（北京工业大学 信息学部，北京 100124）

工程类专业实践教学的目标始终应当紧随产业形态和产业发展，并努力吸收现代工业最新的工程经验，应体现以学科交叉和多学科集成的形态展示工程设计的最佳面貌。这种目的性要求实践课程的教师吸收真实工程师的角色经验，按照项目逻辑而不仅仅以学科知识体系设计教学内容并开展教学工作。通过设计教学目的明确的实践环节，帮助学生建立面向行业的知识体系，培养学生能够运用不同学科的知识协同解决复杂工程问题的能力［1］。

一、实践教育是面向产业应用全程的教学设计

近年来，信息技术飞速发展，特别是在电子信息相关产业中，即便是处于同一学科领域的工程建设和产品设计，如电子产品设计、电子系统开发等，也常常在设计、测试、生产等不同环节中呈现出对于不同专业知识和能力的侧重，这往往要求参与项目的工程师除了在自己专业领域内具备较强专业能力外，还需对产业上下游相关领域具有一定深度的理解。在新工科一体化教学设计中，人才的培养也要从企业需求的角度出发，在着力提升学生专业实践能力的同时，培养学生能从实际需求出发，建立理论知识和实践应用之间的联系，解决工程问题。这些要求都对培养未来工程师的高等学校提出了更高的挑战［2-4］。

基于工程类学科实践教学应面向产业应用的基本原则，同时兼顾企业对于专业人才的需求，电子信息类专业的实践教学应针对行业特定和发展趋势设计教学内容，在强调专业性的同时，也应为学生熟悉行业生态创造机会。对于综合设计类大型实践课程应当选择实际工程项目作为课程案例，开展开放性、真实性、全流程的实践教学，将实践的内容从知识“点”扩展为产业“链”。通过全程参与项目开发，切实帮助学生在实践本专业知识、技能的基础上，熟悉整个设计开发流程；在明确各个环节设计目标和技术特点的基础上，建立更为完善的知识架构。另外，让学生有机会了解行业内各设计岗位的特点，根据自身兴趣和专长，提前规划职业发展路线。

同时需要考虑到，由于课程迫使学生站在项目开发的宏观角度，以总体设计工程师的视角开展实践活动，设计思路区别于专业课程中原理验证类的课内实验，容易让学生陷入无从下手的困境。为了消除实践内容与专业课程知识存在的距离感，教学内容应从项目开发的宏观角度出发，将设计、开发、制作等问题逐步分解为学生较易接受的技术问题，减少理论与实践的隔阂，便于教学工作顺利开展。

二、以主动实践的教学形式激发学生创新意识

主动实践是大学生创新实践能力培养的关键，要让学生尽可能真正作为主体参与到实践教学活动的各个环节［5］，在实践教学内容设计中，应根据实验环节尽可能地为学生提供自主设计的空间，激发学生的创新意识。目前，多数项目开发类实践教学课程均要求以统一的考核评价标准对学生的学习效果进行评价，但“统一的考核评价标准”往往容易限制学生的创造能力，限制学生自我发挥的空间。因此，教学内容的设计应在学生具备了基本设计能力的基础上，依据实验环境条件，实现多样化的考核制度，鼓励学生开展“自由命题”的设计型实践活动。这对于促进大学生自主学习、研究性学习和合作学习，提高学生的创新意识、团队协作精神和实践能力具有重要的意义［6-8］。

总的来说，电子信息类实践教学内容设计应遵循以下几个维度来开展：水平维度上，以覆盖整个设计流程的实际项目为背景，指导学生实践体验产业全流程或行业中尽可能多的技术环节；纵深维度上，从项目需求入手，层层深入，将实际建设项目解构为学生可以操作的技术问题，跨越实际应用与实现技术之间的隔阂，提升学生对于复杂问题的处理能力；扩展维度上，为学生创造自主设计的空间，激发学生的创新热情和个性化发展。

三、依“多维”目标对实践课程教学内容的设计

本文针对以上几方面的要求，综合各方需求，对“电子工程设计系列课程”教学内容进行了如下设计。

（一）面向电子产品项目设计为背景

本系列课程中的“电子工程设计-1”和“电子工程设计-2”课程以“智能温度控制系统设计”项目为背景，以学生为主体，按照项目开发的基本流程开展教学活动，并覆盖了电子产品设计、开发的所有必要环节。在训练学生专业技能的同时，引导并着重培养学生产品设计和工程项目建设的思想，使学生能够以更高的视角，体会“专业知识”到“工程实践”的转化。

项目内容如框图1所示，学生按照“需求分析—方案设计—方案细化—软、硬件设计与实现—系统联调—测试”的步骤完成项目的设计和实施，并在项目进展的各个环节中按照项目需要，实践多种设计技能。

图1 课程内容的模块化框图

教学内容突出项目开发流程，学生通过参与项目开发的所有环节，体会工程设计思想，并根据项目各环节的需求开展对应技术的实践活动，真正做到“按照项目逻辑开展工作”。

（二）面向跨专业，多学科的综合知识应用

电子信息类专业集数学、物理、电子学、通信技术、计算机科学技术、控制理论以及智能科学技术于一体，呈现出软硬兼顾、跨学科、复合性强、发展速度快、企业对专业人才实践创新能力要求高等特点［3］。因此，如图2所示，在课程的项目案例中要求学生综合利用多门专业课程所学到的知识、技术，具体涉及电路板EDA设计、模拟电路、数字电路、C语言、嵌入式微控制器应用、自动控制理论等知识。

图2 课程内容的教学知识要点

（三）面向技术解构，建立工程应用与专业知识链

学生在开展综合设计实践前，已经通过专业课程掌握了基本的专业知识，如电路分析，程序设计等。但面对实际的应用需求，通常缺乏选择技术、应用技术的能力，相当数量的同学缺少综合应用所学知识解决复杂工程问题的能力。

因此在教学过程中，实践教学团队的教师要努力指导学生梳理项目需求，并提出解决方案，根据学生的能力，继而将解决方案转化为学生在理论课程中学习的知识点，帮助学生完成从理论知识到工程应用的飞跃。

在电子工程设计系列课程中，教学内容的设计采用层层深入的方式，从顶层设计（需求分析、方案设计）开始，细化至功能模块设计，在模块设计中又按步骤开展细节设计（电路设计、程序设计等）。教学、实践内容根据项目各环节特点进行细化、拆分，是将复杂问题梳理为学生便于理解、实践的技术单元，引导学生逐步掌握设计开发的相关技能，建立工程设计思想。

这样的教学内容设计是为了在兼顾项目设计的整体流程的同时，又能够突出实践要求中的专业知识训练、实践技能的提升。

（四）面向自主设计开发

本系列课程中“电子工程设计-3”课程的内容是在“电子工程设计I-1、I-2”完成的“智能温控控制系统”项目基础上，进行系统升级和功能扩展。考虑到学生在完成“电子工程设计I-1、I-2”的过程中，已经积累了必要的工程技能和项目设计、实施经验，“电子工程设计I-3”将以学生为主体，由学生提出设计思路和方案，指导教师则通过与学生的讨论，提出必要的方向性指导。

“智能温控控制系统”升级和扩展的具体内容基于实验室条件和实施难度，在一定范围内自主选择，包括：处理器升级、测控技术升级、短距离通信功能扩展等十余个方向，如图3所示，涉及传感器测量技术、嵌入式操作系统、现场总线技术、分布式测控技术和FPGA设计等技术领域。

图3 拓展设计过程中所涵盖的知识点

“电子工程设计I-3”在培养学生“解决电子技术领域中复杂工程问题”能力的基础上，鼓励学生拓展创新意识，并将学生的视野提升至电类专业工程技术市场化的产品设计和项目组织的高度，以培养未来的“卓越工程师”。

结语

电子工程设计系列课程从覆盖项目全流程的“水平维度”，满足需求、技术解构的“纵深维度”，激发学生创新精神的“扩展维度”等方向上开展教学案例设计，在指导学生实践专业知识的基础上，拓展学生眼界，拉近了实践教学与实际工程应用的距离，同时满足贴近产业形态和产业发展最新成果的要求。课程建设十余年来不断创新，在培养实践能力方面受到多方好评。