师范院校电子技术实践教学改革与探索

禹旺兵 刘万新 欧阳钢

(湖南师范大学 物理与电子科学学院,长沙 410081)

随着工程技术行业快速增长,对工程技术方面的人才需求逐年增加。地方师范院校在招生规模不断扩大的同时,也逐渐向工学、经济学、管理学等与区域产业联系较紧密的专业转型。目前,工科类专业已位居师范院校各学科之首,设置专业总数高达1157个,占专业总数的19.59%[1]。电子类专业本身具有较强的实践性,而地方师范院校由于受办学模式和硬件设施的限制,专业创新性、实践性培养效果并不明显,实践教学的实施仍然存在较大的不足。为此,本文旨在探索构建适合地方师范院校的电子类专业人才培养实践教学体系。

1 存在的问题

1.1 实践教学认识不足,意识不强

师范院校传统学科专业一般以文理科为主,其工科专业基本上都是依托原有的基础学科专业而设立的。由于受传统教育观念的影响,这些工科专业本科教学很大程度上仍未摆脱传统教学体系的束缚,重理论而轻实践,对实践教学认识不足,实践意识不强[2-4]。主要反映在以下几方面:其一,师范院校在教学理念上注重学科知识之间的连贯性和系统性,强调学科知识之间的逻辑顺序及衔接关系,在教学内容上强调对基本原理、物理过程以及数学方法的掌握和理解。教学过程中比较关注理论分析与过程推导,而不强调实际运用。而工科专业重视学科的工程性、实践性、应用性。因此,两者在教学理念、内容和方法上存在巨大差异。其二,在教学实施中,理论性学时占据主导地位,而实践环节课时严重不足,且实践类型和方式比较单一,一般都为验证类实验,综合性实验不多,学生实践机会很少,几乎接触不到整体电子系统的开发与实践。

1.2 教师自身的实践教学能力不理想

师范院校的电子专业基本上是以原物理类专业为基础建立起来的,且大部分与物理专业在同一个二级学院,因此都带有物理专业人才培养模式的痕迹。其原有师资大部分来源于物理专业教师,新引进的专任教师也重在科研成果,而不注重工程实践能力考察。这些教师擅长于从事理论研究,但对于实践性、工程应用则显得力不从心,尤其是面对电子电路设计、仿真、组装和调试,以及电子产品的性能分析时差距更加明显,这就极大地制约了实践环节的有效实施。此外,相比于传统工科院校,师范院校的教师接触工程项目的机会比较少,缺乏工程项目的实践与经验积累。同时,现行的高校人事制度也导致了实践教师严重不足,从而限制了实践教学的实施。

1.3 实践条件不能满足要求

电子信息是本世纪以来发展最快也是最热门的行业之一,其实践性要求也非常高,主要的实践教学条件包括实验设备、实验环境、实践基地以及为学生提供诸如参加学科竞赛、技能培训等支持。由于知识与技术更新非常快,实验设备需要及时更新。受经济条件限制,师范院校的实践教学环节无法在实施过程中满足技术发展的需要。此外,师范院校也缺乏相关企业作为学生实践的场所。这种理论与技术的脱节极大地阻碍了实践人才的培养。

2 “四位一体”实践教学改革

实践教学是高校人才培养方案的重要组成部分,是培养学生实践能力和创新意识的重要教学环节[5-7]。根据电子科学与技术专业的培养目标和要求,实验教学中心构建了“训、践、创、作”四位一体“递进式”的实践教学体系(如图1所示),将实践课程划分为专业实训、社会实践、创新训练、设计制作等四个递进层次。实践课程安排由简入深,循序渐进,从基础层到应用层四层逐层深化,从工程基本能力到综合能力逐级提升(如图2所示),使学生以理论知识为基础,通过一定的综合实践梳理知识体系,从而激发创新潜能,提高实践水平。

图1 四位一体“递进式”的实践教学体系

图2 四种能力的培养

2.1 专业实训

专业实训面向大一新生开设,以电子技术基本技能训练为主,分为课内实训和课外实训。课内实训主要包括制版、焊接工艺实训以及仪器仪表的使用和元器件的识别与测量,实践时间约为40个学时。目前大部分师范院校的专业实训是给学生发放现成的焊接套件,学生按照电路图焊接电路。这样的训练方法简单便捷,但学生的收获不多,对电路制版工艺流程认识不足。为此,我们改革实训模式,将现成的电路板以电路图(Protel制图)的形式发放给学生,让学生完成图到板的环节,熟悉制版工艺流程。同时为了激发学生对电子技术的学习兴趣,焊接对象也不局限于收音机,我们选用一些更具有科技感的、更能反映技术进步的产品,如手机充电器、数码时钟、流水灯、蓝牙音箱等。

课外实训以课外电子制作的形式开展,按技术需求确定电路功能,利用EDA软件设计具体的电路并装配图纸,再通过万能板(或面包板、PCB板等)焊接、组装、调试等工序,最终做出电子成品的全过程。

2.2 社会实践

社会实践面向大二学生展开,以电子系统的综合测试与故障排除为主,主要包括废旧仪器的拆装与检测和家用电子电器的测试与维修两个方面。实验中心特别是电子技术实验室的仪器设备更新速度是比较快,每年都会有一批仪器设备需要报废处理,这些设备包括有示波器、稳压电源、函数信号发生器等等。通过对这一部分废旧设备的拆解和调试,一方面可以认识具体的器件,了解电子技术的发展,提高科学素养[8-9]。例如在“模拟电子技术”中,我们介绍了电子技术从电子管到晶体管,再到集成电路的发展过程,但通常都是以图片和幻灯片的形式展现给学生,他们对于具体的器件以及电路根本没有具体的概念只能凭空想象。学生通过拆解报废的电子管和晶体管示波器,观察机器内部的电路变化可以很明显地感受到电子技术的进步与发展,这是任何文字和图片无法替代的。另一方面,通过对具体仪器的拆解、对具体电路的检测,可以进一步加深对理论知识的理解。以直流稳压电源为例,直流稳压电源电路主要包括变压器电路、检波电路、滤波电路和稳压电路。教材上基本上只给出了基本的原理性电路,实验箱也只能简单地观测一下各电路的电压或者波形,学生对于其具体的工作电路知之甚少。通过对具体稳压电源的拆解,学生可以了解稳压电源各模块功能单元的划分以及具体功能的实现,教材上的原理性电路并不能应用于实际的工作电路,具体的工作电路还包括许多辅助电路,而这些辅助电路却对仪器设备的功能和性能产生决定性的影响。

此外,家用电子电器的普及与发展也为学生的综合实践提供了便利。为了进一步提升学生的综合实践能力,我们在学生开放实验室成立了一个家电维修测试中心,一方面服务了全校的师生,另一方面锻炼了学生的动手能力。例如在开设的“电视机原理”课程中,学生对于电视机的工作过程并不了解,我们通过对家电维修测试中心保留的一台黑白电视进行拆解和测试,学生可以很清楚地看到显像管、电子枪、显示电路、偏转电路等,通过对这一系列的电路进行测试,加深了学生对电视工作原理的理解。现在用于英语听力的“小蜜蜂”,其内部电路基本上覆盖了“高频电子线路”的主要知识点,通过对“小蜜蜂”内部电路的维修与调试,加深了学生对调频和调幅以及接收机的理解。

2.3 创新训练

在大三期间进行创新训练提高学生的综合实践能力,创新训练包括大学生创新项目和参与教师科研项目两个方面。大学生创新项目是本科教学质量工程建设的重要组成部分,是提升学校教学水平和学生创新实践能力的重要途径[10-12]。大学生创新项目一般由3名学生组成一个团队,他们根据自己的兴趣方向拟定项目内容和实施方案。这种以学生为主体的创新性实践活动,极大地调动了学生的积极性、主动性和创造性,改变了实践环节薄弱、动手能力不足的传统教学模式,进一步提高了实践教学的效果。

虽然国家和省级主管部门以及高校都设立了大学生创新项目、研究专项等来激发大学生从事创新活动的兴趣,提高综合实践能力,但这类项目指标较少,只有极个别学生能获得支持。因此,我们实验中心组织部分年轻教师结合自身研究特点,瞄准本专业学科前沿问题,凝炼科研课题,对学生开放部分科研实验室。这些科研课题既与理论教学紧密结合,又注意把先进性、开放性的科研成果转化为实践教训的新内容。电子技术实验室目前开设了包括“FPGA语音识别系统”“忆阻器与神经网络”“神经网络语音识别系统”等一系列实践项目。通过这些项目可以使学生理论学习和科学实践紧密结合,加深对专业课程的相关知识的理解,培养了学生的实践能力。

2.4 设计制作

设计制作在大四期间执行,主要包括电子设计竞赛和实验仪器自制两个方面,在该阶段实践过程中,引入CDIO(Conceiving-Designing-Implementing-Operation,即构思-设计-实现-运作)工程教育理念[13-14],以项目需求为主导,学生作为主体,以团队形式完成实践项目(如图3所示)。电子设计竞赛是提高学生综合实践能力的重要抓手,仪器自制是锻炼学生工程实践能力的主要手段。电子设计竞赛要求学生根据技术要求提出设计方案,选择合适的器件,设计和调试程序以及硬件电路并进行指标测试,需要综合应用模拟电子技术、数字电子技术、单片机、DSP、传感与检测技术等多门学科知识,同时要求学生能熟练应用各种电子测量仪器。电子设计竞赛试题是一个完整的工程项目,参与电子设计竞赛是对学生工程综合实践能力的一次锻炼,有效地培养了学生的创新能力和工程实践能力,同时也提升了他们自身分析问题、团队协作等综合素质。近几年来,我中心指导获得全国大学生电子设计竞赛以及集成电路创新创业大赛等相关比赛国家级一等奖2项,二等奖2项,省级一等奖4项。

图3 CDIO工程实践模式

仪器设备是实验室开展实践教学的物质基础[15]。一方面由于实验教学设备专业性强,社会需求量小,生产厂家少,价格往往较贵。而资金不足是我院实验中心建设长期面临的问题,随着学生规模的逐年增加,教学设备的台套数远远不能满足实践教学的实际需要。另一方面,除了参与工业实习,学生工程实践的机会不多,缺乏工程能力方面的锻炼。为此,我们遴选了一批原理简单、技术难度不大的实验仪器作为电子专业的毕业设计课题,通过这一实践模式改革,既解决了由于资金不足造成的仪器设备短缺的问题,又通过设计实践提高了学生的实践能力。如在“普通物理”研究牛顿第二运动规律实验中使用的光电计时仪,其市场售价近千元。我们将该实验仪器研制通过以“单片机的光电计时系统”毕业设计的选题形式在学生中展开,在实验教师的指导下,学生们经过一系列调研、论证、仿真、调试后完成了该仪器的试制工作,其性能指标已超过实验室现有仪器的指标,成本却只有五分之一,此外我们还以毕业设计的形式自制了电路分析实验系统、实验加热箱等。

3 结语

在“新工科”的时代背景下,切实提高电子技术专业人才的工程实践能力已是师范院校人才培养的迫切需求。只有全面深化实践教学改革,在实践教学中不断探索新的培养模式,及时总结,不断优化,才能形成良好的实践教学理念,搭建优秀的实践教学平台,从而培养出适应社会需求、具有较强实践能力的优秀人才。