工程教育专业认证下电子信息类综合实践教学改革

王军芬，李明亮，宗佳泰

河北地质大学 信息工程学院，河北 石家庄 050031

工程教育专业认证是国际通行的工程教育质量保证制度，工程教育认证标准更加重视培养学生综合运用科学知识和技术手段解决复杂工程问题的能力[1]。采用国际化标准各高校积极在实验实践教学中开展了很多有益的改革实践。郑红伟等提出了植入复杂工程问题的工程训练实践课程体系建设构想，构建了基于成果导向理念的实践课程体系[2]；张进等围绕复杂工程问题的基本特征，对网络专业综合性实验项目的教学内容和实施过程进行精心设计[3]；李擎等基于工程认证持续改进理念，搭建了自动化专业的“云景”互动实践教学平台[4]；王进峰等以解决复杂工程问题为核心设计了综合性切削实验[5]。大量改革实践表明，综合实践环境是培养学生解决复杂工程问题能力的有效途径[6]。本文以电子技术实践为例，基于复杂工程问题，依据工程认证理念，设计和实施综合实践的教学与考核评价体系，培养学生解决复杂工程问题的能力，为工程教育背景下综合实践教学改革打下坚实的基础。

1 设计思路

依据工程教育认证的理念，即“以学生为中心，以产出为导向，持续改进”，反观电子技术实践的教学，主要存在以下问题：(1)教学目标笼统，不能有效支撑毕业要求指标点；(2)学生缺乏创新意识，综合应用能力和工程实践能力较弱；(3)考核评价体系不完善，不能充分调动考核评价对学生学习的激励作用。

针对传统实践教学中存在的问题，依据工程教育认证理念，对电子技术实践教学改革的设计思路如图1所示。

图1 综合实践设计思路Fig.1 Comprehensive practical design ideas

(1)以能力产出为导向，设定教学目标

结合专业人才培养目标、对毕业要求指标点的支撑情况、目前综合实践教学中存在的问题、学情分析及实践项目本身的逻辑关系，设定合理、明确的教学目标。

(2)以解决复杂工程问题为核心，设计教学内容

以解决复杂工程问题为核心，依据教学目标，结合专业发展动态，从综合性、工程性、创新性出发，设计教学内容。通过对科研或生产过程的真实模拟，以学生为中心，构建教学情景和实施过程，以培养学生创新意识，提高综合应用能力和工程实践能力。

(3)全过程监控，评价教学目标达成情况

针对不同的教学目标设计合理、有效的考核方式，从学生实践态度、工程实践能力、职业素养、创新能力等多个方面进行考核评价，构建考核评价体系，充分调动考核评价对学生学习的激励作用。分析考核数据，评价教学目标达成情况，根据反映出的问题，提出改进措施，进行持续改进。

2 实施过程

2.1 教学目标

产出导向教育是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。电子技术实践在电子信息类专业第4学期开设，为综合性实践课程，是基础课与专业课的桥梁性课程，是培养学生设计开发能力、研究能力、形成逻辑思维方法等工程实践能力重要阶段。依据电子信息工程专业的人才培养目标，电子技术实践对毕业要求能力支撑情况如表1所示。结合专业人才培养目标、对毕业要求指标点的支撑情况、目前综合实践教学中存在的问题、学情分析及实践项目本身的逻辑关系，设定如下教学目标：(1)以团队的形式，完成实践项目的构思，提出可行性的设计方案，培养学生的工程设计能力、团队合作与创新精神；(2)运用电路相关理论，进行实践项目的电路设计与实施，培养学生的工程研究与现代工具的使用能力；(3)总结归纳实践项目，独立撰写课程设计报告，培养学生的沟通交流能力。

表1 电子技术实践对毕业要求能力支撑度矩阵Table 1 Support matrix of electronic technology course design for graduation requirements

2.2 教学内容

对于教学内容的设计首先要理解什么是“复杂工程问题”。“复杂工程问题”是复杂的工程问题，而不是复杂工程的问题。中国工程教育专业认证协会在2022年7月15日最新发布的工程教育认证标准中，对“复杂工程问题”的定义如下：必须运用深入的工程原理，经过分析才能得到解决的问题。同时具备表2所述特征的部分或全部[1]。

表2 “复杂工程问题”特征Table 2 Characteristics of "complex engineering problems"

必须运用深入的工程原理，经过分析才能得到解决的问题是“复杂工程问题”的本质；第a)到第f)条特征为“复杂工程问题”的表象[7-9]。基于对“复杂工程问题”的理解，综合考虑设计实践项目及内容，以符合“复杂工程问题”的特征。该课程的实践项目有篮球竞赛倒计时器、智力竞赛抢答器、数字频率计等，学生可以根据兴趣进行选择。教学内容为：(1)方案设计，即根据实践项目的实际应用场景，分析其功能需求，综合考虑质量、效率、成本等因素，进行方案设计，并考虑项目实施对社会、环境等因素的影响；(2)原理设计，即根据设计方案进行单元电路、整体电路原理设计、功能仿真测试、参数测定；(3)焊接调试，即根据电路原理、实验板大小等进行元器件布局、电路的焊接与调试，记录实施过程，收集相关数据；(4)撰写报告，即对实践项目进行分析总结，根据分析的结果提出优化与改进措施，并按照设计报告要求撰写设计报告。

学生完成综合实践的过程中，需要运用深入的工程原理，通过查阅资料、需求分析，并考虑质量、效率、成本等因素，进行方案设计，并建立合适的原理模型；需要综合运用数学、物理、电子技术和计算机技术，将“复杂工程问题”从抽象问题建模为具体的电路模型；实践项目及内容具有较高的综合性，包含相互关联的多个子问题，学生需要利用电路仿真软件，快速搭建仿真实验平台，进行单元电路、整体电路的设计、功能测试与参数测定。教学内容的设计具备“复杂工程问题”的本质特征，又很符合“复杂工程问题”特征a)、b)、e)、f)，如表3所示。

表3 教学内容“复杂工程问题”特征分析Table 3 Characteristics analysis of "complex engineering problems" in teaching contents

2.3 教学实施

图2为电子技术实践的实施方案。实施过程以学生为中心，按照电子产品开发的整个周期来创设教学情境，包括项目构思、项目设计、项目实施和项目改进四个阶段，以培养创新意识，提高学生综合应用能力和工程实践能力。学生根据自己的兴趣和能力，自由选择实践项目，鼓励学生组队完成综合实践。下面以“篮球竞赛倒计时器”为例，说明具体的实施过程。

图2 电子技术实践实施方案Fig.2 Implementation scheme of electronic technology practice

(1)项目构思

学生选定项目后，根据项目要求进行需求分析，查阅文献资料，按照模块化思想进行方案的设计与选择。篮球竞赛倒计时器题目确定后，学生分别需要查找篮球竞赛相关规则，理解倒计时器应用场景，分析其功能需求，查阅组成倒计时器的基础资料，包括秒脉冲生成电路、计数器、译码显示电路、控制电路等；然后组内进行讨论、综合考虑质量、效率、成本等因素，进行方案设计与选定，并同时考虑项目实施对社会、环境等因素的影响。最后学生制作方案设计PPT，进行汇报答辩，主要包括功能需求、方案设计、芯片选择等，由教师团队对方案进行论证。在此过程中学生自主学习，团队协作展开讨论与交流，培养学生综合运用知识，理解分析复杂工程问题并提出解决方案的能力。

(2)项目设计

设计方案通过后，学生进行篮球竞赛倒计时器原理电路的设计，利用Multisim进行秒脉冲生成电路、计数器、译码显示电路、控制电路等单元电路仿真与参数测定，然后整合为倒计时器原理电路。最后学生进行原理讲解与功能演示，由教师团队对设计原理进行审核，确保设计正确合理。在此过程中学生自主设计，培养学生综合创新意识。

(3)项目实施

学生分工合作，统计元器件，列出元器件清单，根据电路原理图、实验板尺寸，进行元器件布局、焊接，利用电子技术实践平台对电路进行调试与测量；记录实施过程，尤其是实施过程中出现的问题及解决方法，收集相关数据，录制验收视频，进行电路讲解、功能演示。在此过程中，学生自主实践，培养学生工程实践能力和解决问题的能力。

(4)项目改进

分析实践收据，根据分析的结果提出进行优化与改进方向；对实践项目进行汇报总结，按要求撰写设计报告，并分析项目的实践对环境保护和社会可持续发展造成的影响；制作PPT进行汇报答辩。在此过程中，学生独立思考、归纳总结，正确表达自己的观点和工作成果，培养学生沟通表达能力。

2.4 考核评价

对学习效果及时评价与反馈是教学中非常重要的一环，为教与学的持续改进提供重要依据。依据工程认证标准，制定科学合理的考核评价机制，并贯穿项目实施的全过程，根据教学目标和项目实施阶段的内容，设计了评价载体和评价方式，如图2所示。评价主体由教师、学生以及助教组成，注重学生的自我评价和互相评价。评价内容主要包括对实践项目的参与度、对实践项目的贡献度、实施过程中处理问题的态度，运用知识进行工程设计与解决问题的能力、工程研究与现代工具使用的能力，沟通交流、团队协作、创新意识等多个方面评价。在评价过程中，注重学生工程实践能力的评价，注重形成性评价，多维度评价，项目实践的四个阶段有各自的权重，且不同的评价方式和评价内容也有各自的比例系数，可动态跟踪学生的学习成果，科学考核学生解决复杂工程问题的能力。

3 结论

从工程教育认证理念出发，改革了传统教学中的不足，以产出为导向设置教学目标，以解决复杂工程问题为核心设计教学内容，以学生为中心实施教学过程，全过程监控采集评价数据，很好的发挥了学生在综合实践中的主观能动性，重点培养学生工程设计、工程研究、团队协作、沟通交流以及现代工具的使用能力。为了达到更好教与学的效果，更好的培养学生解决复杂工程问题的能力，根据教学目标达成情况评价，综合实践项目还将在教学实践中持续更新和改进。