电子信息类开放实验教学模式

刘乔寿， 黄沛昱

(重庆邮电大学 a．通信与信息工程学院，b．光电工程学院，重庆400065)

0 引言

近半个世纪以来，电子信息技术迅猛发展，社会对电子信息类专业人才从数量到质量都有巨大的需求，高等学校所承担的培养电子信息类技术人才的使命就特别重要。由于教学规模的增加，使得电子类专业的教育资源严重匮乏，特别是投入相对较大的实验室教学条件的匮乏更为突出。开放实验教学模式是目前高校实验改革的重要内容，它在培养学生实践能力和创新能力方面有着举足轻重的作用;但由于覆盖学生面广、课时多、设备投入匮乏，在很多高校中难以实现真正的开放［1］。如何合理、最大化而又有效地提高开放实验教学的利用率和效果是目前需要解决的一个重要问题。另一方面，以全国大学生电子设计大赛、“挑战杯”等为代表的各类电子科技竞赛，吸引了大量大学生的积极参与，是培养学生科技能力、协作精神，提高综合素质的有力措施［2］。如何将各类科技活动与开放实验教学有机结合，在大规模面上培养的同时，又对部分有兴趣、有能力的学生进行高层次的培养，也是需要解决的重要问题。

依托多项教改项目和中央与地方共建实验室项目，我们提出了“以精英化教育推动大众化教育，两者并重”的电子信息类开放实验教学模式。根据学生的专业特点和不同的人才培养目标，建立灵活的电子信息类开放教学平台，适应不同的教学需求。

1 以精英化教育推动大众化教育的实验教学模式

经过多年参与各项科技活动，我们发现参加竞赛培训学生的基本能力还有待提升;限于基础的不扎实，短期培训并不能大幅度、有效地提高学生的创新能力、综合应用能力;且竞赛培训是针对少数学生的强化训练，对大多数学生的能力训练并没起到积极的作用，基本没有太大的意义。学生基础能力的欠缺暴露了目前大众化教育中存在几个重要的问题:①课程体系缺乏系统性，特别是长期以来重视理论教学，忽视实验教学的重要性，培养出来的学生也许具有单一技术设计能力，但往往缺乏综合运用所学知识解决工程实际问题的能力;②教学内容过于陈旧，多数还停留在基础知识的讲解上，不能体现现代电子设计思想［3-4］;③ 科技进步对教育提出越来越高的要求，对人才的创新思维和实践能力的培养是一种趋向个性化的教学，传统的大众化教育仍然是一种共性教育;④教学条件匮乏，特别是传统的电子信息类专业实验模式对场地和设备等资源要求高，各高校的投入很难跟上专业的发展速度。

针对以上问题，我们对电子信息类相关实验课程进行了一系列的改革，包括教学体系层次、教学内容、教学方式、考核方式以及实验设备等各个方面。

1．1 建立现代电子技术课程体系，构建开放实验教学

通过把从竞赛中获得的体会与国家高校电工课程委员会的有关改革建议结合起来，对原有电子技术系列课程进行整合优化，既考虑课程间前后的衔接，又考虑电子信息技术飞速发展的大环境，我们提出开放实验教学流程见图1。整个流程按层次结构安排，分为基础训练、模块训练和工程实践训练。

(1)基础训练层次。该层次分为3个阶段，从基本仪器仪表操作技能入手、进行焊接训练、掌握PCB制版流程，考核通过后才能进入下一阶段的学习，确保实验操作基本功的扎实。第2、3阶段与基础课程相结合，涉及课程包括:“信号与系统”、“电路分析”、“电子线路”、“数字电路与逻辑设计”，提供全校性的基础开放实验教学平台。

(2)模块训练层次。包括单片机、EDA、嵌入式、信号处理、通信电子电路等几个模块，要求学生掌握软硬件相结合的实用系统的设计，软件包括:QuartusⅡ、Modelsim、Proteus、KeilC、Matlab、LabVIEW 等;涵盖课程包括:“单片机原理与应用”、“可编程逻辑器件原理与应用”、“DSP原理与应用”、“嵌入式系统开发与设计”等。该层次还有一个重要的培养目标，即学生自行查阅参考资料的能力。除百度、谷歌、图书馆等常用的资源外，还需要能够查找各种电子网站提供的芯片数据手册和开发资料。该层次针对不同专业开放不同模块。

图1 开放实验教学流程

(3)工程实践训练层次。开设“电子综合设计与仿真”课程。该课程涵盖知识面广泛，强调系统综合性设计。特别根据电子竞赛相关内容模块，添加了电源设计、信号源设计等内容，培养学生综合运用所学知识进行实用电子系统设计的能力。“电子综合设计与仿真”课程分为基础和提高两个阶段，基础阶段面向全校有兴趣学生开放，通过后可获得B学分;提高阶段课程设置入门门槛，主要针对有一定能力，并愿意在电子信息设计方面进一步专研的学生。通过该课程还可以帮助我们选拔优秀学生参加教师研究团队和国家级电子设计竞赛。

经过完整、系统的开放实验教学，学生的动手能力、创新能力、综合应用能力得到了大幅度地提高。

1．2 推进个性化实验教学

改变过去专业人才培养千人一面，规格单一，模式单一的状况，改变“统一计划、统一大纲、统一教材、统一考核”的状况，以保护和发展学生的差异和个性为主，推进个性化实验教学。

(1)实验教学“三开放”。开放实验教学平台采用学生刷卡形式进入，实现时间、内容、元器件“三开放”［5-7］。学生可以根据个人情况自己安排实验时间，除必须完成的实验项目外，可自由选择实验内容、自行设计实现方案、掌握实验进度，教师在开放实验过程中起到辅导作用，充分给予学生学习的自主权。部分元器件由学生根据设计需要亲自前往市场购买，帮助学生自己了解元器件的差别和选用原则。让学生在一个完全自主学习与思考的环境中进行专业技能的锻炼，挖掘自身潜能，最大限度地发挥智慧和自身特长［8-9］。

(2)多样化的考核方式。通过研究探索，我们提出了多样化的考核形式，并且建立了试题库。多样化的考核一方面是指根据实验课程不同实施不同的考核方式，如:“数字电路与逻辑设计”、“电子线路”等基础训练层次的实验课程采用分组代表考核的形式，即学生以小组为单位，3人一组。实验现场考试时，由学生抽签决定考试题目和考试人员，一人考试成绩即代表小组所有学生该门课程的成绩。该考核形式增加了学生的学习压力，有效提升了相互督促学习的作用。“单片机原理与应用”、“可编程逻辑器件与应用”等模块训练层次的实验课程采用现场演示答辩的形式完成。学生可以在不超过规定人数的范围内自由组队，通过给教师演示作品和回答问题的形式来完成。学生可根据各自擅长来决定在项目中具体负责部分:如硬件电路的设计、软件的完成或是焊接、报告等工作;并选出小组组长，负责设计意见等出现分歧时的决定性工作。该考核形式能够显著提升学生实际动手能力，激发对科技创新实践的兴趣，同时也能够培养学生的组织能力、团队精神和领导才能。多样化考核的另一方面是指分层次进行考核。分层次考核有利于因材施教［10］。每个层次的题目有自身的难度和要求，学生可以根据自身学习情况和能力进行选择;既能确保基本实验要求的完成，又能让能力强的学生脱颖而出，拉开学生能力的档次。

1．3 革新教学内容

通过对前几届全国大学生电子设计竞赛的试题分析，可以归纳成7大类:即电源类、信号源类、通信类、仪器类、数据采集和控制类、信号处理类、测量与控制类［11-14］。试题的特点是:实用性强、综合性强、技术水平发挥余地大，常用的器件有:晶体管、场效应管、运算放大器、AD/DA芯片、单片机、DSP、ARM、可编程逻辑器件等;设计手段可以采用传统的，也可以采用现代电子设计工具，如QUARTUS和ISP在系统可编程等。不难看出，电子设计竞赛的试题反映了电子技术的先进水平。

在训练和竞赛过程中，我们广泛地了解、使用新技术、新器件，更清楚地认识到当前电子技术的飞速发展，对我们本科教学也提出了新的要求。要培养跨世纪的科技人才，必须不断改进教学内容，舍弃过时陈旧的内容，如模拟电路中过多的分立元件电路实验，数字电路中门电路的具体内部结构、过多的小规模集成电路实验。另一方面，积极引入新的内容，如集成运放的各种应用，CPLD和FPGA的应用等;增加了电子线路软件仿真的内容，使硬件软件相结合，丰富了实验手段。同时，我们还将历届竞赛题目引入教学中，采用项目研究式教学方法，在教学过程中培养学生的综合能力;或是开设专题讲座，让学生尽快接触到前沿技术。

1．4 创新课程设计方式

随着课程的层次进阶，我们引入了不同类型课程设计。具体分为两种类型:①具体课程服务的单一课程的课程设计，②贯穿大学四年的系统性综合知识应用课程设计，如:51单片机系统开发板的应用，该开发板是由项目组成员研发的。对于大一的学生，主要是完成开发板的焊接，能够使用老师提供的测试程序通过Keil C软件对开发板进行测试。主要目的让学生接触电路板，接触软件调试系统，不需要进行电路板电路系统的了解和设计。大二期间，开发板将用于通信、电子信息等专业学生的单片机课程教学，再反过来了解该系统板的构成，并能运用系统板完成一些简单设计，如:单片机常用外设模块的设计。大三学生将基于该开发板完成综合性课程设计，有多种题目供选择。此外，学生的毕业设计题目也可以采用此系统板完成。

通过建立系统化的现代电子技术课程教学体系，完整地开放实验教学流程，已经能够大大提升多数学生的创新能力和综合应用能力，我们认为在此基础上培养出来的学生已经具备一定的电子设计和应用能力，具有了参加各类科技活动最基本的素质，极大地提升了大众化教育的教学效果。在此基础上，选拔有兴趣的学生参加进一步的培训，进一步推进精英化教育。

1．5 自制实验设备，改良教学条件

根据教学需求，我们自行开发研制了多个实验设备:EEPROM编程器、数字芯片功能测试仪、EDA综合实验箱、51单片机系统开发板、电子竞赛应用板等(见图2)。其中数字芯片功能测试仪用于检测芯片的功能型号与好坏，极大的提升了数字电路实验课程的效率;EDA综合实验箱采用动态可重组电路完成实验箱电路配置，配置灵活、结果多元化，可通过软件升级实验箱功能;51单片机系统开发板采用学生自行焊接的形式，创新特点在于:全部IO口通过扩展接口引出，自带USB接口的硬件仿真调试器，通过USB接口可以直接实现和Keil C软件的联机调试，不用专门配备昂贵的51仿真器;电子竞赛应用板提供给参加各类科技活动的学生。

在设备的研制过程中，我们还选拔了部分优秀学生加入，负责程序和部分硬件模块的调试。该举措作为开放实验教学的补充，有利于提高学生的动手能力和实际应用能力，极大地提升了开放实验教学的效果。

图2 自制实验教学设备

2 进一步强化精英教育

我们深挖实验室开放的内涵，把正常的实验教学环节和学生科技活动有机融合，从实验教学中选拔参加科技活动的爱好者，从科技活动中培养优秀学生带动实验教学的整体效果。

图3 竞赛选拔流程

一方面，通过全程指导学校电子协会和科协等在学生中影响力很大的学生社团，增加学生社团活动的“科技”含量，并以此为窗口宣传我们的科技活动体系和进出机制，吸引更多优秀学生加入到培训体系，提升科技氛围，具体选拔培训流程见图3。另一方面，通过将学生优秀作品、优秀创意转化到日常实验教中，让更多的学生看到他(她)们身边的同学取得的成绩。比如我们现在实验教学中用到的“数字芯片功能测试仪”，就是由学生科技活动作品改版而来。开放实验中部分应用类题目，也是由学生科技活动中的创意改版而来。

我们组建了全校性的教练团队，会定期给参加各类科技活动的学生进行讲座和培训，指导进行一些综合性项目的设计。此外，从2008年开始，开展电子工程师认证培训，共培训学生150余人以及来自全国60多所高校的教师200余人。

3 结语

近年来，各类大学生电子竞赛活动如火如荼地开展，对传统高校电子信息类专业的教学改革带来巨大的冲击［15］。

实践证明，建立以精英化教育推动大众化教育，两者并重的开放实验教学模式在提升学生创新能力、综合能力等方面获取了较好的效果，巨大地提升了学生的学习兴趣，增强了其就业竞争力。科技活动也取得了丰硕的成绩，以全国大学生电子设计为例，2009年获全国一等奖1队、重庆市一等奖6队、二等奖7队;2011年获全国一等奖2队、全国二等奖2队、重庆市一等奖2队、重庆市二等奖1队。2012年，全国大学生电子设计竞赛模拟专题邀请赛获得TI杯和一项全国二等奖。

在今后的工作中，我们还需要不断总结积累经验，进一步深化改革，彻底解决个性培养与共性培养的矛盾问题，提升教学质量和效果。

［1］ 张 宇，胡 忠，谭勇军，等．电子通信类实验室的开放管理［J］．实验室研究与探索，2011，30(10):173-175．

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［3］ 苏 珊．电子通信类实验教学存在的问题与改革措施-以广西工学院为例［J］．高教论坛，2012(2):92-94．

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［5］ 李 琰，吴建强，齐凤艳．开放与自主学习模式下的实验教学体制［J］．实验室研究与探索，2012，31(1):134-137．

［6］ 陈 斌，张晓华．开放式实验教学的实践［J］．实验室研究与探索，2005，24(11):110-113．

［7］ 王云平．国外大学实验室管理及其对国内开放实验室的启示［J］．实验技术与管理，2010，27(3):149-151．

［8］ 张 波，贯会明．开放性实验在实验教学体系构建中的作用［J］．实验室研究与探索，2010，29(9):135-137．

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［10］ 杨运鑫，唐良宝．全程性多样化开放式实验考核方式研究［J］．华南理工大学学报，2007，9(3):69-72．

［11］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003)［M］．北京:北京理工大学出版社，2005．

［12］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2005)［M］．北京:北京理工大学出版社，2007．

［13］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2007)［M］．北京:北京理工大学出版社，2008．

［14］ 全国大学生电子设计竞赛组委会．第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编［M］．北京:北京理工大学出版社，2010．

［15］ 黄 磊．全国大学生电子设计竞赛对本科教学改革的启发［J］．中国电力教育，2011(8):74-75．