以创新创业能力培养为导向 全方位自制实验教学设备

王革思, 高敬鹏, 赵宇宁, 陈 凯

(哈尔滨工程大学 国家级电工电子实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

高等教育是知识传播、应用和创新的主要途径,更是培养国家所需要的创新创业人才的重要途径。近些年来,我校电工电子实验教学示范中心(以下简称“中心”)教师以培养“具有扎实的信息化基础知识、强烈的工程创新意识、较强的实践动手能力和创新创业能力[1]”的电子信息类专业创新人才为目标,探索了电子信息类专业各学习阶段的核心知识、能力和素质要求以及相应教学环节之间衔接的有效途径,加强了通识性创新创业教育,利用新理念、新思维、新材料和新技术,特别是通过产教科研成果、信息技术与创新创业教育深度融合的教学案例支持,研制出不同档次、类型多样的实验教学设备以及具有创新创业教育特色的实践训练项目。这些创新创业教育资源提供了与企业相当的研发平台、真实案例和实用技术,缩短了学校教学与企业需求之间的距离,在培养学生创新创业能力方面取得显著成效。中心教师研制的电子系统设计开发实验箱还获得2014年第三届全国高等学校自制实验教学仪器设备评选一等奖。

1 研究背景与思路

国家工程教育认证、国家级实验教学示范中心评定及考核引起高等院校对创新实验和自制实验教学仪器设备的高度重视。目前国内高校十分重视实验教学环境建设,例如扩大实验室面积,配置先进的多媒体设备、网络系统、个人计算机以及由专业厂商生产的仪器设备,而在自制实验教学仪器设备方面投入却略显不足和滞后,缺少本校实践教学特色,在一定程度上制约了实践教学的改革与创新,也影响到了人才培养质量。中心坚持“一个中心、四个相结合”的教学理念,即以学生发展为中心,虚拟仿真与实物相接合、课内与课外相结合、教学与研究相结合、教学与创新创业教育相结合,站在学生4年时间的成长高度上,从基础实验、专业实验到工程应用技术研究,进行顶层设计和整体规划,主要包括:

(1) 加强理论与实践融合、基础实验与专业实验融合,促进理论知识、实验技能向解决工程实际问题迁移、转化和运用。

(2) 将教学成果与科研成果融合,全方位自制实验教学设备,提供与企业实际工作相近的平台[2],提升实验教学水平和质量。

(3) 将实践教学内容与创新创业教育融合,设计新的实践训练项目,培养学生创新创业意识和能力。

(4) 借助EDA技术和实验技术创新,虚实融合、课内课外结合,解决实践教学中的重点、疑难问题和工程应用技术问题。

2 科研型、工程性实验箱研制

大学期间安排的各种实践教学环节是学生工程实践能力提高和创新创业意识形成的重要途径。为了使学生走进企业和院所就能够很快“上手”,既要考虑到每个实践教学环节作用和成效,还要考虑到各环节技能的积累、沉淀、提升,同时也要给学生预留自由探索和创新创业实践空间。这就意味着新的实验箱设计将改变传统意义上验证性实验、设计性实验、综合性实验这种自下而上的设计理念。现代电子产品中广泛采用FPGA、ARM、DSP、MCU等技术,熟练掌握、应用这些技术将直接影响到学生今后的发展和价值取向。为了给学生提供与企业实际工作相近的研发平台,中心教师在研制电子系统设计开发实验箱时的主要工作:

(1) 采用FPGA和ARM 2种技术架构实验箱多核心的硬件拓扑结构,学生可按照不同层次、不同实践内容进行核心的选择与更换。

(2) 遴选一些科技前沿、性能优越的元器件集成为模块电路并作为实验箱的外围延伸,包括键盘类、显示器类、模—数和模—数类、电机控制类、传感器类以及接口数据通信类等共计25个模块,同时还预留扩展、升级接口,具有“大电子类”实验教学[3]特点。

(3) 采用总线技术和端口复用技术,以便充分利用实验箱硬件电路资源。

(4) 自行设计、研发一些具有工程背景且涉及多方面理论知识与实践技能应用的实践项目[4],尽可能多地提供与企业相关的真实案例和实用技术。

图1是中心教师研制的电子系统设计开发实验箱。它采用现代工程设计技术规范,具有厂商开发的教学仪器的相同技术性能,与业界正在使用的开发工具兼容。该实验箱的功能与设计包括基础类系统设计、嵌入式类系统设计、进阶类系统设计、综合类系统设计和创新创业类系统设计,提供了配套的50余个实践项目,可根据设计目标的大小和复杂程度[5],灵活性选择。目前已经应用于我校的电子系统设计课程、毕业设计、研究生课程实践以及电子设计大赛培训等教学任务。

图1 电子系统设计开发实验箱

3 双创型、导向性实验教学原理样机研制

“电子电路综合实验”这门课程是国内电子信息类专业必修的专业实践环节,属于课程设计、准毕业设计范畴[6]。通过本课程的学习,使学生能够熟练运用硬件电路设计技术和软件程序设计技术,构建并实现较为复杂的电子电路系统,以解决工程中遇到的实际问题。为了激发学生的内在学习动力,让学生感觉到学有所用,中心教师将工程热点问题和科研成果引入到综合性实验当中。通过研制实验教学原理样机,将实验教学内容与创新创业教育内容有机融合[7],建立具有创新创业氛围的实践教学环境,以个性化评定和能力为本位的方式展现学生的成果,使其成为增强学生创新意识、实践能力和创新创业能力的助推剂。研制实验教学原理样机时,中心教师主要做好了以下几个方面的工作:

(1) 选题方面:涉及工程性热点问题和工程前沿应用技术,充分考虑学生兴趣、爱好及个性发展,能够引发学生自主学习和从事创新创业活动的欲望。

(2) 内容方面:调整学生知识结构,打破数字和模拟、高频和低频、强电和弱电、硬件和软件的界限,强化多学科交叉[8],拓展专业口径。

(3) 设计方面:灌输工程项目研发的整体思路,考虑学生已经掌握的知识、技能、水平和经验。让学生置身于工程项目研发环境中,研究解决具有先进技术支撑的工程应用问题,以全面提升学生工程素质、工程实践能力和创新创业能力为重点。

(4) 考核方面:从选题、立项、设计再到研发、测试、技术文档,了解掌握学生在完成整个项目过程中运用知识、技术、方法和创新创业意识等综合素质达到的程度。

图2是利用海洋深水信息接收系统的二次开发完成的1个原理样机。目前中心教师已经研制出接口与数据通信技术、信号检测与处理技术、控制原理技术、数字系统技术等6大类,共计18种原理样机。这些教研成果较好地解决了国内高校的高水平创新创业教育教学问题。

图2 可编程高增益带通滤波器原理样机

4 自主型、基础性实验学习板研制

电子电路系列课程中与工程设计、工程分析、工程应用相关的理论基础大都是以单元电路作为单位知识点。过去,教师在课堂上讲得多而引导得少,学生则在实验中做得多而掌握得少,影响了实验教学质量。为了让学生更好地理解实验,承接知识传播,激发求知欲望[9],中心教师设计了2种类型的无线通信PCB实验学习板,见表1。

表1 无线通信PCB实验学习板列表

基础设计型学习板是选自无线通信系统中最重要功能电路的设计、制作、调试和标定。学生要根据实验的具体要求,首先进行电路设计与计算机仿真验证,以便掌握各元器件与电路参数性能指标之间的关系；然后自拟实验计划和步骤,焊接电路板；接着制订较为完整的电路参数与性能指标测试方案,通过电路板调试点采集实验数据[10]；最后通过数据综合分析得到合理有效的实验结论。图3是正弦波振荡器PCB作品。

图3 正弦波振荡器PCB作品

综合设计型学习板主要是无线通信系统中的发射机与接收机的设计与制作。让学生掌握常用高频电路和系统电路的设计、组装、调试技能,增强学生的工程实践能力,使学生能在调试的过程中分析和解决工程问题,培养学生能够设计针对通信工程领域复杂工程问题的解决方案,满足特定需求的系统、功能模块,使学生具有一定的实验数据整理分析及技术文件的撰写能力。根据具体要求,学生须撰写规范的预习报告、设计报告以及实验总结报告,准确记录和处理实验数据,运用所学理论知识对实验数据进行分析,剖析误差来源,形成实验结论。

5 取得的成效

几年来,中心教师在“一个中心、四个相结合”的教学理念指导下,以创新创业能力培养为导向,积极推动产教研成果的转化与应用。通过全方位自制实验教学设备以及开发具有创新创业教育特色的实践训练项目,构建了从基础实验、专业实验到工程应用技术研究的多层面、多维度实践教学资源平台,探索出一条适合创新型人才培养的实践教学新路径。主要成效表现在:

(1) 全面提高了教师的“四个融合”能力,突显实验教学特色和创新点。

(2) 为师生提供与企业相当的研发平台、真实案例和实用技术,全面提高实验教学水平和质量。

(3) 创新性解决了工程教育和创新创业教育中的重点和疑难问题,全面促进了教学内容、教学方法以及教学手段等方面的改革与创新[11-12]。

学生黄乐程的体会:“感觉做实验就像做科研一样,虽然经常遇到不顺之事,但宝贵的经验和教训将会启迪我的一生。教育本应该就是传道授业解惑,这门实验课将这6个字体现的淋漓尽致,其中不乏教师的悉心教导和严格要求。”

学生罗清雨的体会:“从课上可以看出教师严于律己、认真负责,周围的很多同学都是迎难而上,刻苦认真,做事很有条理,要多学多看、见贤思齐。可以借鉴名师的经验,先对整体把握、设计框图,分模块、单个调试、整体调试,科学有效解决问题。能碰到要求严格的教师是想不荒废大学时间的学生的福气。”

[1] 洪大用.在“双一流”建设中大力加强本科人才培养[J].中国大学教学,2016(4):9-15.

[2] 楼建明,傅越千,安鹏,等.基于能力培养自制实验仪器设备[J].实验室研究与探索,2015,34(9):81-86.

[3] 成谢锋,郭宇锋,黄丽亚,等.大电子实验教学平台建设和教学方式的改革[J].实验技术与管理,2015,32(9):164-167.

[4] 施晓秋,刘军. “三位一体”课堂教学模式改革实践[J]. 中国大学教学,2015(8):34-39.

[5] 李学海,孙群中,吴蓬勃,等.老旧单片机实验箱的改造与升级[J].实验室研究与探索,2014,33(7):83-87.

[6] 王革思,高敬鹏,康维新,等.适应创新创业教育的电子电路特色实践教学研究与实践[J].实验技术与管理,2017,34(11):164-166.

[7] 刘艳,林相友,逯家辉,等. 改革实践教学 推进创新创业教育[J]. 中国大学教学,2016(7):84-86.

[8] 王成华,胡仁杰.深化电工电子基础课程教学改革 提升学生实践创新能力[J].中国大学教学,2012(9):52-54.

[9] 葛世荣.实验室功能：发现知识传播知识(一)[J].实验室研究与探索,2017,36(7):1-3.

[10] 徐伟杰,戴圣伟,肖刚毅,等.实验设备自研在学生双创能力培养中的实践[J].实验室研究与探索,2017,36(8):288-290.

[11] 钟秉林,方芳. 一流本科教育是“双一流”建设的重要内涵[J]. 中国大学教学,2016(4):4-8.

[12] 杨宏,李国辉.走自制实验设备之路 促进实验教学改革[J].实验技术与管理,2013,30(1):225-227.