依托“新工科”建设 培养创新引领性人才

樊 华，李苏杰，方 曼，张 进，张怀武，郭 莉，陈伟建

依托“新工科”建设 培养创新引领性人才

樊 华1，李苏杰1，方 曼2，张 进2，张怀武1，郭 莉1，陈伟建3

（1. 电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 610054；2. 电子科技大学 英才实验学院，四川 成都 611731；3. 电子科技大学 信息与通信工程学院，四川 成都 611731）

依托“新工科”建设，电子科技大学发挥以电子信息技术为核心的工科优势，经过长期的实践与总结，从创新性实验改革、工程实例课堂教学以及挑战性思维新理念推进“新工科”建设，助推创新引领性人才培养，取得了一系列实践成果。在2018年高等教育国家级教学成果奖获奖项目名单中，该教学成果荣获全国二等奖。

“新工科”建设；创新引领性人才；电子信息技术

在2018年6月21日召开的新时代全国高等学校本科教育工作会议上，教育部部长陈宝生特别强调了大学生的学业负担问题。他指出，“对大学生要合理‘增负’，提升大学生的学业挑战度，合理增加课程难度、拓展课程深度、扩大课程的可选择性，激发学生的学习动力和专业兴趣，真正把‘水课’变成有深度、有难度、有挑战度的‘金课’”。课程是人才培养的核心要素，然而纵观当前高等教育，多数教师经常忙于科研，照本宣科，课件陈旧与实际脱轨，不注重课堂教学质量和师生之间的课堂讨论；另一方面，“讲台得意，学术失意”的教师也比比皆是[1-3]。

为深入贯彻落实新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，教育部近期又下发了《教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》，进一步明确要求各高校“全面梳理各门课程的教学内容，淘汰‘水课’、打造‘金课’。”我校作为工科特色鲜明的高校，为深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想和党的十九大精神，落实立德树人根本任务，深化教育教学改革，建设一流本科教育，推进“电子科技大学‘十三五’发展规划”和“电子科技大学本科人才培养方案全面修订指导意见”的进一步落实，全面提高培养质量和人才培养能力。我校近年来，正大力推进本科人才培养改革，努力发挥教师的科研特长，以教师的科研带动学生的创新精神和实践能力的培养，在教学改革和创新实践等方面取得一定成绩。截止到2017年底，我校各类研究型课程已开课1263门次，累积覆盖学生达42 573人次。我校师生共同掀起了一场旨在提升人才培养质量的“课堂革命”，齐心协力书写本科人才培养的“奋进之笔”。

我校“电子电路基础”团队经过近10年探索和实践，完成了国内外一流高校电子信息类专业的教学改革调研、电子和通信类人才培养模式调研，最后整理并归纳了面向“新工科”人才培养的体系，真正将“课堂革命”向纵深推进。目前，“电子电路基础”团队依托“新工科”建设，构建的培养创新引领性人才的实践教学理念对于解决电子信息领域人才培养中的探究能力、工程教育与创新教育问题方面成效明显，具有广泛的推广价值。

1 创新型实验服务平台培养多元化“新工科”人才

传统的课程体系缺乏整体性，各学科之间的联系不够紧密，导致学生难以构建完整的知识体系。创新型实验服务平台的目的，就是让学生通过创新创业项目的锻炼，学会如何将课堂上学到的电路与系统知识、编程知识应用到实践项目中，并从这个过程中理解各个学科之间的关联性，逐步构建完整的知识体系。我校秉持“学中用，用中学”的理念，基于“新工科”人才培养思想，结合教师科研方向进行“新工科”改革与实践，进一步提高学生的工程实践能力、交叉复合能力、跨界融合能力和创新驱动能力，实验室以多元化方式为学生提供参加科研项目活动的便捷途径，为学生参加竞赛和科研项目搭建实验环境，如图1所示。目前电子电路实验中心结合学校的科研活动开展了常规5项创新型科研专题活动，它们分别是Synopsys国际微电子奥林匹克竞赛、SRTP科技创新项目、大学生工程实践、个性化实验和创业训练活动，这些专题活动面对全校学生开放。与此同时，为进一步构建“三全育人”体系，全面提升人才培养质量，发挥育人合力，“电子电路基础”团队全面实施“电子电路本科生导师计划”，通过“电子电路综合导师制”和“名师论道”等系列活动，为学生搭建师生互动和竞赛指导的良好平台。

图1 为学生提供创新创业锻炼的实验流程

例如，如果学生选定了感兴趣的项目，首先兴趣是最好的教师，对于感兴趣的研究项目，学生自然会付出更大的努力，主动查阅相关资料。同时在设计系统时，学生需要自己选择各种所需的器件，进而搭建整个系统的硬件电路，最后再实现系统的软件部分。在整个学习过程中，学生能够理解不同器件的差别，并掌握器件之间的连接，以及能够学到印制电路PCB板的设计和版图布局布线，此外还能锻炼对编程语言的灵活运用。通过系统设计和实现，学生能够真正将相关学科的知识紧密联系为一个整体，将理论与实践相结合。此外，通过探索并解决在项目中遇到的问题，也可以提高学生主动学习和解决问题的能力。

近年来，随着经济的迅速发展，人们对生活质量有了更高的要求，智能家居逐渐成为各方关注的焦点。例如传统窗帘需要依靠人力驱动，每次使用需要自行操作、花费一定时间，也不方便；某学生设计了一种基于树莓派开发板的智能窗帘系统，该智能窗帘可以根据用户爱好，以及室内温度和照明透光率进行自动调节，可节省时间和人力，丰富了用户体验。该窗帘由树莓派开发板、窗帘模型,无线网络适配器、电源、各种传感器、手机终端以及其他一些主要的模块组成。该智能窗帘可通过手机无线连接并远程操作窗帘功能和设定具体时间实现窗帘自动打开或关闭。

2 掀起工程实例教学课堂革命，提升“新工科”人才培养能力

“电子电路基础”通过整合优化原“电路分析”和“模拟电路基础”两门课程，形成全新的课程内容体系，更好地适应了“新工科”及人工智能、集成电路等发展趋势。

该课程以“工程实例”为核心形成“挑战性课程”项目，将课程团队科研成果融入课程内容，有效地促进了学生工程素养以及创新精神与创新能力的提升。在学习二极管和双极型晶体管的理论知识之后，为了便于学生理解和掌握二极管和三极管，专门设计了如图2所示的工程实例电路，该实例电路包括以下2个小实验：

（1）发光二极管实验。在图2中，微控制器单元（MCU）的第一路输出I/O1（红框所示）用作驱动发光二极管，学生在学习了二极管的基础知识后，掌握了二极管的单向导电性，通过调节MCU I/O1的端口输出电压驱动发光二极管；该输出电压只要大于发光二极管的正向导通电压，发光二极管就会发光。

（2）蜂鸣器（Buzzer）报警实验。图2中紫框所示，利用微控制器单元（MCU）的第二路输出I/O2直接驱动蜂鸣器（紫框所示），但是学生做实验过程中，发现蜂鸣器声音非常微弱，这时候教师会引导学生查找问题的原因。通过查阅MCU的参数手册可以发现：MCU最大输出电流I仅为10 mA，进一步查阅图3所示蜂鸣器的参数手册可以发现：蜂鸣器正常工作所需要的工作电流必须大于25 mA，显然MCU的输出不能直接驱动蜂鸣器，学生必须利用所学三极管相关知识进一步设计蜂鸣器驱动电路。图2最下方绿框所示为学生所设计的采用NPN晶体管驱动蜂鸣器的一个实例，晶体管Q1的基极连接限流电阻Rb，蜂鸣器作为集电极的负载。在实验过程中，教师首先引导学生为三极管调节合适的静态工作点，保证三极管的发射结正偏、集电结反偏，否则蜂鸣器不能正常工作，发出的声音非常微弱；当晶体管Q1的静态偏置设置正确时，Q1工作在放大状态，能够提供较大的电压和电流以驱动蜂鸣器，进而蜂鸣器发出响亮的声音。

图2 工程实例电路图（发光二极管实验、蜂鸣器报警实验）

最后学生对上述图2中的实验，通过采用万用表测试可得到如图4所示的结果。图4表明：驱动二极管和蜂鸣器所需的功率大不相同，驱动一个发光二极管所需的功率仅为几mW，而驱动一个蜂鸣器所需要的功率为几十mW。通过上述简单的实验，学生在今后进行复杂的电子实验时，会首先查阅参数手册，避免所加电压或电流过大或者过小，导致电路功能异常。

众所周知，运放是模拟电路的精髓，因为几乎在所有电子设备中都有运放，如电源管理芯片，模拟-数字转换器，射频收发器等。因此，学生在学习完运放的知识后，必须设计一款高性能的运算放大器以加深对课本知识的理解，具体指标包括共模输入范围、差模输入范围、开环增益、电源抑制比和共模抑制比等，学生需要使用Multisim或其他电路软件进行设计和验证。此外，为了加深对闭环负反馈的理解，学生需要将运放构建为单位增益形式的负反馈，之后测量运放的压摆率。通常使用方波作为运放的输入信号，学生通过示波器观察放大器的阶跃响应，通过测量输出信号的上升时间，和在上升时间内允许的最大输出电压上升幅度，从而获得放大器的压摆率。

图3 蜂鸣器的参数手册

图4 测试数据

图5给出了二阶运算放大器的设计实例，其中包含互补差分输入晶体管1-4，有源负载5-8，尾电流源9和10，11和12构成AB类输出级，密勒电容Cc用作频率补偿。最后，学生通过仪器测试的结果表明：该运算放大器的直流增益大于110 dB，并且增益带宽积大于1 MHZ。

此外，为了充分体现科研促进工程教学的理念，并根据科研领域“高精度模拟-数字转换器（ADC）研究[4-8]”，设计了“模数转换器（ADC）测试”实验。该实验需要学生使用Altium Designer软件设计印制电路PCB板，测试ADC芯片的性能，PCB制造的生产周期通常为2周；最后，当PCB准备好时，学生还必须完成PCB的焊接。该实验最困难的部分是要求学生使用一些商业芯片、电阻器、电容器和其他分立元件设计一个参考电压缓冲器，用来稳定ADC的输入参考电压。在这个过程中，教师鼓励学生自己查找商业芯片的参数手册，如模拟器件（ADI）、德州仪器（TI）、Linear Technology、MAXIM等，然后选择合适的电源芯片，参考电压和运算放大器芯片。之后学生可以登录官方网站申请免费样片。例如，由MAXIM公司提供的参考电压免费样片REF3125和由TI提供的运算放大器免费样片OPA2356等，基本可以满足ADC的精度要求。之后，根据商业公司提供的封装，学生采用Altium Designer软件设计PCB板。总之，“模数转换器（ADC）测试”工程实践的目的是培养学生使用Altium Designer设计PCB的能力，以便学生可以焊接一些简单的组件，掌握基本焊接技巧。

3 挑战性思维推进课堂教学

挑战性学习课程以有价值的挑战性问题激发学生的兴趣，通过高强度互动，调动学生积极性，培养学生批判性思维、实践与创新能力和快速获取新知识并综合运用跨领域跨学科知识的能力、解决复杂（工程）问题与挑战性问题的能力，增强学生沟通交流、合作研究的能力。同时，让学生形成创新的习惯和能力以及自主学习与终身学习的习惯和能力。挑战性学习课程形态各异，以跨学科知识的集成和综合应用为支撑，且触及前沿，问题有趣、有难度、有挑战。

例如在学习完“电压比较器”这一章节后，教师鼓励学生基于所学过的知识对传统的电压比较器进行改进，如图6所示。传统电压比较器一直消耗静态电流，功耗大。参与本课程学习的一位本科生依照教师的课堂提示，根据所学过的电容动态充放电思路，立即想到用电容和反相器来实现动态比较器的新思路，该本科生在2018年以第一作者身份发表题为“Comparatordesign in sensors for environmental monitoring”的论文[9]，该学生受邀参加了2018年在法国巴黎举行的ICESD国际会议，并作口头报告，最终该学生被评为“成都电子科技大学杰出学生”。

图6 传统的电压比较器

信息与通信工程学院2017级一名学生认为，“‘电子电路基础’挑战性思维提供给了我们‘躬行’的机会。教师在教学中会经常让大家研讨一些经过巧妙设计的问题，让所学到的知识融会贯通。大家在小组讲解和被其他学生质疑的过程中，表达能力与沟通合作能力得到了提升。为了最终解决问题，大家竭尽全力地将学到的相关理论知识与实际需要融合，对知识的理解程度自然加深，思维方式也得到了有利的训练。”

虽然本课程仍在探索中，还存在各种各样的问题，但为了培养精英人才的目标，团队认为挑战性学习的方向绝对正确，一流大学不仅仅在于优良的硬件设施，更要培养出优秀的“新工科”人才。

采用挑战性思维促使学生学习课程，能够使得学生主动探索，努力收获课本以外的内容，为了求证一个结果，经过验证、探索、思辨，学生的能力得到更好锻炼，学校才能培养出更多的创新型人才。

4 教改成果

张怀武院长带领课程组锐意进取，大量开展教学改革与研究，取得优良的教学效果，同时也培养出了一支勇于创新、紧密团结的队伍。最近，教育部下发了《关于批准2018年国家级教学成果奖获奖项目的决定》（教师2018[21号]），公布了2018年高等教育国家级教学成果奖获奖项目名单，该团队的教学成果荣获全国二等奖。

国家级教学成果奖是国务院确定的国家级奖励，每4年评选一次，是与国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科技进步奖并列的国家级奖项，代表着我国高等教育教学工作的最高水平。本次获奖的项目，是长期坚持教育教学改革研究与探索实践的创造性成果，集中体现了电子科技大学高度重视人才培养工作，狠抓教学质量工程，提高人才培养能力和质量，加快推进双一流本科教育的行动与决心。

此外，“电子电路基础”课程每学期的学生评教均为五星，樊华老师于2018年7月28日代表我校参加教育部第二届全国高等学校电子技术及电子线路基础课程高校青年教师授课竞赛，获全国二等奖。樊华老师还多次在教育领域的国内国际会议作报告，例如2018年8月3日在青岛参加“新工科”产教融合人才培养研讨会，并做大会特邀报告。2018年4月18日，还在西班牙特内里费举办的教育领域的国际会议作报告，报告题目为“以科研促进工程教育”，该会议为IEEE EDUCATION SOCIETY（IEEE教育分会）举办的顶尖会议，IEEE Xplore，EI检索[10]。2018年10月28日，在中国成都举办的教育领域的国际会议作报告，报告题目为“模拟电路的教改与实践”[11]，该报告被IEEE APCCAS Education in Circuit and Systems（IEEE亚太区电路与系统教育分会）授予最佳论文展示奖。

此外，“电子电路基础”课程首席教授陈伟建，先后主持并开展了课程小班教学、挑战模式、考核方式等多种教学改革，多次被评为我校“我最喜爱的老师”，这是我校给予教师的最高荣誉。

5 结语

我校推进的“创新引领性人才培养”建设工作高度契合了“新时代全国高等学校本科教育工作会”及《教育部关于狠抓新时代全国高等学校本科教育工作会议精神落实的通知》等会议和文件精神，取得了一系列实践成果，有效地促进了学生工程素养以及创新精神与创新能力的提升。

[1] 邱关源，罗先觉.电路[M]. 4版.北京：高等教育出版社，1999.

[2] 张伟志，谭震宇，李龙云，等.电路课程教学改革的探索[J].电气电子教学学报，2008, 30(7): 62–64.

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[9] LI J, FAN H, WU Y, et al. Comparator Design in Sensors for Environmental Monitoring[J]. International Conference on Environmental Science and Development (ICESD), 2018: 1–6.

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[11] FAN H, LI S, YANG S, et al. Reform and Practice of Analog Circuits[J]. Journal of Electrical and Electronic Education, 2018(10): 346–349.

Cultivating innovative leading talents based on construction of “New engineering”

FAN Hua1, LI Sujie1, FANG Man2, ZHANG Jin2, ZHANG Huaiwu1, GUO Li1, CHEN Weijian3

(1. School of Electronic Science and Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China; 2. Yingcai Honors College, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China; 3. School of Information and Communication Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Based on the construction of “New engineering”, the University of Electronic Science and Technology of China has made full use of its engineering advantages with electronic information technology as the core. After long-term practice and summary, the university has achieved a series of achievements in promoting the construction of “New engineering” from the innovative experimental reform, engineering case teaching and new ideas of challenging thinking. In the list of the National Teaching Achievement Award of Higher Education in 2018, this teaching achievement won the national second prize.

construction of “New engineering”; innovative leading talents; electronic information technology

G642

A

1002-4956(2019)10-0023-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.006

2019-02-09

2019-03-08

国家自然科学基金项目（61771111）；教育部高等教育司2017年第二批产学合作协同育人项目（201702150015）；电子科技大学教育教学改革项目（2017XJYJ-ZD06）

樊华（1981—），女，四川资阳，博士，副教授，主要从事模拟芯片设计、电子电路基础课程改革研究。E-mail: fanhua7531@163.com

方曼（1978—），女，安徽寿县，硕士，副研究员，英才实验学院书记，主要从事高等教育教学研究、高等教育管理研究。E-mail: fangman@uestc.edu.cn