电气信息类创新人才培养的探索与实践∗

刘 艳 李 擎 李江昀 史雪飞 崔家瑞

（北京科技大学 自动化学院，北京 100083）

创新是国家发展、民族振兴的核心要素。党的十九大报告指出，“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑”。在国家实施创新驱动发展的战略背景下，培养基础知识扎实、实践能力强、综合素质高的科技创新人才，对新经济发展具有非常重要的现实意义，也是高等院校助力实现科技创新引领国家发展的重要责任［1～3］。

电气工程是现代科技领域的核心和关键学科，而模拟电子技术作为电气工程学科重要的专业基础课程，具有理论性、复杂性、系统性和工程性等特点。本文围绕创新三要素——知识、思考、实践，依托模拟电子技术课程，提出集专业导航图、知识思维导图、口袋实验室于一体的新举措，探索和优化电气信息类创新人才培养模式。创新三要素中，知识是基础，思考是关键，实践是根本。专业导航图有助于激发兴趣、感知专业、扎实基础，思维导图可以开阔思维、启发创造、清晰思路，口袋实验室能有效协调理论知识、工程实践、综合素质。

一、前沿科技引领的专业导航图

如何从错综复杂的知识体系中获取所需知识是知识经济时代人们所面临的困境。“专业导航图”能够将整个学科领域的知识内容、联系及层次清晰地展现给学生，引导学生进行专业认知，实现对学生学习的引导作用。

电气信息类专业将传统的电工电子技术与计算机、自动控制、通信工程及信息处理等新技术交叉融合，已形成多学科交叉的行业发展热点，具有广阔的应用前景［4-6］。模拟电子技术作为电气信息类专业重要的专业基础课程，不仅是3C学科 （通信Communication、控制Control和计算机Computer）的入门课程，也是工程教育的启蒙课程。在教学过程中，我们发现学生普遍存在对专业认识不清晰，课程定位不领会，知识承启不关联的 “三不”现象，造成低年级学习时存在迷茫和被动，高年级学习时缺失信心和兴趣。

为了使学生在接触电气信息类专业基础课初期就能从宏观上一览专业课程群全局，了解整个电气工程学科的知识体系结构以及课程之间的承启关联，本文结合信息领域的前沿科技，针对计算机、互联网、通信、控制、电力等领域，构建电气信息类专业导航图 （见图1）。专业导航图的构建要符合学生对电气信息类专业的认知特点和规律，尽可能完整地展现电气信息类专业的总体知识框架，纵向以知识的生长、分化为主线，将课程分为公共基础、专门技术和应用领域几大类；横向按知识在电气领域的应用来划分，包括电力系统、控制系统、通信系统、信号处理系统和计算机系统。

图1 电气信息类专业导航图

电气信息类专业导航图涉及信息系统前沿科学技术发展中 “基础”知识的重大支撑作用，在讲授过程中，强调电气基础知识对实现前沿发展的重要推动作用和对社会发展应用的前途与吸引力。以无处不在的IT产业为例，具体介绍相互融合的信息系统中每个分支以及分化出科目的研究内容和应用领域，以体现知识之间相互联系、应用价值及应用前景，从而激发学生的学习兴趣和专业感知，开阔专业视野，避免其在学习过程中出现 “只见树木，不见森林”的现象。在学习过程中，学生可以通过专业导航图，针对自己所在专业建立分专业的知识框架，然后再沿导航图所指引的方向逐步充实和完善自己的知识体系。

二、学科知识交融的知识思维导图

培养具有创新意识和创新思维的高素质人才已成为新经济发展对人才培养的基本需求。“思维导图”的教学意义主要体现在培养学生的创新意识和创新思维，通过图形图像调动学生空间想象力和整体思维观，具有清晰思路、帮助记忆、开阔思维和启发创造的功能［7-9］。

在专业基础课和专业课程中，不同课程的知识具有隐含的关联和相互支撑的作用，知识点的连接至关重要。电气信息类专业基础课程的教学目标除承载相关专业技术基础知识之外，还应该在工程思维的培养、宏观系统的建立、挖掘知识关联及规律的能力等方面发挥重要作用，为学生今后的创新发展奠定基础。

在模拟电子技术课程的教学活动中，一方面将思维导图作为教学先行组织者，在课程、章节或核心知识点正式开讲之前，教师将教学设计通过思维导图的形式呈现给学生，在学生头脑中搭建一个整体的知识框架，使学生沿着思维导图的脉络结构了解课程或章节的知识背景、整体结构、核心知识点及知识点间的相互联系，把学生的思维带入教学轨道，以便师生共同思考和解读教学内容，实现教学互动。另一方面在教师的引导下，要求学生自行梳理思维导图，将核心知识点及彼此间的关联以清晰、明了的脉络结构形式呈现出来。通过知识思维导图的梳理，学生可以多角度思考问题，搞清楚各个知识要素之间的本质联系和内在逻辑，将图文表述的知识内化为自己的知识，有助于学生创新思维的培养，从而实现 “学思结合”。

本文以 “放大电路中的反馈”为例，探索和研究核心知识点思维导图在课堂教学中的应用。“放大电路中的反馈”作为模拟电子技术课程的核心内容之一，既是重点又是难点。从以往的教学情况来看，由于本章知识点多、难、杂，容易导致学生概念混淆、理解困难，学习时往往停留在电路的表象，不能深入反馈的本质，也抓不住电路的内在必然联系，感到 “似懂非懂”。因此，在本章的导论阶段，围绕核心知识点——负反馈，从神舟飞船对接到小鸡孵化，再到负反馈放大电路，从控制的角度，由感性到理性、由具象到抽象，环环相扣逐步提出负反馈放大电路的两个关键问题：什么是负反馈？为什么在放大电路中引入负反馈？引导学生思考，并将问题进行拓展和延伸，达到举一反三、触类旁通的目的，有效实现知识的迁移。思维导图将知识点及其关联以图文并茂的形式呈现，使学生建立清晰准确的知识架构，更好地解决学生消化吸收的问题。

在讲授过程中，一方面采用引导探究式教学法，插入对业界动态的介绍和评述，通过最新时事，也是学生们非常感兴趣的案例—— “神舟飞船与天宫目标飞行器的自动交会对接”引出反馈的概念和框图，激发学生的听课兴趣，让学生知晓负反馈的应用前景和前沿问题，有利于学生在学习过程中有更开阔的视野。另一方面采用类比推理法，通过控制系统的具体应用实例——“小鸡孵化”引出负反馈放大电路，说明负反馈放大电路的组成及其性能和作用，增加学生的感性认识。同时用辩证的观点，从一个全新的角度向学生剖析负反馈的本质及内在联系，以研究、解决问题为中心，构建从系统到电路的知识结构，强化学生的创新思维。

三、工程实践渗透的口袋实验室建设

模拟电子技术课程具有理论与实践紧密结合的特点，单纯的理论教学无法满足知识经济时代对创新人才培养的需求。为了提高电气信息类专业学生的创新实践能力，在教学中引入口袋实验室，旨在打破实验的时空限制，让学生在项目实践中学习和掌握系统的知识体系，充分发挥学生想象力和创造力，从而实现 “知行统一”［10-11］。

在模拟电子技术课程的教学活动中，利用口袋实验套件作为随课实践平台，为学生搭建便携实验环境，方便学生及时验证或探究相关的理论知识，有效提升学生电子系统设计的综合素质。为了提高口袋实验室对学生知识理解、知识广度方面的促进作用，一方面学生根据理论课学习进度，利用口袋实验室套件验证、测试和分析相关元器件及基本电路的功能和性能，从而更深刻地理解和掌握相关理论知识；另一方面学生以团队合作的方式，根据兴趣选择一个综合实验项目，通过文献查阅、小组讨论制定设计方案，并利用口袋实验室套件及元器件搭建电路，完成电子系统的组装、验证和调试，有效提升学生的综合实践能力。

综合实验项目借鉴 CDIO（构思 Conceive、设计Design、实现Implement、运作Operate） 工程教育理念，针对实际电子系统面向项目开展创新设计。综合实验项目CDIO教学模式的实施过程见表1。

表1 综合实验项目CDIO教学模式的实施

基于口袋实验室的综合实验不仅从项目角度培养学生解决复杂工程问题的能力，而且从项目实施过程中各环节的具体细节培养学生工程思维和创新意识，把传统课堂教学与创新实践活动结合起来，由简单的验证实验逐步过渡到复杂的项目设计研发模式，引导学生循序渐进地掌握电子系统的设计方法和开发要领，让学生在实践中建立完整、系统的知识体系［12-15］。

四、教学实施效果

（一）讲台学生满意度分析

针对模拟电子技术课程，笔者连续3年按照上述理念和措施进行教学实践，取得一些成效，得到学生的认可。本文选取自动化专业、不同讲台人数、对学生满意度及学习成绩进行汇总，汇总情况见表2。

由表2汇总结果对比分析可以看出，学生评教分均在96分以上，表明这种教学方式得到学生的高度认可；讲台平均分均高于课程全校平均分，说明这种教学方式能够有效激发学生的学习积极性；2016-2017-1学期讲台人数较少时，学生评教分最高，讲台平均分也一定程度上远高于课程平均分，说明本文提出的教学理念和措施更适合小班教学。

表2 学生满意度及学习成绩汇总表

（二）培养目标反馈及问卷调查

本文提出的教学理念和措施旨在激发学生的学习兴趣和专业感知、培养学生的工程思维和创新意识、提升学生的工程实践和创新能力，为学生解决复杂工程问题奠定基础。本文针对课程以上三个培养目标的达成情况对自动化专业2016级168名学生进行问卷调查，共收回有效问卷162份，调查问卷反馈统计见表3。

表3 课程调查问卷统计表

由表3调查问卷统计结果可以看出，本文提出的专业导航图、知识思维导图、口袋实验室的创新人才培养模式能够有效激发学生学习兴趣和专业感知、培养学生工程思维和创新意识、提升学生工程实践和创新能力。

五、结束语

本文围绕创新三要素——知识、思考、实践，结合模拟电子技术课程，提出电气信息类创新人才培养模式。在教学活动中不断探索实践，凝练前沿科技引领的电类专业基础课导航图、构建学科知识交融的核心知识点思维导图、开展工程实践渗透的口袋实验室建设。经过三年教学实践，取得比较满意的教学效果，尤其是小班授课时学生的认可度非常高。本文提出的创新人才培养模式可以在其他工科课程教学中推广应用。