新形势下以学习为中心的电子信息类实践课程的构建与改革

武一，韩力英

（河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401）

0 引言

教育部吴岩司长在教育2020年收官系列新闻发布会上指出，中国高等教育已经进入普及化发展新阶段，随着信息技术的发展，高校要准确识变、积极应变、主动求变，紧紧围绕立德树人根本任务，紧紧扭住全面提高人才培养能力的核心点，全面推动专业建设，课程建设，打造具有国际水平的一流专业、一流金课。吴司长在答记者问时谈到普及化高等教育有四个特点，多样化的特征，学习化的特征，个性化的特征和现代化的特征。特别是2020年一场突如其来的疫情促使高校改变了传统的教学模式，使在线教学，掀起高等教育领域的“学习革命”，实现了中国高等教育“变轨超车”[1]。疫情期间，所有高校全部实施在线教学，全国108万高校教师开出1719万门次课程，学生在线学习人数达到35亿人次，改变了教和学的关系，形成了时时、处处、人人皆可学的教育新形态，突显了本科教学的学习化特征。同时也暴露出了一些问题，在网络允许的情况下，理论课程很容易地可以转成MOOC学习或者在线实时教学，但是实践课程就没有那么容易了，要么等疫情结束学生返校后再开课，要么就是降低质量要求，实践改成完全仿真或者纯粹地写设计论文结束课程。

面对当前高等教育的新特点以及可能会出现的种种新情况，高校应该更加重视人才培养质量的提升，把本科教育放在人才培养的核心地位、教育教学的基础地位、新时代教育发展的前沿地位[2-3]。作为高校电子信息类实践课程如何改革，如何建设，是值得探讨的话题。本文就当前形势下，我校电子信息类实践课程在实验室建设和课程建设的教学理念，教学方法，教学成果方面改革情况进行阐述，以供其他高校相关专业和课程学习和借鉴。

1 实验室建设

电子信息类实验为弱电实验，实践课程的实验设备大多是以实验箱为主，传统的实验箱如图1所示，器件都是固定好的，这种实验箱一般价位在5000-10000之间，经过几轮学生实验以后，上面常用到的器件损坏严重，或者与计算机相连的仿真器存在不稳定现象，致使实验根本无法顺利进行下去，而且几乎都是固定在实验室不允许外借，学生实验课也必须是在固定的实验室进行。时间空间都必须严格遵守课程和实验室的要求。实验内容也几乎都是统一的，只是大家根据实验设备的多少和实验室空间来进行分组，统一2学时或者4学时做一个做传统的验证性实验，即使是综合性实验，最多也就4学时课堂时间，通常都是只有少数组别能够做出来，大部分同学最后都是观察一下做出来的同学的结果而已，对设计过程，硬件调试过程还是一知半解，久而久之，学生对实验课程也就停留在按时出勤了，按时写报告交报告就能得高分的状态，至于是否真正调试出正确得结果无所谓。特别是在遇到特殊情况学生不能来实验室上课的情况下，课程更是无法开设，这种传统的实践教学形式严重打击了学生的积极性，不利于学生实践工程能力和创新能力的培养。

图1 传统实验箱

近年来，河北工业大学电子信息工程学院在实践教学设备方面进行了全新的改革建设。首先更新了传统的实验设备，对于理论课课内实验，例如数电课程实验箱我们课程组自己设计成了这样，如图2所示，即使一个小小的加法器实验都是要求学生自己设计，从器件的选择到电路的连接，每一步都是学生亲自动手完成，中间各个环节都可能出现问题，要求学生自己查找解决，培养了学生动手能力，工程实践能力以及解决问题能力。但是复杂一些的像交通灯实验，即使学生自己提前预习设计好电路图和进行了软件仿真，如图3所示。在课堂2学时内要将这样复杂的电路连接调试好，也只能有极少数学生能够顺利完成。大部分同学只能完成简单的单路交通计时器硬件连接设计结果如图4所示。

图2 自己开发设计的实验箱

图3 数字电子技术交通灯仿真设计图

图4 单路交通计时器硬件连接设计

当然，像素电这样的理论课程课内课程实验设置并不是很多，只是一些基础性的实验，辅助学生对理论知识的理解。对于综合性和设计性非常强的实践课程，统一建设了口袋实验室。如图5所示。在授课期间学生每人持有一块口袋实验板，学生进行创新大赛和毕业设计期间，学生也可以从实验室借出一开口袋实验板一直持有到使用结束。口袋实验板集成度高，性价比高，不容易损坏，便于携带，更重要的是使用口袋实验板进行设计不受时间空间限制，可以利用碎片时间，有学生反映，自己在用EGO1实验板做一个万年历项目的时候，完全沉浸其中，忘记了吃饭和睡觉，就一直想把它调试好。这种学习状态是在实验室做实验没有的，可见口袋实验板这种实践课程形式，更能够激发学生的兴趣，培养学生的实践动手能力，提高学生解决复杂工程问题的能力和创新能力。

图5 口袋实验板

电子信息类实践课程除了在实体中心实验室（包括学科基础实验室，专业实验室和创新实验室）建设时更新了硬件实体实验设备外，还搭建了虚拟仿真实验教学中心，主要针对数字图像处理，高频电子线路，光线通讯，通信原理，信号与线性系统，计算机网络等课程，建立了开放式虚拟仿真实验教学管理平台，实现了实验室管理的信息化，提高了实验室资源利用率促进了学校间的资源共享。学生打破时、空限制，通过虚拟仿真实验中心提供的虚拟器材自己动手搭建和调试实验模型，丰富了实物实验的教学内容，为实验教学注入新的活力和新的内容。

到目前为止，河北工业大学电子信息工程学院通过汇聚校内外资源，建立了国家级电子与通信实验教学示范中心和虚拟仿真实验教学中心，构建了虚实结合分层递进式的实践教学运行形势，如图6所示，软硬件平台的建设，为学生解决复杂工程问题提供了条件。

图6 虚实结合的实践教学模块

2 课程建设

前面已经提到高等教育的四个特征，河北工业大学作为地方院校，本科教育就应该以国家战略需求为牵引，以服务地方经济发展为目标，那么课程建设就要考虑学生的个性化与普适化要求，充分利用互联网＋等信息技术[4-5]，保障全体学生最大化学习各种知识、提高素养。作为实践课程，不能再做40年前的小榔头，教学内容和方式必须因时而变，因需而设。低年级时的基础课内实验，使学生对工程实践有了一个初步的了解，后期就是高阶能力的培养。电子信息工程学院，目前已经完成了从教学内容到教学方法，从基础实验到综合设计实验再到创新实践课程的整合改革，三个专业的实践课程如表1所示。下面以EDA技术综合设计课程为例，针对当前形势，对实践课程改革进行剖析。

表1 三个专业实践课程设置

3 《EDA技术综合设计》课程改革案例剖析

3.1 教学理念

文献[6]中总结出“新工科”下高等工科教育人才的培养目标。那么新形势下，实践课程的教学理念就要基于工程教育和创新教育，以高阶性、创新性、挑战度为标准，为培养具有批判意识、实践能力和创新精神的高素质“新工科”人才而进行。实践课程的设置目的在于培养学生基础知识的综合运用设计开发能力，工程实践问题的解决能力，自我知识提升的终身学习能力，团队协同合作的组织管理能力，所以实践教学要充分考虑学生发展的层次化，内容设置要多样化，教学方式要灵活化，EDA技术综合设计课程就是从这些方面考虑，基于项目的理念[7-9]，进行启发式的教学[10]，多方合作打造了一个以学习为中心的全新实践课程，使学生多自由度自主健康发展学习，提升教师的教学质量。

3.2 教学改革思路

EDA技术综合设计课程主要围绕教学内容教学方法从四个方面进来全面改革。

（1）重构了教学设计方案、打造了可视随动的立体化教材。EDA技术课程组在教和学的方式上进行了多次探讨，得出这类实践课程的前沿发展在企业，学校必须和企业合作，融合信息技术，协同育人，以此达到校企共赢。转变传统的教学设计方案，教学设计方案从“内容教学”向“思维教学”转变，从“知识教育”向“能力教育”转变，从“以教师为中心”到“以学生为中心”[11-13]再到“以学习为中心”转变。课程组选了和依元素科技有限公司合作，充分利用依元素的合作方，赛灵思官方微信向学生推出最新的技术培训和相关技术发展前沿动态，构建了泛在学习环境，同时将学生做的项目上床到河北工业大学云平台，并且实时更新，形成了可视化的立体教材。

（2）重构了能力本位的学习体系和内容。按照“两性一度”标准，进行能力达成和拔尖人才培养。充分考虑学生的普适化和个性化需求以及终身学习的能力培养需求，设计分级课程内容和分级课程培养目标，将课程内容项目设计分为基础、设计、综合和创新四个层级，培养目标分为基础能力、综合能力、创新能力达成。每一届学生设计项目不断更新，保持与时俱进，使之具有前沿性和时代性。

（3）重构了教学空间、学习方法、教与学的关系。打破时空限制，通过配置口袋实验板，将两三周短学期实践课程延伸到半学期甚至一学期、学校企业建立了现场、在线培训空中课堂，形成了时时、处处、人人皆可学的教学新形态，一切教学活动均服务于“以学习为中心”的教学模式，最大化挖掘了学生的创新能力、提升了教师的教学水平和教学质量，教师辅导采用现场和线上两种方式，实验室教师工作时间在实验室、授课教师全天候QQ在线答疑解惑，学生分享设计以现场分享和录制视频上传作业库相结合的方式进行。

（4）重构了实践教学全面考核评价体系。实践教学评价不能简单地以阶段性结果考核定成绩，例如文献[14]中提出一套包含学生、教师、专家及教学管理人员三位一体的实验教学质量评价体系。现场验收时学生对开发工具的熟练掌握程度，翻转课堂学生讲解自己的设计思路和实现过程，以及遇到问题时的解决方案等全部纳入考核评价体系中，从项目延伸、价值塑造、法律法规、团队合作、反思创新、学习方法、解决问题的能力、情感等全面进行考核，把立德树人作为教育的根本任务[15]。

3.3 教学效果

EDA技术课程组与依元素合作对省级资源共享课程“EDA技术”，先后进行了分级教学，翻转课堂教学，实验设备更新等校企合作，并以此参加了鼎阳杯全国案例教学大赛获得了国家级二等奖3项，赛区一等奖2项，并获得2020年国家“校企合作，双百计划”典型案例，立项了校级教改项目2项，教育部产学合作项目2项，河北省省级教改项目1项，并且被立项为了学校优质课程建设项目。最近几年每年暑假都有学生到现场（2019年）或者在线（2020年）参加依元素公司的培训课程。同时，利用EDA技术的基础学习和延伸学习，也培养了多名学生获得校级省级优秀毕业设计。

4 结论

本文从本科实验室设备更新和实践课程改革两个方面阐述了新形势下实践课程的改革探索，可以为高校应变科技进步，适应新经济发展需求的人才培养而定位实践课程提供改革方向，为培养创新人才提供改革思路，为校企合作、协同育人课程改革方式提供有力的借鉴意义，为推动高校一流课程建设、企业进步提升竞争力具有重要的促进作用，为应变疫情等突发事件实践教学的顺利开展提供经验，更是为企业提供新型工科人才的保障。