新工科电子技术实践教学模式探索与实践

荣海林， 徐向华， 姚福安

(山东大学 控制科学与工程学院， 山东 济南250061)

0 引言

“电子技术基础实验”原本包括“模拟电子技术基础实验”，“数字电子技术基础实验”，“电子技术课程设计”和“全国大学生电子设计竞赛培训”等系列课程。在我校启动的新一轮本科生培养计划中，已将“模拟电子技术基础实验”和“数字电子技术基础实验”设为两门独立的课程。同时为了加强电子技术基础课程的工程实践，提高学生的综合运用知识的能力，又开设了为期一周的“电子技术基础课程设计”。此外，每年暑假期间利用暑期学校，开设“全国大学生电子设计竞赛培训”课程，组织并培训学生参加全国大学生电子设计竞赛。

传统的电子技术实践教学从教学方法和教学内容上已经不能适应新工科发展的需要。为了适应电子技术发展要求，加大电子技术实践教学的改革力度，从改变传统的实验教学入手，从实验教材的编订、实验室硬件平台建设、实验课程体系、实验教学内容、实验教学方法及手段等方面，逐步达到国内先进水平。构建了基础、综合、提高三个层次的实验教学体系，突出了电子技术基础实验教学的基础性、实践性和先进性[1～2]。

1 电子技术实践教学基础实验教学模式改革

基础实验是学生进入电子技术领域的入门阶段，此阶段的设计将大大影响学生对电子技术的认识。从改进实验内容，编写实验教材，校企共建实验室以及自制实验教学设备等方面对基础实验教学进行改革与实践。

1.1 建立“层次化，递进式”的实验教学体系

根据“电子技术基础”课程的要求，加强理论课与实验课之间的联系，精选了实验教学内容，做到经典与现代的融合，将实验教学分成四个层次。

(1)基础层实验：该部分是学生初次进入电子技术学习所做的基本实验，包括常用电子元器件及集成电路性能测试，常用电子电路的测量。目的在于加深学生对电子技术基本理论的理解，培养学生对电子技术实验的兴趣。

(2)设计层实验：该层次将验证性实验转变为设计性实验。教师将实验项目及要求提出来，让学生自己设计实验电路、实验步骤、实验方法，最后到实验室进行安装、调试，写出实验报告。目的是培养学生理论联系实际的能力及书写设计性实验报告的能力。

(3)综合设计层实验：该层次要求学生利用常用器件，采用新的设计方法及手段设计完成综合性较强的电子系统，要求学生熟练利用EDA(电子设计自动化)技术设计、分析电子电路，目的是培养学生综合应用电子技术的能力。

(4)创新研究层实验：对于理论知识扎实、动手能力强的学生，采用开放式教学方式，利用当下时兴技术，应用到具体工程环节，培养学生独立进行科学研究的素养，培养学生的合作精神，培养学生撰写科技论文的能力。

1.2 制定满足学生工程实践能力锻炼、创新型人才培养的教材

全面研究了国内外同类教材发展趋势，编定了将知识、工程能力培养于一体的《电子技术实验课程设计与仿真》实验教材。该教材是参照教育部高等学校电子电气基础课程教学指导分委员会最新修订的电子技术基础实验教学的基本要求编写，其内容融入了作者多年从事电子技术理论教学、实践教学及电子设计竞赛活动的教学经验及体会撰写而成，满足不同教学要求及教学对象的需要[3～5]。

1.3 搭建校企联合、具有国际水平的实验教学硬件平台

要培养具有国际一流水平的本科生，实验室必须具有国际水平的测试仪器、实验技术。在电子技术基础实验室里全部配置了国际著名公司Aglent的DSO-2002A数字存储示波器、DDS信号发生器等国际一流的实验仪器；EDA(电子设计自动化)实验室安装了正版的国际流行的最新电子电路计算机辅助软件NI公司的Multisim，并购置NI MyDAQ数据采集卡，学生可在任何时间任何地点进行电子技术实践学习；电子设计创新实验室与国际知名公司TI公司联合成立了“山东大学—美国德州仪器大学生创新中心”，TI公司提供最新的MSP430和MSP432系列单片机，C2000等处理器，以及电源管理，AD/DA，运算放大器等集成芯片，供学生参加科技创新制作、电子设计竞赛等创新活动。与Xilinx公司建立联合实验室，为学生提供最前沿的FPGA硬件及技术平台。

1.4 自制训练学生综合素质及创新能力的实验教学设备

传统电子技术实验装置大多数功能简单、实验项目单一、综合性差，难以完成对学生的设计能力、创新能力的训练。为此，自制了一整套电子技术基础实践教学设备。

(1)开发研制了电子技术综合实验教学装置这一实验平台，在该平台上采用全开放式设计思路，可以完成“基本实验”、“综合实验”和“设计实验”等，为学生留有足够多的实验资源，能更好的激发学生的创造思维能力。

(2)自主制作了基于MyDAQ模拟电子技术基础实验平台，该实验平台方便携带、可在任何时间，任何地点进行真实实验。

(3)自行设计了基于MyDAQ的数字电子技术实验平台，主要解决的问题是电子技术的“虚拟仿真”不真实问题，实验技术的软件化问题等。真正做到“虚拟技术”与“硬件技术”相结合，提高学生的学习兴趣。

(4)改革数字电子技术基础实验教学体系，探索自主式的实验教学模式，将传统实验教学项目与FPGA融合，科学地构建了“以FPGA器件为基础的数字电子技术基础实验平台”，全面地提高学生学习数字电子技术的能力，使其在FPGA基础上掌握先进的数字系统设计方法，培养解决复杂工程问题的能力。

这种根据学生实际需要自制的实验教学装置对培养学生的实践创新能力起到了非常好的效果[6]。图1所示为自制的基础实验教学设备。

图1 自制基础实验教学设备

2 加强电子技术实践教学综合实践实训建设

为了积极落实“创新创业教育行动方案”，深化教育教学综合改革，全面提升学生创新实践能力，同时分阶段检验学生专业知识的运用，提高学生理论与实践相结合的能力，提升社会竞争力，面向本科二年级学生开展“学以致用”电工电子综合设计比赛。大赛宗旨：与所学知识结合，所学即用；与生产实际结合，活学活用。比赛的形式为全开放式，要求根据比赛题目的内容进行设计并完成实物制作。比赛分层设置环节，要求呈现递进式提高，知识能力递进。比赛题目结合实际应用，有理论知识分析运用，又有实践环节的实物制作。知识理解到分析运用再到实践转化，递进式完成能力的提升。在比赛期间，坚持做“与你分享”答辩交流、“名师助我成长”专家讲座、以及优秀作品展示，让榜样的力量指引学生前进的方向[7～8]，通过此类校内实训，学生的学习积极性和热情显著提升。

3 课赛结合，打通创新型人才培养通道

电子技术实践教学的目的是培养创新能力人才，学生能力的体现不能局限于课堂上或者校内，真正的实践能力的检验应该放眼全国，同全国各大高校的学生“华山论剑”。

全国大学生电子设计竞赛培训基本目的是培养学生的创新能力，提高学生电子设计的兴趣，加强工程实践能力的训练。依托学校电工电子创新教育平台，对电子设计创新实验室实行全方位开放式的教学，依靠电子设计竞赛协会对实验室进行管理。自2015年成立以来，电子设计协会发展迅速，大批热爱电子设计与科创的学子聚集在这里，协会为电子设计爱好者打造了共同交流的广阔平台，为电子设计初学者开拓了一条掌握电子设计基础能力的开阔渠道，为全国大学生电子设计竞赛打造了一方储备人才的希望基地。

为了满足学生对电赛培训的需求，实验室为学生们配备了充足的常用的电子元器件，各种测量仪器以及常用电子模块。教学模式采用理论与实践结合、讨论与交流互动等灵活的教学方法进行。近年来，电子设计竞赛培训实验室为了应对各种不同的题目，专门制作了多个常用的电设模块，比如电源升降压模块，在此基础上可实现恒流源的设计；滤波器模块，可实现高通滤波，低通滤波；仪表放大器模块；有效值转换模块；运算放大器模块等等。模块化教学一直是电子设计竞赛培训的教学模式，有了这些基础模块，学生可以更快更好地学习单元知识，进一步将单元累加成一个完整的系统[9～11]。

赛后和同学们沟通，大家普遍反映，电子设计竞赛考验的是同学们一个总的实践能力，从硬件电路设计、模块化调试到CPU选择、程序编写、调试，作品的组装等等，是综合能力的培养，完全符合创新型人才培养要求，对学生以后学习研究和入职工作都很有帮助[12～15]。近年来电子设计竞赛取得的成绩如表1所示，2018年获得全国大学生电子设计竞赛模拟电子系统设计邀请赛TI杯。

4 实施成效

基于创新型人才培养的电子技术实践教学模式以现代实践教学教育理念为指导，以培养创新型人才、提高本科生综合素质为目标，经过有效的组织实施，取得了丰硕的成果。

表1 近年来电子设计竞赛取得成绩

全面提高了电子技术实验教学质量，培养了大批的高素质优秀人才。每年都有多名学生被保研到清华、中科院、交大、浙大、北航等名牌大学。

自主设计开发的“基于MyDAQ模拟电子技术基础实验平台”、“基于MyDAQ的数字电子技术实验平台”，在全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛获奖，在校内取得良好的应用效果，并被山东中医药大学，山东农业工程学院等高校引用。

自制基础实验教学设备获奖让书如图2所示。

图2 自制基础实验教学设备获奖证书

建设了一支高水平的教师队伍，使青年教师的教学能力迅速提高，承担了多项省、校级教研课题，实验室管理与研究项目，实验室建设项目。

多年开展全国大学生电子设计竞赛，覆盖了学校济南校区，青岛校区以及威海校区，控制学院，电气学院，机械学院，能动学院，微电子学院等众多工科学院，打通了校区之间以及学科之间的隔阂，使得所有电子设计爱好者都能投入其中，从中学到真本领。

5 结语

基于创新型人才培养的电子技术实践教学模式改革从基础实验入手，培养学生的学习热情；到参加电子技术实践实训，锻炼学生工程实践动手能力；最后到全国大学生电子设计竞赛，同全国学生一起角逐，对于学生创新能力培养起到强有力助推。内容广泛，影响宽广，改革思路符合新工科的新结构、新质量、新理念、新体系、新模式，对培养学生工程实践创新能力，具备国际竞争力的高素质复合型“新工科”人才，起到了极其重要的促进作用。