新工科背景下电子技术实验教学改革与创新探索

陈杰　黄世泽　洪玲　欧冬秀

[摘 要] 以新工科人才培养理念和要求为指引，探索实践了新工科背景下交通工程专业电子技术实验课的教学改革方案。在分析了现有问题的基础上，提出了以学生为中心，以工程实践能力、综合设计能力和创新意识培养为主导的教学改革思路;详细阐述了改革后的自主综合设计性创新实验的实验方案、教学模式和考核评价。实践表明，改革后的实验教学方案有效提升了电子技术实验课的教学效果和学生在工程实践、科技创新等方面的综合素质，符合新工科人才培养理念和要求，可为其他专业基础课的实验教学改革提供借鉴。

[关键词] 新工科;交通工程专业;电子技术实验;教学改革

[资助项目] 2020年度同济大学实验教改第15期“‘交通信息传输原理及技术实验教材建设”

[作者简介] 陈 杰（1972—），男，上海人，学士，同济大学交通运输工程上海市实验教学示范中心助理工程师，主要从事交通信息工程与控制研究;黄世泽（1983—），男，河南信阳人，博士，同济大学交通运输工程上海市实验教学示范中心副教授，主要从事交通信息工程与控制研究;洪 玲（1972—），女，浙江武义人，博士，同济大学交通运输工程上海市实验教学示范中心教授级高级工程师，主要从事交通运输规划与管理研究。

[中图分类号] G642.0    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）45-0050-04  [收稿日期] 2021-02-18

一、引言

电子技术广泛应用于社会生产生活的各个领域，也是现代交通工程装备必不可少的部分。电子技术基础课程是笔者所在学院面向交通工程专业（信息方向）的学生开设的专业基础课程。课程教学目标是使交通工程专业（信息方向）的学生掌握电子学的基本原理和实用技术，培养学生运用理论知识分析、设计交通电子系统的能力[1]。课程知识既是轨道交通信息与控制工程的重要基础，又是道路交通智能管控及服务工程和航空交通信息与管控的重要技术内容。目前，交通工程专业（信息方向）的电子技术基础实验课存在的主要问题是实验内容单调，实验内容都是围绕理论教学的某一个知识点展开，如整流电路、晶体管共射级放大电路、集成运算放大电路、加法器、译码器、触发器等实验，其教学方法是教师讲解后学生进行验证，各实验小组都是重复同样的实验。学生只要按照实验步骤进行操作就能顺利完成实验，很少对实验数据、实验现象或实验结果进行分析。另外，实验内容设计与交通工程专业基本没有概念上的关联，学生很少有意识地从专业背景和职业意识角度去思考实验，对做电子技术实验缺乏兴趣，实验效果欠佳。

教育部于2016年提出了新工科的人才培养理念和要求，对人才培养提出了更高的要求。在新工科背景下的人才培养要求从学科导向转为行业导向，从传统知识驱动向应用驱动，人才培养要面向工程，具备更全面的工程实践能力和专业认知能力。本文以“新工科”人才培养理念和要求为指引，针对笔者所在学校交通工程专业（信息方向）电子技术实验课存在的问题，提出电子技术基础实验教学的改革思路和实践方案。

二、改革思路

针对新工科对人才培养的要求，电子技术实验内容设计除了让学生在实践中更深刻地理解理论知识，更要考虑突破传统验证性实验的局限性，以学生为中心，以工程能力、综合能力和创新意识培养为主导，加强学生的自主研究和探索性实践训练，着力培养学生理论结合实践的应用能力、科研素养、工程素养和创新意识[2]。具体改革思路如下。

1.单独设置实验课，强调实验的重要性。交通工程专业（交通信息工程与控制方向）作为非电子信息类专业，最初并没有单独设置电子技术实验课，实验学时和实验内容偏少，不能满足提升学生实践能力的需求。单独设置电子技术实验课除了增加课时外，还有助于强调实验的重要性，提升课程实验教学的定位。通过单独设置学分制实验课，使学生重视实验，督促教师提高对实验教学的重视度，丰富教学手段，有效提高教学质量和效果。

2.增加仿真实验，强化原有基础验证性实验。强化验证性实验，要求在原来只做实物实验的基础上新增仿真实验。作为实物实验的实验预习和前置实验，仿真实验让学生在进行实物实验前，提前熟悉实验任务，弄清实验原理和电路结构，了解需要使用哪些仪器和元器件，为实物实验做好准备，以保证在有限的课时内，高质量地完成实物实验，并使学生建立牢固的基础知识和基本原理认知。

3.增加自主综合设计性创新实验，转变实验类型和方式。在原有验证性实验的基础上，新增自主综合设计创新实验[3]。根据新工科对人才培养的要求，新增的实验方案强调自主开展、任务驱动、创新探索、团队协作和自主学习。

4.实验成绩多元化考核，调动学生学习的主动性和积极性。为了调动学生学习的主动性和积极性，高质量地完成电子技术实验课程，可采用多元化的考核模式。验证性实验除了实物实验及实验报告考评外，增加了对仿真实验报告评价的考核，考核主要针对基础理论知识的掌握及实验报告的质量;新增的综合设计性创新实验则关注能力和过程考核[4]。

三、改革和创新实践

基于新工科的人才培养理念和要求，根据电子技术基础课程的教學目标和改革思路，对交通工程专业（信息方向）电子技术实验教学进行了改革探索和实践。下面针对新增自主综合设计性创新实验这一教学改革重点内容的具体实施情况，进行详细阐述。

（一）实验方案设计

根据改革思路，新增的综合设计性创新实验方案设计体现自主性、专业性、设计性、综合性、探索性、创新性和工程性。

1.自主性。从实验题目选择、团队组建、实施乃至最后对实践成果的评价，都由学生自主开展，教师主要进行引导和指导。在实验选题开题过程中，教师通过开题汇报的方式进行引导和指导，既要避免实验内容过于简单达不到综合设计性实验的目的，又要避免电路太复杂难以实现的问题而影响学生的积极性。

2.专业性。具体的实验内容是实现某些功能的电路，但要求学生的选题报告要结合交通行业和交通科技前沿知识展开。撰写选题报告时要说清楚实验内容在交通领域中的应用背景和应用场景，在概念上形成电子与交通学科的交叉，引导学生关注电子技术在交通领域的相关应用，增强学生的工程实践和社会服务意识。选题报告中关注交通领域的前沿技术，可激发学生的兴趣，通过引导学生思考并查阅相关资料，不仅能开阔学生的视野，而且能促进他们的学习主动性。

3.设计性。设计性主要体现在要求学生运用所学知识，自行提出问题，进行选题并设计研究方案，通过实施实验、观察实验，对实验结果进行分析并得出研究结论，最后进行报告撰写。实现电路功能所需要的各种元器件，要求各小组自主完成选型设计，确定元器件的型号、规格等参数后自行采购或者汇总至指定学生代表处统一采购，这样可使学生对从应用分析、电路设计到具体实施有一个更加完整清晰的认识。

4.综合性。综合性主要体现在具体实验过程中，学生可运用课程所学知识灵活解决实验过程中的实际问题。由于是自主综合设计性创新实验，具体实现功能都是各小组自主商定并经教师指导后确定，教材上没有具体电路图可参考。为了确保实验的顺利开展，要求学生要有详细的电路原理分析，并对电路进行仿真，及时解决仿真过程中发现的问题，最后在实验装置上搭建实验电路实物图，并进行调试和功能实现。

5.探索性。综合设计性创新实验没有现成的实验方案和步骤，需要学生自己去探索和总结，因此在过程中难免会出现问题和挫折。学生在实验过程中出现问题时教师除了及时给予恰当的帮助和引导，更要鼓励组内学生或组间形成积极交流、共同学习、共同提高的学习模式和敢于探索尝试的精神，让学生在面对难题不断探索的过程中学会勇于尝试，善于总结，进而快速成长。

6.创新性。鼓励学生在实验选题时从交通出发，结合新技术、新模式，将交通工程专业知识和信息技术结合起来思考如何解决交通问题，创新意识自然融入实验过程。

7.工程性。在选题和环节中要求突出交通工程应用背景、应用场景和技术可行性分析;在设计和实现过程中则要求既有软件仿真，又有硬件电路搭建和功能实现，较好地体现了交通工程的概念和电子工程实践的过程，培养学生的工程意识。

（二）教学模式

与原有验证性实验相比，自主综合设计性实验在形式和内容上都有很大的调整，要求也更高，因此在实验过程中必然会遇到各式各样的问题，这对教师提出了更高的教学要求，不仅需要教师具有丰富的教学经验，而且要求具有宽厚扎实的理论基础、相关学科的专业知识及工程实践经验，能够分析解决实验过程中出现的各种问题。

根据综合设计性创新实验的总体要求和过程要求可知，实验的教学模式是可以灵活切换的。教师既是知识的传授者，又是实验过程中的引导者、设计者、互动者、答疑者、监督者和评价者。在整个实验教学过程中，强调学生学习的自主性和探究性，锻炼学生综合运用课程知识的能力，培养学生分析、解决复杂问题的意识素养[5-7]。

（三）考核评价

综合设计性创新实验从交通出发，就学生所设想的电路功能具有确定性，但有些学生所察觉和关注的交通问题、需求，以及提出的创新性解决思路和应用场景等具有一定的研究价值，因此其结果具有很大的不确定性和延伸性。教师应鼓励学生以此为起点，运用专业知识挖掘其中的科研宝藏，从科学研究、工程实践、社会发展等角度系统性地思考问题，持续发展自我驱动的学习研究能力，为今后的学习、工作、科研和工程实践打下坚实的基础。因此，创新实验不能像验证性实验那样考核评价，而应更关注过程考核和能力考核，即针对过程中各阶段的实际情况，包括选题、交流讨论、电路搭建调试、总结报告、汇报展示等环节中学生所表现出来的学习、研究能力和态度进行考核评价。能力评价可以从电子技术应用设计和交通工程专业领域解决方案等多方面来开展，包括发现问题的能力、创新意识、自主学习能力、研究分析能力、设计开发能力、协作沟通能力等。

考虑到创新实验大多是利用课外时间来完成，因此过程和能力考核需要师生共同参与，即除了教师点评，还要求小组间互评和组内同学互评。小组间互评可增加学生的创新意识和竞争意识，组内同学互评可充分掌握学生对实验的参与度和投入度，这也反映出学生的学习态度。在最后汇报展示环节，可以邀请具有丰富工程实践和创新经验的专业课教师到场参与点评，学生可以从更多的角度了解自己所设想的应用场景、解决方案、创新思路的可行性，以及其中存在的研究价值。

（四）实践效果

将改革后新增的自主综合设计性创新实验在笔者所在学院交通工程专业（信息方向）本科生中进行了初步实践，实践经历了自由分组、自主选题、指导改进、实验仿真、元器件采购、搭建调试电路与课堂汇报展示7个环节，学生通过互相学习、相互借鉴、研究分析、动手实践，成功将自己设想的电路设计了出来并实现其功能。在整个实验过程中，每个小组在不同的环节或多或少都经历了挫折，但通过不断研究分析和优化设计，最终都圆满完成了任务。在实验过程中，学生既体会到失败后重新开始的滋味，又感受到了成功的喜悦，激发了自信，更重要的是理解了学习、科研和工程实践所需要的坚持、努力和创新精神。

学生在选题时结合交通行业目前热门的应用背景和场景，如智慧停车、智能网联汽车、车路协同、智能车检器、自適应信号控制等研究热点，在这些应用场景中切入具体的电路设计和功能实现，如汽车尾灯控制电路、停车场车位计数电路、交通信号灯控制电路、计时控制交通灯电路、地下停车场灯光分批控制电路、航标路标信号灯节能电路等，充分地发挥奇思妙想及对交通问题的观察与见解，将对交通的热爱融入其中，体现了学生的交通意识、社会责任感，以及学习、研究的愿望。由于在实验过程中突出了学生的主导地位，锻炼了学生独立分析问题、解决问题的能力，因此对课程的理论知识理解得更为透彻。另外，强调实验的专业性和工程性使学生更加务实，能够从交通行业和职业意识等角度系统性地思考问题，更加重视实验过程中的团队协作，有利于培养敢于创新、独立思考和实践能力强的交通工程专业人才。

在期末实验成果展示汇报课堂上，邀请了学院实验教学中心领导和系部相关教授现场观摩和点评。在学生的展示汇报环节，显示出综合设计性创新实验在激发学生对本专业知识的兴趣，以及提升学生科研、工程实践素养和创新意识等方面达到了不错的效果，既得到了现场观摩教师的积极肯定，也赢得了学生的普遍好评，教学效果良好。从学生的好评和观摩教师的点评可知，改革后新增的综合设计性创新实验模式和实践方案是可行有效的。

四、结语

面向新工科的人才培养，工程实践能力和创新意识的培养是关键。交通工程专业（信息方向）作为非电类专业，电子技术课程及实验除了使学生具有了从事交通电子技术工作所需的专业基础知识外，还应强调如何应用电子技术去识别、描述、分析、解决交通工程中的复杂问题和创新应用。本文以电子技术实验教学中的实际问题为基础，提出了改革思路，重点对综合设计性创新实验的实践方案进行了阐述，从实验方案、教学模式和考核评价等方面对实验教学进行了探索，取得了良好效果，可为其他专业基础课的实验教学改革提供借鉴。

参考文献

[1]黄世泽，欧冬秀，董德存，等.面向综合交通信息工程的电子技术基础课程教学探讨[J].教育教学论坛，2016（39）：172-174.

[2]朱新宁，杨汀滢，张春红，等.面向科研素养的大学生创新教育探索与实践[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2020，22（6）：108-118.

[3]吳根忠，李剑清.综合性设计性实验在电子技术基础教学中的应用[J].实验室科学，2020，23（1）：95-97.

[4]桑林，付强，师楠，等.电工电子技术实验多元化考核方式的研究与实践[J].当代教育实践与教学研究，2019（19）：112-113.

[5]李荣强，李波，杜国宏.基于新工科的学科交叉实验教学研究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2019，44（7）：156-160.

[6]郭立强，刘恋.面向工程实践能力培养的实验教学改革探索[J].长春师范大学学报，2020，39（2）：129-135.

[7]项嫔，朱旋，韦民红，等.“新工科”背景下电工电子学实验教学改革探索[J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2020，46（4）：123-125.

Teaching Reform and Innovation of Electronic Technology Experiment under the Background of Emerging Engineering： Taking Traffic Engineering Major Oriented in Information as an Example

CHEN Jie， HUANG Shi-ze， HONG Ling， OU Dong-xiu

（Shanghai Experimental Teaching Demonstration Center of Transportation Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： Guided by the training concept and requirements of emerging engineering talents， this paper explores and practices the teaching reform scheme of electronic technology experiment course of traffic engineering major under the background of emerging engineering. By analyzing the existing problems， it puts forward the student-centered teaching reform idea based on the cultivation of engineering practice ability， comprehensive design ability and innovation awareness. The experimental scheme， teaching model and evaluation of the independent comprehensive design innovative experiment after the reform are elaborated. Practice shows that the reformed experimental teaching scheme effectively improves the teaching effect of electronic technology experiment course and the comprehensive quality of students in engineering practice and scientific and technological innovation， which fits the talent training concept and requirements of Emerging Engineering， and can provide a reference for the experiment teaching reform of basic courses of other majors.

Key words： Emerging Engineering; traffic engineering major; electronic technology experiment; teaching reform