电子信息类创新人才基础能力提升与启发式教学实践

袁东明 史晓东 孙丹丹

摘  要：通过电子工艺实习课程的教学改革与研究，探索电子信息类创新人才的基础实践能力的提升。在教学理念、教学方法、教学内容、课程评价和教学装置等多方面进行课程整体设计，全面提升学生的动手能力、工程素质和创新意识，为培养电子信息类创新人才积极探索。

关键词：电子工艺实习；创新人才；实践教学；教学改革；启发式教学

中图分类号：C961        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）25-0164-04

Abstract： Through the teaching reform and research of Electronic Technology Exercitation， this paper explores the improvement of the basic practical ability of innovative talents in electronic information，carries out the overall design of the course in many aspects such as teaching philosophy， teaching methods， teaching content， course evaluation， teaching devices， etc.， comprehensively improves students' practical ability， engineering quality and innovation consciousness， and actively explores the cultivation of innovative talents in electronic information.

Keywords： Electronic Technology Exercitation; innovative talents; practical teaching; teaching reform; heuristic teaching

实践教学在电子信息类专业学生的培养过程中具有非常重要的作用，通过实践教学可以培养学生的动手能力、观察能力、分析问题和解决问题的能力，是创新意识和工程素质培养中必不可少的一环。特别是在“新工科”和工程教育专业认证等背景下，如何激发学生的好奇心、如何引领学生探索未知的领域是高校电子信息类人才培养过程中面临的一个亟待解决的问题。电子工艺实习课程（以下简称“本课程”）主要面向电子信息类专业的学生，针对基础阶段学生的知识结构和能力水平，以工程训练为基础、能力提升为核心、创新培养为重点，通过引入前沿技术，激发学生对未知领域的好奇心，提高学习兴趣，发掘学生潜能，为今后的进一步学习和工作打下基础。同时课程通过启发式教学，化难为简，仔细设计教学过程中的各个关键环节，达到全员参与、重点提高、合作协同，实现学生能力的提升。

一  电子信息类创新人才培养的需求和实践能力提升

电子信息类涵盖的专业范围很广，包括电子信息工程、电子科学与技术、通信工程、光电信息科学与工程及信息工程等。电子信息类人才培养应该遵循电子信息产业发展规律，根据国家发展、社会需求、高校人才培养目标确定培养方向，紧跟行业技术发展的新趋势及新动向，培养专业基础扎实、知识结构全面、实践经验丰富、创新思维突出和能够解决复杂工程问题的高素质人才。电子信息类创新人才的培养内容涉及电路与系统、微电子学、电子科学、电磁场与微波技术、计算机科学与光电子及光信息处理等多方面知识板块。学生主要学习电子信息科学的基本理论和技术，接受科学实验与科学思维的训练，具有本学科及跨学科的应用研究与技术开发的基本能力。培养过程中应坚持夯实基础，拓展能力，注重新知识和高新技术的引入，使学生具有深厚的数理基础和宽广的知识领域，既能从事较高层次的研究工作，又能适应和满足国家信息产业高速发展和民众高质量便捷电子信息服务的需要。

实践教学是一个循序渐进的过程，可以分为以下几个层次和阶段。基础的物理类观察验证实验和电子类设计验证实验作为第一阶段，让学生了解操作规程，学习实验现象的观察和数据的记录分析及处理，验证理论教学知识点。这个阶段偏重基础，因此，实验内容比较独立，相对单一，重点在于复现经典理论，培养操作规范。第二阶段是综合设计实践，包括电子电路综合实验、数字系统设计实验、电子工艺实习等实践课程都属于这一阶段，主要是让学生能够掌握系统的概念，融合多个學科知识点，达到承上启下的作用，为第三阶段的高年级专业实践类课程奠定良好基础，同时进一步支持第四阶段，也是本科阶段最重要的实践环节——本科毕业设计。由此可见，实践教学是一个引导学生由浅入深、逐步分析问题、解决问题的过程，是电子信息类创新人才培养过程中一个非常重要的环节，要达到通过实践教学提升学生的工程实践能力和创新意识，就需要不断优化与完善实践教学体系、不断改进和提升教学方法及不断更新和改革教学内容。

二  电子工艺实习教学实践改革

电子工艺实习整个实验过程是一个相对完整的工程实践项目，每个环节都体现出对学生的基础实践能力、创新能力、交流表达能力和团队合作精神等综合素质的培养。课程通过完成一个电子产品的焊接、组装、调试，初步培养学生具备系统的概念，掌握多种软硬件工具的使用，从单元模块到综合系统，从单一学科知识到多学科融合，电子工艺实习起到了非常重要的衔接作用。但是传统的电子工艺实习课程内容单一，教学模式和方法相对固化，成绩评定往往只看结果，教学装置老旧，学生很难进行创新和深入研究，因此针对以上问题，我们通过长期的探索和研究，从教学内容、教学方法、教学装置等多方面对该课程进行了持续改进，取得了良好的教学效果。

（一）  精心设置教学环节，教学理念创新，教学方法多样

电子工艺实习是以工艺性和实践性为主的实践教学课程，是高等学校电子信息类相关专业工程训练的重要内容，因此本课程设计了电路焊接、产品组装、软件编程、硬件调试、外观设计、交流答辩和报告撰写等多个教学环节，全方位提升学生的能力。

课程遵循“授人以鱼，更要授人以渔”的启发式教学理念，以此指导各个教学环节的设计和实施。教学模式从“以教为中心”向“以学为中心”转变，教学方法从“灌输式”向“互动式、探究式”转变，教师的角色从“知识传播者”向“引导者”转变，最终实现学生从“被动学习”向“主动学习”的转变。在教学方法上采取教师讲授、分组讨论、翻转课堂等多种方式（各教学环节采用的教学方法见表1），提高学生的参与度，培养学生积极钻研、自主研究的学习习惯。通过集中理论授课，介绍基础原理，激发学生好奇心；通过提供全套基础解决方案，使学生能够尽快入门，具有成就感；通过个性化要求，使得有能力的学生进一步思考、研究，达到融会贯通。除了传统的实验室面对面教学指导，课程采用雨课堂、腾讯会议等网络授课模式，为学生提供更多学习的时间和空间，同时还利用QQ群、微信群等对学生进行网络辅导与答疑。在教学过程中以学生为中心，学生在教学过程中占据主导地位，教师作为教学辅助，采用多种互动模式，注重启发式教学，对学生进行引领，使学生明白做什么、为什么做和怎么做，不断加强学生的理解，实现整体能力的提升。

（二）  教学内容上不断引入新的知识点，有效组合、整体设计

传统的电子工艺实习课程以组装调频调幅收音机、黑白电视机作为主要内容，主要训练焊接和基本电路调试能力，从学生反馈来看，学习内容与实际工作、创新需求等相差较远，并且对于低年级的同学来说，理解电路的工作原理有难度，整体教学效果不是很明显。为了解决这些问题，我们对该课程的教学内容进行了改革和创新，从国家发展、社会需求、人才培养三个方面考虑教学内容的设计和实施，基本思路是结合各种新型传感器和现代通信技术及自动化控制技术，根据大部分学生的实际学习情况，从传统电子产品组装实践教学转向机电一体化自动控制类实践教学，既重视学生的焊接、组装、电路调试等基本能力培训，同时不断引入新技术、新知识，注重创新能力的培养。

在教学内容上，采用机电一体化智能小车作为新的实践教学主体，以单片机作为处理平台，设计多种先进的传感器（红外、超声波、陀螺仪、加速度计和霍尔测速等），并且引导学生自主研究倒立摆基础知识、陀螺仪/加速度计基本工作原理、角度测量基本原理、平衡控制的基本PID算法和滤波算法等。从传统的焊接+装配转为焊接+原理+算法+装配+程序，进一步开阔学生眼界，激发学生学习兴趣，实现了多学科知识的交叉融合，扩展学生知识面。通过红外循迹、超声波避障、两轮平衡车等应用场景设计，强调产品的设计与实现，提高了学生的工程素质和创新意识。

（三）  教学过程中引入合作和竞争，评价体系兼顾整体，突出优秀

合理的课程评价体系能够充分、有效地调动学生学习的积极性，本课程通过多元化的课程评价方式引导学生参与教学的各个环节，逐步完成课程的各项学习目标。课程采用过程评价、基本功能实测评价、开放式设计评价和竞赛评价等分层次评价体系，引入合作和竞争机制，实现了全面参与、突出优秀的教学目标。

本课程在教学实施过程中，按照两人一组进行自由组合，每人都要独立完成基础焊接工作，合作组装、调试智能小车，独立撰写实验报告，分工合作、任务明确，在完成课程任务的过程中培养学生的团队精神，并锻炼领导、协作和交流能力。另外课程还增加了外观设计这样彰显个性的环节，使得每个学生的作品都是独一无二的（图1）。

在验收考核环节，除了基本的电路验收和交流答辩，还增加了比赛环节，从设计理念、行进速度和稳定性、外观工艺设计等多方面进行综合评分。比赛从班内到年级进行层层选拔，决出多种奖项，并颁发奖品。这些不仅增强了课程的趣味性，同时很好地调动了学生们的学习热情、钻研精神、创新能力，给学生更多的发挥空间，从而实现因材施教，既让大多数同学能够达到基本要求，又能让优秀同学脱颖而出的目的。

（四）  自主研制全套教学装置、讲义及完整的控制代码

教学装置不同于普通电子产品，完全依赖外部采购不能满足快速变化的教学和技术需求，必须紧密结合课程上的使用反馈进行持续改进，要根据学生的实际情况和教师的技术储备循序推进，在保证教学质量和教学效果的前提下，实现教学装置的逐步升级换代。本课程从2012年起开始自主研制相关实验装置，在多年的教學实践中持续演进、迭代，根据学生实验过程中遇到的问题不断优化设计，使之能够更好地满足教学需求。

2012年，我们在课程中采用了自主研制的基于51单片机的智能小车（图2），通过单片机和不同传感器的控制，可以实现小车自动循迹和走迷宫等功能。2016年，对单片机核心板进行了升级，采用基于ARM的STM32F103RCT6芯片，并增加了陀螺仪和加速度传感器，在课程中创新采用了智能平衡车（图3），之后不断提升核心控制板功能和电机驱动模块性能，并增加蓝牙控制模块，设计相应的手机APP，实现手机和智能平衡车之间的蓝牙连接和控制，使教学工作能够紧密结合新技术、新器件的发展。

实验装置不仅要满足教学需求，还要从可靠性、经济性、可更换性等各个方面进行综合考虑。例如，电机驱动模块这一易损部件，在设计过程中我们前后测试了十几种电路，不断降低驱动损坏率。对于供电模块，我们将锂电池供电改为充电宝供电，更加环保安全。这些改进不仅提升了教学装置的稳定性和创新性，也在潜移默化中让学生了解了电子产品的开发流程，在产品的设计和开发过程中充分考虑技术、用户体验、环境及社会效应等各种因素，培养工程技术素养和社会责任感。

另外课程根据教学装置和教学内容编写了详细的教学讲义，从焊接、组装、原理、算法和实现等多方面讲解课程内容，同时编写了完整的基础控制代码，便于学生快速理解原理和上手实践，并可以自主进行优化创新。

三  结束语

经过多年教学实践，电子工艺实习课程从教学内容、教学方法、教学形式和教学装置等多方面都已逐步完善，形成了一套完整的、能够反映实践教学基本规律、具有创新性、实用性和推广性的实践教学方案。在教学反馈和评价环节，学生广泛认为“课程将知识与实践充分结合，具有很强的趣味性与挑战性”“能够学以致用，学会如何利用已有的各种资源”“收获了独立自主思考、团队协作、与他人有效沟通交流的能力”“动手能力得到了提升，激发了对于新知识新领域的浓厚兴趣”“了解到了自动化、电子、计算机方向的各种知识，体会到各学科的交叉融合”……通过学生的感受，可以看到课程对学生多方面能力的培养起到了积极的启发引导作用，这也契合了工程教育专业认证要求中所提出的毕业生要达到的各种能力培养要求，即解决复杂工程问题能力、设计实验并得出结论的能力、综合考虑人文社会环境等因素的能力、使用现代工程工具的能力、遵守工程职业道德和规范、在团队中承担和履行责任的能力及有效沟通和交流等多方面的综合素质需求。

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