层次化电工电子实验教学平台建设思考与实践

顾艳丽， 朱震华， 刘芫健， 肖 建， 刘晓艳

（南京邮电大学a.电子与光学工程学院、柔性电子（未来技术）学院；b.实验室建设与管理处；c.集成电路科学与工程学院，南京 210023）

0 引言

2022年2月14日，教育部、财政部、国家发展改革委公布了《第二轮“双一流”建设高校及建设学科名单》。“双一流”是中共中央、国务院做出的重要战略决策，旨在“以一流为目标，以学科为基础”，推动高校建设，改革创新人才培养模式，提升中国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现“两个一百年”奋斗目标和实现中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支撑［1］。建设世界一流大学和一流学科应坚持以改革为动力，确定优先发展学科领域，重构专业教育理念，创新人才培养模式。电工电子实验教学平台作为工科类、综合类高校优先发展学科的基础支撑，对创新人才的培养质量至关重要［2］。当前电子信息技术发展飞速，传统电工电子实践教学平台已无法满足人才培养需求，迫使高校实验室建设改革紧跟时代步伐，保持教学内容和教学手段的先进性。实验平台作为实验实践教学的重要支撑，对学生工程能力的培养尤为重要［3］。

电工电子实验作为大多数理工类专业学生需要学习的一门专业基础课，在理工类高校的培养体系中非常重要，对于以“电子信息”为特色的工科院校尤为重要。如我校有70%以上的学生必修电工电子实验课程，课程专业覆盖面约占全校的60%以上。全国有如此多的理工科高校，如此多的理工科专业，电工电子实验课程这样一门非常重要的必修专业基础课，面对如此巨大的教学需求和教学压力，教学任务重，教学时间长，教学经费少。长期以来，高校电工电子实验室普遍存在仪器设备超负荷运行，使用频率高，但更新速度缓慢的现象，导致仪器设备落后、老化、损坏严重、维修困难，严重影响实验正常教学［4-5］。如何保证实验仪器设备和器件的良好运行，保证学生良好的实验环境是高校电工电子实验室面临的第二大挑战。

电子行业是个发展迅猛的行业，电子器件、电子设备和电子开发技术发展日新月异，传统实验教学平台已无法满足专业认证要求，无法满足人才培养需求。我国的电子技术研发水平相比于发达国家还有一定的差距，我国电子技术未来的发展任务还很艰巨［6］。这迫使高校实验室建设改革紧跟时代步伐，保持教学内容和教学手段的先进性。实验平台作为实验实践教学的重要支撑，对学生工程能力的培养极其重要。因此，如何在教学人数众多、教学设备落后、教学内容滞后的情况下保证学生获得先进的知识和技术是电工电子实验教学面临的第三大挑战。

1 实验教学平台建设思路

本文提出层次化实验教学平台的建设思路，从优化硬件配置入手，在现有场地、设备、网络系统、课程资源的基础上，完成教学改革、建设智慧实验室、配备口袋实验系统、更新仪表和引进先进实验器材等建设工作。将实验教学平台分为“基础实验教学平台—综合实践教学平台—创新竞赛实践平台”三层次体系。

平台秉承“强调学用结合，注重能力训练，倡导创新拓展，培养创新人才”的实验教学理念，通过线上与线下融合、课内与课外融合、理论与实验融合的“三融合”改革举措，达到提高学生综合实践能力，提升创新思维的目标［7］。层次化实验教学平台体系如图1所示。

图1 层次化实验教学平台体系

建设思路中聚焦层次化教学目标，搭建基础实验教学平台、综合实践教学平台和创新实践竞赛平台，构建较为完善的实践创新人才培养体系，以及相应的工程能力训练和综合能力培养条件与环境，在保障普通学生学有所获的基础上，让少数能力突出的学生学有所成［8］。针对三个不同层次的平台，重点进行平台配置和平台课程群两方面的建设。

1.1 基础实验教学平台建设

为了能让大部分同学基础实验能力得到提升，基础实验平台主要配备万用表、示波器、函数信号发生器和直流稳压电源等常用仪表，建设电工电子实验基础课程群，从初级入门实验开始，实验内容和难度逐步加深，培养学生实验能力和基本电路设计能力，培养学生的工程实践能力。把握实验课程教学特点，按照一流课程“两性一度”的要求打造基础实验课程群，加强课程思政教育建设，做好教材、视频、项目等软硬件的课程资源建设和在线开放课程建设。

1.2 综合实践教学平台建设

为了培养学生设计开发能力，使用现代工具的能力，综合实践教学平台主要配备中等性能的仪器设备，如高精度万用表、高频信号发生器等，适当补充各类开发板等有利于学生综合实践能力提高的器材，对应研究电工电子技术综合课程群的建设，培养学生综合性电路设计能力、电子设计自动化应用能力，提升解决工程问题的能力。课程群在课程内容、器件、软件等各方面始终保持先进性，增加课题类型，提升课程质量。

1.3 创新竞赛实践平台建设

为了综合培养学生项目管理能力和终生学习的能力，促进学生个性化发展。创新竞赛实践平台配备高端和专用的仪器设备，以及有助于学生创新能力发展的先进实验器材，主要为复杂工程综合性课程设计、电子设计竞赛冬令营、夏令营等创新实践性环节开设系统性实验项目，支撑电子技术与创新课程教学群的研究，培养学生电子系统设计和创新能力。通过课外创新、学科竞赛等，使学生的实践能力、创新能力和解决复杂工程问题的能力得到进一步的提高。

通过对应三个层次的课程群建设，研究不同专业背景和知识基础的学生特点，设置不同的实验内容，并在实验中引进新技术、新方法和新观念，保持实验教学先进性。引导老师及时将竞赛经验、科研结果和项目技术等充实进实验教学全过程，激发学生学习热情，完善学生知识体系。

2 实验教学平台硬件建设

2.1 建设智慧实验室

智慧实验室主要面对教师和学生两类服务对象，以深化教改，提高质量为指导，以提高学生实践能力和创新能力为目标，实现实验室智能化、安全化和可视化管理，实现资源互联共享［9］，基本结构如图2 所示。智慧实验室集信息化管理、基础实验教学、远程智能实验和翻转课堂实验、直播与录播等功能于一体，突破实验室时间和空间的限制，提高实验室容量。信息化系统作为智慧实验室中重要的软件建设内容，具有全面管理的功能，功能模块划分如图3 所示。学生依托平台进行个性化、研究性学习，结合自身情况进行拓展实验。智慧实验室对学生的操作情况和实验结果进行数据统计、智能分析、考核判断等，实时反馈，提高教学效率［10-12］。智慧实验室绿色环保、智能舒适，有效解决实验空间紧张的挑战，也便于及时更新，保持教学先进性。

图2 智慧实验室基本结构

图3 信息化系统功能模块划分

2.2 配备口袋实验系统

传统实验箱的实验内容比较固定、通用性低，使用场地受限，缺乏开发创新，教学适用范围窄，不利于教师教学拓展和学生能力拔高。口袋实验系统集成多种仪器，配合各种模块，可以随时随地完成多样教学和实验，且轻巧便捷，克服传统实验室内各种仪表和器材不便携带的困难［13-14］。建设中采用“自制+采购”相结合的方式，为学生配备口袋实验系统，图4 和图5 分别为自制口袋实验板和采购口袋实验室实物照片。利用口袋实验系统，可以实现实验室内外互补教学和翻转课堂等不同的教学形式，虚实贯通，实现全时空实验的教学新模式。实验室内使用实体仪表，实验室外使用口袋实验系统，两种教学手段结合，适合多门实验课程教学使用，有效缓解实验室空间压力，学生可获得充分的实验机会。口袋实验系统还能缓解实验室内仪器维护压力，提高仪表使用寿命。口袋实验系统是解决前两个挑战的有效措施。

图4 自制口袋实验板

图5 采购口袋实验室

2.3 提升仪表质量，引进先进器材

电工电子实验是大部分工科高校的专业基础课，学生人数多，教学内容多。电工电子实验室在长期的教学使用中积累了大量的电子仪器仪表，这类仪器设备使用频率高，工作时间长，损耗严重，资源短缺，面对飞速发展的电子技术，难以胜任新时代教学工作。因此，建设过程中在现有平台基础上，本着能用尽用的原则，加大平时维护保养力度，适当、合理地进行更新。同时，为了保持实验教学的先进性，提高教师专业能力，保证学生有机会接触到前沿的技术，提高学生的创新设计能力，引进合适的先进实验设备和实验器材很有必要［15］。

3 建设成效

通过一系列建设，三层次实验教学平台体系建设形成了特色鲜明，具有一定示范性、影响力、辐射力的高水平实验实践教学平台。

（1）建设基础实验课程群。建设中坚持不抛弃、不放弃的原则，考虑各专业学生知识特征，进行基础实验教学平台搭建。从实验平台的软、硬件配置到相应课程内容、教学方式等各方面的选择，都充分注重学生特点，减小实验时空束缚，制定符合大部分学生培养需求的教学大纲和教学计划，实现电工电子实验知识的普及化教育，扩大受益面。并在平台建设中，加强课程思政建设，形成课程思政素材库。

目前基础实验平台开设4 门基础课程，面向全校70%的学生，平均每年承担约60 万人学时的教学工作。其中“电工电子实验（二）”课程被评为江苏省一流课程，“电工电子实验”课程被评为校课程思政示范项目，“电工电子基础实验”教材被评为十三五江苏省高等学校重点教材。开设在线开放课程两门，录制教学视频105 个，视频点击量超过23.6 万。

（2）建设与优化综合性创新课程体系。研究面向综合能力培养的理论、实践课程设置，以及课程之间的关联与支撑关系，改变现有教学中不适应创新型人才培养目标的传统模式。综合实践教学平台和创新实践竞赛平台中，除开设专业基础课程外，以综合型、研究型和创新型实验内容为主，逐次提升实验设备性能和种类，全方位、多角度、跨学科培养学生运用现代工具的能力、解决实际问题的能力和电子综合设计能力。

目前，综合实践教学平台中开设的“电子电路课程设计”课程已有30 个固定实验内容，并持续拓展开发。在近2年的实验案例设计竞赛中，参赛教师利用课程中的实验内容共获得省级以上奖项20 余项。课程教材“电子系统设计与实践教程”被评为十三五江苏省高等学校重点教材。

创新实践竞赛平台主要开设创新类选修课，承担各类电子类学科培训和竞赛，培养出较多的电子技术人才，在各类学科竞赛中成绩突出，曾获得2017年“全国大学生电子设计竞赛”最高奖“瑞萨杯”，在2021年“全国大学生电子设计竞赛”中共夺得国家级一等奖、二等奖共10 项，一等奖获奖数量列全国参赛高校第二名，省参赛高校第一名。图6 为近10年学生获得学科竞赛省级以上奖项的人数统计，近3年获奖人数上升较多，实验平台使用效果明显。

图6 近10年获得学科竞赛省级以上奖项的学生人数统计

（3）研发个性化、工程性实践教学平台。将课外创新能力培养的知识模块划分为基础类和方向类两大类。基础类包含电子信息类课程创新训练必需的基础知识，方向类中包含有通信类、模拟类、嵌入式系统类与电力电子类4 个子方向，每个方向由多门课程构成，形成了针对性强的课程群。针对培养需求，自主研发多方向、内容丰富的个性化工程性实践教学平台，实现多个工程实践能力培养教学模块，配合实践指导书和课外训练内容，为形成循序渐进的工程能力培养体系打下坚实基础，提高学生创新创业能力。

4 结语

吴岩在“锻造中国金师”的讲话中说道：“探索未来高等学校教育教学的‘新形态’的过程中，教育数字化是新的教育生产力。”电工电子实验教学平台在人才培养中具有重要的支撑功能，作为重要的基础设施，也将有力提升教育生产力。层次化电工电子实验教学平台建设中加强顶层设计规划，准确定位，科学布局，突出超前性和系统性，紧紧围绕基础、综合、创新三个不同角度进行层层递进式教学实践平台的搭建，打造了数字化、智能化、互联化智慧实验室，配备了口袋实验系统，提升了实验设备器材质量和先进性［16］。平台建设坚持OBE理念，始终坚持以学生为中心，将培养创新创业人才作为建设目标，调整教学内容、教学方式方法，完善教学体系，优化教学设计，多学科交叉融合，突出学生主体地位，充分激发学生学习的积极主动性，提升实验教师的创新意识和综合素质。