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电子信息工程实验系统革新研究

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实验教学是高等工程教育环节中的重要组成部分,它是启迪学生思维,树立学生工程实践观念,培养和提高学生发现、分析并解决实际问题综合应用能力的重要载体[1-4]。随着现代EDA、IP与SOC技术的集中涌现,传统电子信息工程类实验体系由于实验项目内容陈旧、类型单一、专业核心模块内容之间各自为政、缺乏必要的规划与渗透等方面问题的集中暴露,已极大地影响了实践教学效果,人才培养方案中所涉及的学生工程创新意识的培养更是无从谈起。近几年来,国内高等理工类教育体系发生了不少积极变化,其中汕头大学2008年率先实施的CDIO工程教育[5]已取得了不少成果,亦得到不少高校的响应。然而,由于CDIO改革理念的颠覆性与复杂性,相应的实验体系改革在建设过程中面临相当大的挑战,其实践效果也有待时间的进一步检验。有鉴于此,结合我校实际情况,文章提出一种基于课程群的层次型实验体系的构建思路与方法,该体系以培养创新高级工程技术人才为目标,拟从多个环节有效促进实验教学质量的提高。

1基于课程群的层次型实验体系建设与管理

所谓课程群是指专业体系中存在一定拓扑顺序且相关联系紧密的课程集合。依据清华大学2004年电子信息学科基础纲要[6]的规划要求,综合考虑本专业特色与实际情况,我们建立并优化了电子信息工程的4个课程群,分别是电子电路课程群、信息处理课程群、信息传输课程群、计算机课程群,对应的课程群鱼骨架如图1所示。4个课程群基本覆盖整个电子信息领域,包括信息采集、处理、传输和反馈,形成一个闭环。实际上,不同的院校根据具体因素(地方经济、学生的层次、师资等)选择制定特色的课程群。每个课程群配备一定的课内实验和课程设计,整个专业则进行生产实习和毕业设计,以强化学生工程设计能力。本科层次的理论课主要由课程群团队负责。相应的课程群负责人由具有博士学位和副教授职称以上的教师担当,其成员由该课程群中各门课程的主讲教师和实验人员构成。课程群团队任务归纳起来有以下几点:(1)确定并更新课程群中课程的基本内容、重点内容和难点内容,精简讲授内容,减少冗余知识;(2)确立课程群内部课程之间以及与其他课程群的关系;(3)负责课内验证性实验与独立综合设计性实验项目的设计与规划,带学生参与各类课外科技竞赛与创新实践活动。从培养高素质创新型人才的角度出发,新体系将实验教学划分成3个不同的层次:基础验证性实验、综合设计性实验和自主创新性实验。基础验证性实验项目涉及电路、信号与系统(含数字信号处理)、电子电路技术(含模电、数电、高频)等课程相关理论内容,全面覆盖专业主干课程中的知识结构,重点培养学生的基本实验方法和技能,培养学生正确记录、处理与分析实验数据,科学规范地表述实验过程与实验结果的能力。综合设计性实验项目涉及单片机原理与接口技术、电子设计自动化等相关内容的综合应用。作为新实验体系构建方案中的重要组成内容,该类实验项目一般是由教师规划设计的难度适中、面向实际工程应用的小课题。它要求学生根据具体的应用问题、参考教师给出的实现框架和算法,自行完成从系统的软硬件设计到调试安装的全过程,致力于培养并提高学生的工程创新意识和知识应用能力。自主创新性实验项目主要面向在电子信息工程方面表现出浓厚兴趣的学生,它是针对少部分学有余力的本科生的高级工程训练,是培养学生创新意识、全面提高学生专业应用能力的绝佳手段。这一类型的实验是知识面涉及更广、难度更大的综合设计性实验项目。在这类实验项目的进行过程中,指导教师仅负责界定课题面向的具体应用领域及所需达到的相关技术指标,项目要求学生完成从系统框架设计、实验方案的选择与论证、系统软硬件实现到完整实验报告提交的全过程,并鼓励学生关注学科与相关专业领域的发展动态,通过构建合适的实验平台完成对具体工程应用问题的系统建模工作。实践证明,虽然该类实验项目所占比例不大,但在学生工程素质与创新意识的培养方面却是不可或缺的。

2实验体系构建的具体措施

2.1注重实验项目的虚实结合与多样性设置

新体系在确定实验项目时,在突出基础性、典型性和综合性的基础上,应侧重实验项目的虚实结合与多样性设置[7-8],主要体现在以下4个方面:(1)作为实验项目中的重要组成部分,虚拟仿真实验以虚拟软件平台为基础,以虚拟设备IP核的形式实现了各种复杂器件及电路系统的功能,这一特点使得相关实验项目的设置变得更加简洁而灵活,有利于实现学生的自主创新过程。与此同时,也因注意到单纯的虚拟实验过程过于理想化的特点,不利于学生发现与解决实际硬件系统可能出现的问题。实践证明,通过运用传统的硬件搭建实验为主,虚拟仿真实验技术为辅,虚实结合,软硬兼顾的方法,能很好地实现相关实验项目的优势互补,进而提高实验教学效果。(2)针对同一个知识点设计多个实验项目。不同的实验项目可以从不同角度揭示相关知识点的本质,引导学生自主复习并掌握该项知识内容。例如,作为电路原理中应用广泛的戴维南和诺顿原理,除了传统的验证性实验项目外,作为选作实验项目,可考虑引入电路局部元器件参数调整影响电路性能方面的实验内容,要求学生对实验结果作必要的分析与归纳。(3)新体系在构建过程中应侧重考虑不同实验项目类型的比例问题,注重项目难度的梯度设计。(4)项目的设计应基于新技术的创新组合。如前所述,实验项目的设计应打破原有理论课程之间的僵化界限,强调课程与课程间的有机联系。如果我们把传感技术、视/音频技术、信号处理、自动控制和微处理控制技术等看成一个个坐标轴的话,它们之间将可进行多种面向实际应用的项目组合,这些组合最终形成的实验项目可面向不同专业方向开出,供学生多样化选择。

2.2注重实验教学手段的现代化

随着计算机网络、多媒体与EDA等新技术的涌现,新体系的构建还需注重将这些新技术引入电子信息实践教学环节中。例如我们根据实验教学的内容自行制作和收集了一批多媒体实验教学课件和视频材料,供学生作为预习使用。我们还在模拟电路实验环节中引入了电路仿真软件的应用,学生在进行面向真实器件的模拟电路搭建前,可考虑使用Multisim进行对应电路的计算机建模仿真分析,这样做既深化了学生对既有电路结构的理解,也有效地提高了他们自主学习的能力。上述的新实验教学手段也已经成功地推广到其他的理工科实践环节中,取得了良好的预期效果。

2.3注重实验指导的层次化

实验指导是影响实践教学环节的重要因素。由于新体系所涉及的实验项目类型不同,内容各异,实验指导形式也应相应地呈现多样性和层次性[9-10]。具体体现在以下2个方面:(1)集体讲解。对于学生在原理上、实践中出现的共同问题,一般可采取集体辅导和讲解的形式。讲解应有针对性,围绕知识的应用和分析问题的方法展开讨论。几年来的实践教学经验表明,集体讲解在学生进行验证性和演示性实验时发挥了较为明显的效果,约占总辅导学时的35%。然而,对于综合设计性实验项目,集中讲解环节应重点强调设计流程和设计方法,指导教师应侧重引导学生思考项目所涉及的主要指标参数,鼓励学生为实现相同目标提出不同的设计方案,并对它们之间在成本控制、难易程度及可操作性等方面做进一步的取舍与平衡。(2)技术专题讲座。指导教师根据实验项目推出一系列程度不同的专题讲座,学生根据自身的能力和需求有选择地参与。专题讲座应注重体现明确的针对性与应用性。例如在面向某项应用的中小型电子系统开发的设计性实验项目中,可介绍现代电子系统的一般设计流程与调试方法,重点讲解与实验项目相关的新方法和新手段,进一步达到丰富学生知识面、激发学生实践欲望的目的。

2.4注重实验考核的科学规范化

科学规范的实验考核体系是合理评价学生实验成绩的重要依据[11]。由于新体系中所规划的实验项目类型多种多样,在制定实验考核标准时应依据实验项目内容严格规范各子评分细则,注重考核标准的科学性和可操作性。对专业模块中涉及综合性和学生自主创新性的实验项目,每学期组织一次交流答辩会,由专家评审小组根据学生的设计报告、总结报告、实物演示、制作工艺、性能价格比和学生在讲演中的表达能力综合衡量评定成绩。由于每个学生的选题有所不同,即使是同一题目,实现方案也不尽相同,通过演示和交流,可扩展学生的知识面,进一步提高学生的工程实践水平。通过答辩培养学生的表达能力和应变能力,切忌对所有实验项目搞一刀切的评价标准或提供所谓的“标准答案”。

3效果与思考

新实验体系是结合我校电子信息工程专业实际情况,历经大量调研工作后逐步构建形成的。经过近3年时间的运行与实践,新体系在学生专业实践能力与工程创新意识培养方面均取得了显著成效,在全校范围内起到了较好的示范作用。网上测评结果显示,超过90%的学生对新实验体系改革表示认可,普遍反映在创造性思维能力、工程素质与协作精神方面有较大的收获。近几年来,不断有学生在国家、省市各级电子设计竞赛中获得重要奖项。事实证明,新体系的应用是科学且富有成效的,它在结构规划与设计方面确保了电子信息工程专业实践教学计划的圆满落实,极大地激发了学生的工程创新意识,切实提高了我校实践教学质量。值得一提的是,新体系在构建中应特别注意以下2个方面的问题:

(1)应重视演示性、验证性与综合设计性实验项目的比例设置。基础性实验项目是培养学生基本实验设备使用,科学规范地记录、分析及整理实验数据,扎实掌握相关专业知识点的重要手段,而综合设计性实验项目对于培养学生创新意识,全面提升学生知识应用能力方面发挥着不可替代的作用。二者相得益彰,不可偏废。课程群团队在制定实践教学大纲时,在保证专业知识体系完整的前提下,应加大专业模块中综合设计性实验项目的比例设置。

(2)新体系应注重全局化、整体构建思路,建设过程中应突破原有专业模块课程之间的僵化界线,强化课程群之间的有机联系,最大限度地避免实验项目内容的重复性设置。

电子信息工程实验系统革新研究责任编辑:陈老师    阅读:人次