王革思， 高敬鵬， 康維新， 王 傘， 肖易寒

(哈爾濱工程大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心， 黑龍江 哈爾濱 150001)

實驗教學(xué)研究

適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的電子電路實踐教學(xué)研究

王革思， 高敬鵬， 康維新， 王 傘， 肖易寒

(哈爾濱工程大學(xué) 國家級電工電子實驗教學(xué)示范中心， 黑龍江 哈爾濱 150001)

在貫穿大二至大三的電子電路系列課程中開展符合本科生認知的階梯式創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。提出“反設(shè)計”教學(xué)模式，契合國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目架構(gòu)，設(shè)計教學(xué)案例、研發(fā)創(chuàng)新訓(xùn)練項目，體現(xiàn)了“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)引領(lǐng)，層次加深，步步登高，個性發(fā)展”的特色。通過大眾化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，建立科學(xué)、合理、公開透明的考核評價體系，增強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，促進學(xué)生個性化發(fā)展和綜合能力的提高。

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育； “反設(shè)計”教學(xué)模式； 考核評價體系

以《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》和《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》為指導(dǎo)，依托學(xué)校特色和優(yōu)勢，推動教學(xué)、科研、實踐緊密結(jié)合，在“數(shù)字電子技術(shù)”“電子電路綜合實驗”等電子電路系列課程中探索課堂教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相融合的新途徑，創(chuàng)新教學(xué)方法、設(shè)計教學(xué)案例、研發(fā)創(chuàng)新訓(xùn)練項目[1-3]，使學(xué)生有更多機會接受創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，增強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，促進學(xué)生個性化發(fā)展和綜合能力的提高。

1 “數(shù)字電子技術(shù)”課程的“反設(shè)計”教學(xué)模式

1.1 探究式演示性教學(xué)方法

演示性教學(xué)是直觀性、示范性、效果性三位一體的教學(xué)模式，在中學(xué)物理實驗課和一些基礎(chǔ)實驗課經(jīng)常見到，容易被學(xué)生習(xí)慣性接受。這種模式下，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)，需要教師勤于思考、勇于探索，將創(chuàng)新的思維貫穿其中，引導(dǎo)學(xué)生主動創(chuàng)新意識。為此設(shè)計了部分有探究價值的EDA演示性實驗，包括門電路電特性分析、數(shù)字集成電路故障判斷、信號測量與誤差分析等[4]，這樣學(xué)生就可以在教師傳授的演示性實驗基礎(chǔ)上，按照自己的思路來選擇儀器、設(shè)備及元器件，自行設(shè)計實驗，養(yǎng)成探究習(xí)慣以及認真對待科學(xué)的態(tài)度。學(xué)生還可以在課前、課后借助EDA工具軟件，以“軟”代“硬”搭建虛擬仿真實驗環(huán)境，進行反復(fù)實驗與探索。目前已經(jīng)研發(fā)完成的探究式演示性實驗項目包括5個實踐模塊，共計38個實踐單元。

1.2 “反設(shè)計”教學(xué)模式

1.2.1 觀察、驗證性教學(xué)引導(dǎo)

“數(shù)字電子技術(shù)”這門課程教學(xué)內(nèi)容的核心是以熟練掌握常用數(shù)字集成電路的設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用為主線，以分析電路為輔，設(shè)有觀察、驗證等認知教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生重視與理論考試相關(guān)的概念、原理、推導(dǎo)、設(shè)計和分析，卻很少知道這些電路作為應(yīng)用技術(shù)的實用價值，學(xué)了不會用、用了不知原理的現(xiàn)象經(jīng)常會發(fā)生在某些學(xué)生身上。為了增加學(xué)生興趣、解決學(xué)用脫節(jié)問題，結(jié)合實際技術(shù)情境，設(shè)計了一些可以觀察、驗證常用數(shù)字集成電路的教學(xué)案例，例如編碼器、譯碼器、加法器、觸發(fā)器、計數(shù)器等。通過深入淺出地講解這些教學(xué)案例，讓學(xué)生更深刻地認識和了解這些電路的功能、拓展和應(yīng)用，為其進入下一步學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

1.2.2 “反設(shè)計”教學(xué)方法

數(shù)字邏輯電路設(shè)計主要是通過建立輸出信號與輸入信號之間存在的邏輯關(guān)系及其形式的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)，通常的設(shè)計步驟是：邏輯抽象及邏輯真值表、邏輯函數(shù)式、器件選擇、邏輯函數(shù)式化簡與變換、邏輯電路圖、仿真驗證。為了讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字邏輯電路的設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用，將創(chuàng)新思維、實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)與真實技術(shù)問題融為一體，設(shè)計了一種“反設(shè)計”教學(xué)模式，即以分析常用數(shù)字集成電路作為教學(xué)內(nèi)容的主線，分2步驟進行:第一步，從具體電路圖中的數(shù)據(jù)輸入端至數(shù)據(jù)輸出端，寫出描述該電路邏輯運算關(guān)系的邏輯函數(shù)式，然后列出相應(yīng)的邏輯真值表；第二步，再從具體電路圖中的控制端(又稱使能端)至輸出端，寫出描述該電路邏輯控制關(guān)系的控制函數(shù)式，然后列出相應(yīng)的功能表，最后將2部分內(nèi)容合二為一。

這種逆向思維的“反設(shè)計”教學(xué)模式，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形式多樣的數(shù)字邏輯電路進行科學(xué)、系統(tǒng)、合理的分解與整合，更加詳細、全面地傳授技術(shù)知識，讓學(xué)生更好地了解和掌握電路的設(shè)計思想，同時還通過應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)的具體過程，使學(xué)生更加明確學(xué)習(xí)目標。

1.2.3 教學(xué)案例設(shè)計

喜歡設(shè)計電路的學(xué)生經(jīng)常會遇到這樣的問題，就是在常用的數(shù)字集成電路中挑選器件時，有時會找不到合適的。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法自行設(shè)計，不僅耗時多、費精力，而且設(shè)計過程復(fù)雜，加之學(xué)生自身的經(jīng)驗和能力限制，設(shè)計出來的電路技術(shù)水平通常達不到一定高度。由專業(yè)廠商開發(fā)生產(chǎn)的數(shù)字集成電路，設(shè)計水平高、拓展空間大，且借鑒意義非常重要。因此，將設(shè)計具有個性化需求的數(shù)字邏輯電路作為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)內(nèi)容，要求學(xué)生在常用的數(shù)字集成電路基礎(chǔ)上，通過對其進行改進和拓展，設(shè)計出新功能的數(shù)字邏輯電路。例如以74283為基礎(chǔ)設(shè)計一個BCD代碼轉(zhuǎn)換器、以74153為基礎(chǔ)設(shè)計一個可尋址的多路轉(zhuǎn)換器、以74160為基礎(chǔ)設(shè)計一個可編程的定時器。目前已經(jīng)研發(fā)完成的適合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)案例包括6個實踐模塊，共計32個實踐單元。

2 “電子電路綜合實驗”課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育

電子電路綜合實驗是電子信息類專業(yè)的專業(yè)實踐環(huán)節(jié)，屬于課程設(shè)計、準畢業(yè)設(shè)計范疇。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練運用硬件電路設(shè)計技術(shù)和軟件程序設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建并實現(xiàn)較為復(fù)雜的電子電路系統(tǒng)。這門課程將理論與實踐互相融合，打破“數(shù)字”和“模擬”、“高頻”和“低頻”、“強電”和“弱電”、“硬件”和“軟件”的界限，打通課程與課程之間的梯級銜接通道[5]，調(diào)整學(xué)生知識結(jié)構(gòu)，強化多學(xué)科交叉，拓展專業(yè)口徑，體現(xiàn)出“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)引領(lǐng)，層次加深，步步登高，個性發(fā)展”的特色實踐教學(xué)，使電子電路綜合實驗成為增強學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的助推劑。

2.1 實踐項目來源

將傳統(tǒng)的以教師中心、課堂中心、知識中心向以學(xué)生中心、實踐中心、能力中心轉(zhuǎn)移，依據(jù)選擇性、完整性、實用性、先進性的原則[6]，精心打造、設(shè)計適合學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的多種實踐項目。這些項目以科學(xué)研究熱點問題和工程前沿應(yīng)用技術(shù)項目為切入點，灌輸科研項目的整體思路，建立工程觀念，指導(dǎo)學(xué)生研究解決具有先進技術(shù)支撐的工程應(yīng)用問題。這些項目還結(jié)合學(xué)生已經(jīng)掌握的經(jīng)驗、知識、水平和技能，充分考慮學(xué)生興趣、愛好及自身特點，促進理論與實踐相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、知識體系與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合，能夠引發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和從事創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動的心理沖動。創(chuàng)新訓(xùn)練項目來源包括教師科研項目、高層次的學(xué)生科研立項，國家大學(xué)生科研訓(xùn)練計劃、全國電子大賽等高水平的學(xué)科競賽項目，以及企業(yè)、科研單位真實項目的二次加工提煉。

2.2 實踐項目計劃實施

“電子電路綜合實驗”課程目前可提供接口與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、信號檢測與處理技術(shù)、控制原理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)技術(shù)等6大類，共計18個創(chuàng)新訓(xùn)練項目。學(xué)生可根據(jù)自己的興趣、特長和認知水平選擇合適的項目，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，以訓(xùn)帶學(xué)、以學(xué)帶做、以做促新，創(chuàng)造性地解決高水平的工程實際問題，達到培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的目的。

創(chuàng)新訓(xùn)練項目具有學(xué)科交叉、理論偏深、工程性強、任務(wù)量大等特點，單靠學(xué)生難以完成，還需要教師在整個教學(xué)過程中發(fā)揮組織和指導(dǎo)的作用[7]，重點關(guān)注學(xué)生在完成整個項目過程中運用知識、技術(shù)和方法的程度，考核學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力。

“電子電路綜合實驗”的每個創(chuàng)新訓(xùn)練項目安排3周時間，分為4個階段進行：

第一階段，創(chuàng)新訓(xùn)練項目申請。首先向?qū)W生公布全部創(chuàng)新訓(xùn)練項目簡介，依據(jù)報名情況按項目名稱組成臨時班級，打亂原來學(xué)院、專業(yè)的班級建制。新的班級人數(shù)控制在35人以內(nèi)；然后由教師進行課前動員，講授2～4學(xué)時前導(dǎo)課，內(nèi)容包括項目背景介紹、訓(xùn)練目的、任務(wù)及要求、設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)描述[8]、設(shè)計方法介紹等；最后在教師指導(dǎo)下學(xué)生填寫“電子電路綜合創(chuàng)新實踐項目申請書”，其格式主要參考《國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目申請表》內(nèi)容。這部分工作用課余時間完成，時間為1周。

第二階段，訓(xùn)練計劃實施。圍繞申請書內(nèi)容展開具體研究工作，內(nèi)容包括電子電路系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證、電子電路系統(tǒng)安裝與調(diào)試、電子電路系統(tǒng)測試標定與分析等。這部分工作在課堂上完成，時間為1周。

第三階段，成果驗收。提交“電子電路綜合創(chuàng)新實踐項目結(jié)題報告”和原理樣機驗收。驗收原理樣機時，當場測試功能與技術(shù)性能，檢查質(zhì)量、核對工作量、發(fā)掘特色和創(chuàng)新之處。

第四階段，理論考試。全部結(jié)束后，教師要組織成果驗收，成績優(yōu)異的學(xué)生參加統(tǒng)一理論考試，考試名額按照每個班人數(shù)的10%～15%分配。只有通過理論考試的學(xué)生，才能最終獲得這門課程的優(yōu)秀成績。

2.3 考核評價

建立一套科學(xué)、合理、公開透明的考核評價體系，量化教學(xué)環(huán)節(jié)以及步驟細節(jié)，強調(diào)整體性評價觀，全面、客觀地檢查和掌握每個學(xué)生的實驗效果和質(zhì)量，也使學(xué)生對自己或他人的成績、優(yōu)勢或劣勢都有比較清楚的了解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)與實踐的熱情，促進學(xué)生創(chuàng)新精神、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升。

考核評價由實踐考核和理論考核2部分組成。

實踐考核是以課堂上設(shè)計與制作的原理樣機為主，包括現(xiàn)場測試、檢查質(zhì)量、核對工作量、口頭答辯等，采用2級評價體系。一級指標包括原理圖繪制與仿真、硬件制作質(zhì)量、功能與性能測試、整體電路完成程度、創(chuàng)新和特色、記錄和日志、答辯情況，共計7項，一級指標分值范圍為8～20分；二級指標是對一級指標的詳細分解，其中，原理圖繪制與仿真指標包括一些具體單元電路的技能操作，硬件制作質(zhì)量指標又劃分成元器件的布局合理性、焊接質(zhì)量、組裝工藝，功能與性能測試指標針對若干個關(guān)鍵測試點的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，創(chuàng)新和特色指標概括為性能改善提高、功能拓展、工藝改進，二級指標分值范圍為2～7分。實踐考核總分為100分，占成果驗收成績的60%。

理論考核則是以課下完成的“電子電路綜合創(chuàng)新實踐項目結(jié)題報告”為主，包括查閱利用相關(guān)信息資源的能力、掌握運用專業(yè)理論知識分析解決實際問題的能力、自主思考與設(shè)計創(chuàng)新能力、文字表達與寫作能力等，也采用2級評價體系。一級指標包括整體規(guī)范性、總體方案設(shè)計、電路設(shè)計與仿真分析、功能與性能指標測試結(jié)果及分析、創(chuàng)新之處和特色、總結(jié)，共計6項，一級指標分值范圍為10～25分，其中，整體規(guī)范性指標包括封面、摘要、目錄，總體方案設(shè)計指標包括研究背景、功能與性能指標、電路結(jié)構(gòu)與工作原理，電路設(shè)計與仿真分析指標包括一些具體單元電路的理論推導(dǎo)計算、電路設(shè)計與參數(shù)選擇、電路仿真分析，創(chuàng)新之處和特色指標包括新技術(shù)、新器件、新方法，總結(jié)指標包括任務(wù)完成情況、存在問題和不足、收獲和體會等二級指標。二級指標分值范圍為2～8分。理論考核總分也為100分，占成果驗收成績的40%。

3 寄予學(xué)生的期望

3.1 加強信息技術(shù)處理與應(yīng)用能力

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中，要求學(xué)生必須具備一定的信息技術(shù)處理與應(yīng)用能力，例如文字處理、圖像編輯、表格處理、Internet 連接、網(wǎng)上瀏覽，而且要求掌握一些電子電路專業(yè)軟件的應(yīng)用，例如Multisim、QuartusⅡ、Labview、Matlab、CAD、Designer Winter 09。此外還要提高文字表達能力和寫作能力。

3.2 提高行為控制能力

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中，學(xué)習(xí)方式、時間安排和環(huán)境自由度較大，如果缺少主動性、自控能力，就很難保證教學(xué)效果。可以采取正確引導(dǎo)學(xué)生參與的動機，安排固定時間對學(xué)生培訓(xùn)、輔導(dǎo)，協(xié)助學(xué)生制定目標、進行自我評價，促進學(xué)生行為控制能力的提高。

3.3 發(fā)揮交流協(xié)作能力

在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育中，創(chuàng)新訓(xùn)練項目數(shù)量眾多、方案靈活多樣、時間相對寬松自由，這諸多因素如果協(xié)調(diào)不好，輕則影響教學(xué)效果，重則影響教學(xué)質(zhì)量。因此，增強學(xué)生與教師之間交流、學(xué)生與學(xué)生之間交流以及團隊協(xié)作顯得尤為重要。教師需要加強組織能力、提高設(shè)計能力、發(fā)揮示范性作用，學(xué)生之間需要坦誠相待、相互學(xué)習(xí)、取長補短，從而進一步促進學(xué)生創(chuàng)新意識、實踐能力和創(chuàng)新能力的提升。此外，學(xué)生還應(yīng)掌握與他人交往和相處的技能。

3.4 培養(yǎng)自主性研究與創(chuàng)新能力

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育要以學(xué)生為主體地位，創(chuàng)造環(huán)境，鼓勵學(xué)生積極參與[9]，激發(fā)學(xué)生興趣和熱情。在整個教學(xué)中，要注重研究過程而不是研究結(jié)果；要注重學(xué)生的意識、精神、創(chuàng)造性的培養(yǎng)而不注重現(xiàn)成的結(jié)論。教師把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)內(nèi)容巧妙地隱含在任務(wù)之中，學(xué)生圍繞某一主題主動地搜集信息、選擇信息、加工處理信息，積極主動地探究去構(gòu)建知識體系，然后通過思維創(chuàng)新，運用知識解決高水平的工程實際問題，不斷提高自身的研究能力和創(chuàng)新能力[10]。

4 結(jié)語

在電子電路系列課程中引入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，旨在探索和建立以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)為核心的教學(xué)模式[11]，讓學(xué)生接受教師在教學(xué)方法、教學(xué)理念方面的創(chuàng)新思想，分享教師在科研、工程技術(shù)方面的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果和經(jīng)驗[12]，牽動師生協(xié)同創(chuàng)新、共同發(fā)展。通過課堂教學(xué)開展大眾化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，可以調(diào)動學(xué)生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)業(yè)意識，提高學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐的能力,同時還讓學(xué)生掌握科學(xué)研究的基本方法、熟悉創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的基本過程，為其畢業(yè)發(fā)展和終身學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。

References)

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Research on practical teaching of electronic circuits adapted to innovative and entrepreneurial education

Wang Gesi， Gao Jingpeng， Kang Weixin， Wang San， Xiao Yihan

(National Electrical and Electronic Experimental Teaching Demonstration Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In the series of electronic circuit courses that run through the second year to the third year syllabuses, the ladder-type innovative and entrepreneurial education is carried out, which conforms to undergraduate students’ cognition. The teaching mode of “Inverse design” is exposed, and in line with the project structure of the National College Students’ Innovative Training Program, the teaching cases are designed and the innovative training programs are developed, which embodies the characteristics of “Innovation and entrepreneurship leading, hierarchical deepening, step-by-step rising and personality developing.” Through the mass innovative and entrepreneurial education, the scientific, reasonable, open and transparent evaluation system is established, the students’ innovative awareness and their innovative and entrepreneurial ability are enhanced, and the students’ individual development and the improvement of their comprehensive ability are promoted.

innovative and entrepreneurial education; “Inverse design” teaching mode; evaluation system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.040

G642.0

A

1002-4956(2017)11-0164-03

2016-06-16

王革思(1960—)，男，黑龍江哈爾濱，本科，高級工程師，研究方向為實驗教學(xué)與實驗室管理.

E-mailwanggesi@hrbeu.edu.cn