師范院校電子技術實踐教學改革與探索

禹旺兵 劉萬新 歐陽鋼

(湖南師范大學 物理與電子科學學院,長沙 410081)

隨著工程技術行業快速增長,對工程技術方面的人才需求逐年增加。地方師范院校在招生規模不斷擴大的同時,也逐漸向工學、經濟學、管理學等與區域產業聯系較緊密的專業轉型。目前,工科類專業已位居師范院校各學科之首,設置專業總數高達1157個,占專業總數的19.59%[1]。電子類專業本身具有較強的實踐性,而地方師范院校由于受辦學模式和硬件設施的限制,專業創新性、實踐性培養效果并不明顯,實踐教學的實施仍然存在較大的不足。為此,本文旨在探索構建適合地方師范院校的電子類專業人才培養實踐教學體系。

1 存在的問題

1.1 實踐教學認識不足,意識不強

師范院校傳統學科專業一般以文理科為主,其工科專業基本上都是依托原有的基礎學科專業而設立的。由于受傳統教育觀念的影響,這些工科專業本科教學很大程度上仍未擺脫傳統教學體系的束縛,重理論而輕實踐,對實踐教學認識不足,實踐意識不強[2-4]。主要反映在以下幾方面:其一,師范院校在教學理念上注重學科知識之間的連貫性和系統性,強調學科知識之間的邏輯順序及銜接關系,在教學內容上強調對基本原理、物理過程以及數學方法的掌握和理解。教學過程中比較關注理論分析與過程推導,而不強調實際運用。而工科專業重視學科的工程性、實踐性、應用性。因此,兩者在教學理念、內容和方法上存在巨大差異。其二,在教學實施中,理論性學時占據主導地位,而實踐環節課時嚴重不足,且實踐類型和方式比較單一,一般都為驗證類實驗,綜合性實驗不多,學生實踐機會很少,幾乎接觸不到整體電子系統的開發與實踐。

1.2 教師自身的實踐教學能力不理想

師范院校的電子專業基本上是以原物理類專業為基礎建立起來的,且大部分與物理專業在同一個二級學院,因此都帶有物理專業人才培養模式的痕跡。其原有師資大部分來源于物理專業教師,新引進的專任教師也重在科研成果,而不注重工程實踐能力考察。這些教師擅長于從事理論研究,但對于實踐性、工程應用則顯得力不從心,尤其是面對電子電路設計、仿真、組裝和調試,以及電子產品的性能分析時差距更加明顯,這就極大地制約了實踐環節的有效實施。此外,相比于傳統工科院校,師范院校的教師接觸工程項目的機會比較少,缺乏工程項目的實踐與經驗積累。同時,現行的高校人事制度也導致了實踐教師嚴重不足,從而限制了實踐教學的實施。

1.3 實踐條件不能滿足要求

電子信息是本世紀以來發展最快也是最熱門的行業之一,其實踐性要求也非常高,主要的實踐教學條件包括實驗設備、實驗環境、實踐基地以及為學生提供諸如參加學科競賽、技能培訓等支持。由于知識與技術更新非?？?實驗設備需要及時更新。受經濟條件限制,師范院校的實踐教學環節無法在實施過程中滿足技術發展的需要。此外,師范院校也缺乏相關企業作為學生實踐的場所。這種理論與技術的脫節極大地阻礙了實踐人才的培養。

2 “四位一體”實踐教學改革

實踐教學是高校人才培養方案的重要組成部分,是培養學生實踐能力和創新意識的重要教學環節[5-7]。根據電子科學與技術專業的培養目標和要求,實驗教學中心構建了“訓、踐、創、作”四位一體“遞進式”的實踐教學體系(如圖1所示),將實踐課程劃分為專業實訓、社會實踐、創新訓練、設計制作等四個遞進層次。實踐課程安排由簡入深,循序漸進,從基礎層到應用層四層逐層深化,從工程基本能力到綜合能力逐級提升(如圖2所示),使學生以理論知識為基礎,通過一定的綜合實踐梳理知識體系,從而激發創新潛能,提高實踐水平。

圖1 四位一體“遞進式”的實踐教學體系

圖2 四種能力的培養

2.1 專業實訓

專業實訓面向大一新生開設,以電子技術基本技能訓練為主,分為課內實訓和課外實訓。課內實訓主要包括制版、焊接工藝實訓以及儀器儀表的使用和元器件的識別與測量,實踐時間約為40個學時。目前大部分師范院校的專業實訓是給學生發放現成的焊接套件,學生按照電路圖焊接電路。這樣的訓練方法簡單便捷,但學生的收獲不多,對電路制版工藝流程認識不足。為此,我們改革實訓模式,將現成的電路板以電路圖(Protel制圖)的形式發放給學生,讓學生完成圖到板的環節,熟悉制版工藝流程。同時為了激發學生對電子技術的學習興趣,焊接對象也不局限于收音機,我們選用一些更具有科技感的、更能反映技術進步的產品,如手機充電器、數碼時鐘、流水燈、藍牙音箱等。

課外實訓以課外電子制作的形式開展,按技術需求確定電路功能,利用EDA軟件設計具體的電路并裝配圖紙,再通過萬能板(或面包板、PCB板等)焊接、組裝、調試等工序,最終做出電子成品的全過程。

2.2 社會實踐

社會實踐面向大二學生展開,以電子系統的綜合測試與故障排除為主,主要包括廢舊儀器的拆裝與檢測和家用電子電器的測試與維修兩個方面。實驗中心特別是電子技術實驗室的儀器設備更新速度是比較快,每年都會有一批儀器設備需要報廢處理,這些設備包括有示波器、穩壓電源、函數信號發生器等等。通過對這一部分廢舊設備的拆解和調試,一方面可以認識具體的器件,了解電子技術的發展,提高科學素養[8-9]。例如在“模擬電子技術”中,我們介紹了電子技術從電子管到晶體管,再到集成電路的發展過程,但通常都是以圖片和幻燈片的形式展現給學生,他們對于具體的器件以及電路根本沒有具體的概念只能憑空想象。學生通過拆解報廢的電子管和晶體管示波器,觀察機器內部的電路變化可以很明顯地感受到電子技術的進步與發展,這是任何文字和圖片無法替代的。另一方面,通過對具體儀器的拆解、對具體電路的檢測,可以進一步加深對理論知識的理解。以直流穩壓電源為例,直流穩壓電源電路主要包括變壓器電路、檢波電路、濾波電路和穩壓電路。教材上基本上只給出了基本的原理性電路,實驗箱也只能簡單地觀測一下各電路的電壓或者波形,學生對于其具體的工作電路知之甚少。通過對具體穩壓電源的拆解,學生可以了解穩壓電源各模塊功能單元的劃分以及具體功能的實現,教材上的原理性電路并不能應用于實際的工作電路,具體的工作電路還包括許多輔助電路,而這些輔助電路卻對儀器設備的功能和性能產生決定性的影響。

此外,家用電子電器的普及與發展也為學生的綜合實踐提供了便利。為了進一步提升學生的綜合實踐能力,我們在學生開放實驗室成立了一個家電維修測試中心,一方面服務了全校的師生,另一方面鍛煉了學生的動手能力。例如在開設的“電視機原理”課程中,學生對于電視機的工作過程并不了解,我們通過對家電維修測試中心保留的一臺黑白電視進行拆解和測試,學生可以很清楚地看到顯像管、電子槍、顯示電路、偏轉電路等,通過對這一系列的電路進行測試,加深了學生對電視工作原理的理解?，F在用于英語聽力的“小蜜蜂”,其內部電路基本上覆蓋了“高頻電子線路”的主要知識點,通過對“小蜜蜂”內部電路的維修與調試,加深了學生對調頻和調幅以及接收機的理解。

2.3 創新訓練

在大三期間進行創新訓練提高學生的綜合實踐能力,創新訓練包括大學生創新項目和參與教師科研項目兩個方面。大學生創新項目是本科教學質量工程建設的重要組成部分,是提升學校教學水平和學生創新實踐能力的重要途徑[10-12]。大學生創新項目一般由3名學生組成一個團隊,他們根據自己的興趣方向擬定項目內容和實施方案。這種以學生為主體的創新性實踐活動,極大地調動了學生的積極性、主動性和創造性,改變了實踐環節薄弱、動手能力不足的傳統教學模式,進一步提高了實踐教學的效果。

雖然國家和省級主管部門以及高校都設立了大學生創新項目、研究專項等來激發大學生從事創新活動的興趣,提高綜合實踐能力,但這類項目指標較少,只有極個別學生能獲得支持。因此,我們實驗中心組織部分年輕教師結合自身研究特點,瞄準本專業學科前沿問題,凝煉科研課題,對學生開放部分科研實驗室。這些科研課題既與理論教學緊密結合,又注意把先進性、開放性的科研成果轉化為實踐教訓的新內容。電子技術實驗室目前開設了包括“FPGA語音識別系統”“憶阻器與神經網絡”“神經網絡語音識別系統”等一系列實踐項目。通過這些項目可以使學生理論學習和科學實踐緊密結合,加深對專業課程的相關知識的理解,培養了學生的實踐能力。

2.4 設計制作

設計制作在大四期間執行,主要包括電子設計競賽和實驗儀器自制兩個方面,在該階段實踐過程中,引入CDIO(Conceiving-Designing-Implementing-Operation,即構思-設計-實現-運作)工程教育理念[13-14],以項目需求為主導,學生作為主體,以團隊形式完成實踐項目(如圖3所示)。電子設計競賽是提高學生綜合實踐能力的重要抓手,儀器自制是鍛煉學生工程實踐能力的主要手段。電子設計競賽要求學生根據技術要求提出設計方案,選擇合適的器件,設計和調試程序以及硬件電路并進行指標測試,需要綜合應用模擬電子技術、數字電子技術、單片機、DSP、傳感與檢測技術等多門學科知識,同時要求學生能熟練應用各種電子測量儀器。電子設計競賽試題是一個完整的工程項目,參與電子設計競賽是對學生工程綜合實踐能力的一次鍛煉,有效地培養了學生的創新能力和工程實踐能力,同時也提升了他們自身分析問題、團隊協作等綜合素質。近幾年來,我中心指導獲得全國大學生電子設計競賽以及集成電路創新創業大賽等相關比賽國家級一等獎2項,二等獎2項,省級一等獎4項。

圖3 CDIO工程實踐模式

儀器設備是實驗室開展實踐教學的物質基礎[15]。一方面由于實驗教學設備專業性強,社會需求量小,生產廠家少,價格往往較貴。而資金不足是我院實驗中心建設長期面臨的問題,隨著學生規模的逐年增加,教學設備的臺套數遠遠不能滿足實踐教學的實際需要。另一方面,除了參與工業實習,學生工程實踐的機會不多,缺乏工程能力方面的鍛煉。為此,我們遴選了一批原理簡單、技術難度不大的實驗儀器作為電子專業的畢業設計課題,通過這一實踐模式改革,既解決了由于資金不足造成的儀器設備短缺的問題,又通過設計實踐提高了學生的實踐能力。如在“普通物理”研究牛頓第二運動規律實驗中使用的光電計時儀,其市場售價近千元。我們將該實驗儀器研制通過以“單片機的光電計時系統”畢業設計的選題形式在學生中展開,在實驗教師的指導下,學生們經過一系列調研、論證、仿真、調試后完成了該儀器的試制工作,其性能指標已超過實驗室現有儀器的指標,成本卻只有五分之一,此外我們還以畢業設計的形式自制了電路分析實驗系統、實驗加熱箱等。

3 結語

在“新工科”的時代背景下,切實提高電子技術專業人才的工程實踐能力已是師范院校人才培養的迫切需求。只有全面深化實踐教學改革,在實踐教學中不斷探索新的培養模式,及時總結,不斷優化,才能形成良好的實踐教學理念,搭建優秀的實踐教學平臺,從而培養出適應社會需求、具有較強實踐能力的優秀人才。