電子工程設計綜合課程改革與實踐

藍 波, 王志秀, 徐文星

(北京石油化工學院 信息工程學院,北京 102617)

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電子工程設計綜合課程改革與實踐

藍 波, 王志秀, 徐文星

(北京石油化工學院 信息工程學院,北京 102617)

電子工程設計綜合課程改革是在當前高等工程教育改革的大背景下，根據(jù)我校自動化專業(yè)的工程能力素質培養(yǎng)目標，反向重構電子工程設計課程，以真實工程項目為依托，確立了具有完整性、系統(tǒng)性和應用性特點的工程模型和實訓內(nèi)容，并制訂了符合工程訓練標準的成績考核體系。通過科學評價實施效果，動態(tài)調(diào)整實訓內(nèi)容，從而持續(xù)提升培養(yǎng)目標中滿意度低的指標，使學生得到了較為系統(tǒng)的初級工程訓練，學生的工程能力和創(chuàng)新能力得到了較大提高，有效地支撐了專業(yè)能力建設。實施3年來，取得了明顯效果，基本實現(xiàn)了符合地方工科大學應用型工程師培養(yǎng)的課程改革目標。

培養(yǎng)目標; 工程能力素質; 電子工程設計; 課程改革

0 引 言

我國是世界高等工程教育大國，高等工程教育規(guī)模位居世界第一位。2013年的數(shù)據(jù)表明，我國開設工科專業(yè)的本科高校有1047所，占本科高?？倲?shù)的91.5%；工科專業(yè)的本科在校生達到452.3萬人，占高校本科在校生規(guī)模的32%[1]。盡管我國工程教育的規(guī)模相當可觀，但工程教育創(chuàng)新、人才培養(yǎng)質量等仍與世界水平相距甚遠，呈現(xiàn)嚴重的“大而不強、多而不精”的問題[2]。這與國內(nèi)高校長期以來強化學科知識體系的完備性，而弱化了以社會需求為導向、以實際工程為背景、以工程技術為主線的工程素質能力培養(yǎng)有很大的關系[3]。

工程具備3個最基本特性，即實踐性、綜合性、創(chuàng)造性。如何強化工程實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)真正具備動手能力、問題解決能力和創(chuàng)新能力的工程人才，將是未來一段時間內(nèi)我國高等工程教育改革和發(fā)展的重點所在[4-7]。

我校于2010年6月成為全國首批61所“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”試點高校，也是北京地區(qū)10所獲批高校中唯一的一所地方本科院校，自動化、機械電子工程和化學工程3個專業(yè)進入首批試點專業(yè)。電子工程設計課程的改革就是在這個背景下，以自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式的重構為依托開展的[7]。

1 具體的改革措施和做法

1.1 根據(jù)能力素質目標反向重構電子工程設計課程[3，8-11]

我校自動化專業(yè)的培養(yǎng)類型目標是應用型工程師，綜合CDIO大綱、美國ABET工程專業(yè)認證標準和各類企業(yè)人力資源管理要求，我們確定了10項一般性工程能力素質培養(yǎng)目標和7項專業(yè)能力素質培養(yǎng)目標，見表1。

表1 自動化專業(yè)能力素質目標

表1中的每項培養(yǎng)目標需要一兩個知識能力模塊支撐，每個知識能力模塊由若干課程或教學環(huán)節(jié)組成。從表中可知，一般性工程能力素質培養(yǎng)目標是所有工科專業(yè)的學生必須具備的，電子系統(tǒng)綜合設計能力是自動化專業(yè)的學生應該具備的核心能力素質培養(yǎng)目標之一。根據(jù)能力素質培養(yǎng)目標，我們重構了電子工程設計綜合課程模塊，如表2所示。這種反向設計與以往學科體系下根據(jù)知識點設置課程的模式截然不同。

1.2 確立電子工程設計模型和實訓內(nèi)容[12-15]

模型的確立原則是在工程實踐能力培養(yǎng)的過程中，必須體現(xiàn)電基礎知識的完整性、電子工程設計的系統(tǒng)性和應用性。因此，我們將真實工程中常用到的技術方案和實用電路、控制過程、通信方式等歸納劃分成多個單元模塊，再以相對統(tǒng)一的接口定義和電信號要求，重新組合起來，依據(jù)實踐教學運行的需要，組成一個具有模塊化、可替換的中小型電子工程系統(tǒng)模型。學生通過獨立完成兩個階段的電子工程設計全過程，在設計方案選擇、單元電路設計、元件篩選、網(wǎng)板焊接、程序設計、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、報告撰寫、答辯等各個方面得到充分的鍛煉。從社會需求看，自動化專業(yè)的工程培養(yǎng)目標是“產(chǎn)品”和“系統(tǒng)”，即自動控制系統(tǒng)產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、銷售、技術支持和自動控制系統(tǒng)工程項目基本方案設計、系統(tǒng)集成、施工、運行、維護等?？紤]到電子系統(tǒng)綜合設計能力要服務于專業(yè)培養(yǎng)目標，要體現(xiàn)自動控制專業(yè)的特色，我們最終確定將“小型溫度測量與控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)”作為自動化專業(yè)的工程設計模型，模型的電路構成框圖如圖1所示。

模型所包含的工程訓練內(nèi)容分兩個階段實施，第一階段以引導人門為主，內(nèi)容多但實現(xiàn)起來相對容易，由電子工程設計(I)承擔，大學二年級下學期開設。第二階段是工程訓練的重點，訓練量大且難度高，由電子工程設計(II)承擔，大學三年級上學期開設。具體內(nèi)容如下：

第一階段：①講解本課內(nèi)容，特點、要求，電子工程的應用領域、內(nèi)容和設計過程；②了解總體方案的初步設計，元器件常識、儀器測量和焊接技能等；③原理圖和線路板圖的繪制；④傳感器的了解和選擇；⑤直流穩(wěn)壓電源的設計，制作，調(diào)試；⑥變送器的設計，制作，調(diào)試，校準；⑦功率驅動電路的設計，制作，調(diào)試；⑧撰寫設計報告。

表2 電子工程設計課程整合情況表

圖1 模型的構成框圖

第二階段：①講解計算機總線設計概念，數(shù)字電路的調(diào)試方法和故障分析；②控制電路的設計，制作，調(diào)試及編程；③鍵盤，顯示電路的設計，制作，調(diào)試；④模數(shù)轉換電路的調(diào)試；⑤數(shù)模轉換電路的調(diào)試；⑥系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)閉環(huán)自動控制；⑦撰寫設計報告。

無線通訊和有線通訊模塊可作為具有較強設計能力的學生進行課外科學研究訓練或畢業(yè)設計任務。

1.3 制訂符合工程訓練評價標準的成績考核體系

電子工程設計2人一組，每個人的總評成績由設計驗收，報告、答辯、團隊協(xié)作四部分成績組成。開課之初下發(fā)的任務書中明確了成績的評定方法和相應分值，成績對于每個學生都是透明的，做到公開、公平、公正。電子工程設計本質上是一個接近于真實應用的小型電子系統(tǒng)，驗收時要綜合考慮工程設計方方面面的要求，給出客觀恰當?shù)姆謹?shù)[12]。表3給出的是電子工程設計(I)成績評定表。

表3 電子工程設計(Ⅰ)成績評定表

在第一階段的基礎上，電子工程設計(II)要完成A/D、D/A、鍵盤顯示和控制模塊的設計制作，以及單元電路調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。為了檢驗學生對電子系統(tǒng)的理解和掌握，第二階段的成績考評除了有類似于表3的內(nèi)容外，還增加了實操考核。我們的做法是在八個單元模塊上一共設置了36個故障點，這些故障點通過繼電器控制其斷開或閉合狀態(tài)，對應36道考題。考核時，每個學生從題庫中隨機抽取考題，教師根據(jù)抽到的考題將相應繼電器設置為斷開狀態(tài)，學生只能通過示波器查找并排除故障。實操考試極大地提高了工程訓練的效果，從某種意義上來說真正告別了以往那種

“紙上談兵”的考核方式。

1.4 實施效果評價與課程動態(tài)調(diào)整

迄今為止，電子工程設計已經(jīng)連續(xù)在四屆自動化專業(yè)的學生中實施。為了了解課程對培養(yǎng)目標的支撐力度，每個階段結束后，我們都要讓學生根據(jù)自己的實訓體會對表1中的每一項培養(yǎng)目標進行評價，滿意度最高為5分，最低為零分，以0.1分為最小變化量。學生的評價是在給出課程成績之后進行的，而且是匿名的，這樣可以保證評價的真實度。統(tǒng)計結果表明，一般性工程能力素質培養(yǎng)目標中滿意度最高的是①、②、③、④、⑧、⑨五項，平均可以到達4.5分，滿意度最低的是⑥、⑩兩項，平均只有2.5分；專業(yè)能力素質培養(yǎng)目標中②項毫無懸念地拿到了最高的4.8分。這些第一手的評價數(shù)據(jù)為我們不斷對課程進行改革提供了依據(jù)，構建了動態(tài)調(diào)整與能力素質培養(yǎng)目標實現(xiàn)矩陣表，如表4所示。針對滿意度低的培養(yǎng)目標，可以通過完善實訓內(nèi)容，調(diào)整實訓方式等來提升實施效果。實踐證明，這種按照系統(tǒng)工程思維構建的閉環(huán)課程改革方式是行之有效的。

2 課程改革實施體會與反思

2.1 要有“不破不立”的決心和持之以恒的毅力

對于一個初次接觸工程系統(tǒng)的學生來說，要設計、焊接、調(diào)試系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的功能電路，那么電路的故障、電路之間的匹配、干擾，方案設計的缺陷，操作工藝和可靠性等等，都會帶來各種各樣的工程性問題。這些問題的解決通常需要花費更多的時間，同時需要指導教師具有豐富的實際工程經(jīng)驗。對于那些從學校到學校，沒有受過系統(tǒng)工程訓練的教師而言，放棄熟悉的教學內(nèi)容投身到具有挑戰(zhàn)性的課程改革中，阻力可想而知[16]。除此之外，電子工程設計訓練材料的損耗是相當可觀的，需要學校投入大量的經(jīng)費支持，這些都增加了課程實施的難度。所以，要有“不破不立”的決心和持之以恒的毅力，才能將課程改革實施下去。

2.2 設計的創(chuàng)新應該是“有限”的

學生完成的是一個電子綜合系統(tǒng)的設計過程，鼓勵創(chuàng)新帶來的直接結果就是設計方案的多樣化。實現(xiàn)這些方案需要更多種類的元器件，增加了教學實施的復雜性，處理不好會影響工作效率和教學效果。所以，我們實行“有限”的創(chuàng)新，具體做法是事先給定一個元器件清單，其中包含了常用的數(shù)字、模擬、數(shù)?；旌?、傳感器、A/D和D/A器件，要求學生在給定元器件中進行方案的設計。對于一些設計思路新穎、確需用到清單之外元器件的方案，指導教師組經(jīng)過討論通過后也可以予以特別支持。

表4 動態(tài)調(diào)整與能力素質培養(yǎng)目標實現(xiàn)矩陣表

注：上表中調(diào)整有效的內(nèi)容在其對應的方格內(nèi)填“√”，否則填“X”

3 結 語

電子工程設計綜合課程改革以真實工程項目為依托，使學生初步得到了較為系統(tǒng)的工程訓練，有效地支撐了專業(yè)能力培養(yǎng)目標建設，是當前工程教育改革背景下，為培養(yǎng)面向社會需求的應用型工程師的一次有益嘗試。

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Synthesized Course Reform and Practice of Electronic Engineering Design

LANBo,WANGZhi-xiu,XUWen-xing

(Information Engineering College，Beijing Institute of Petro-Chemical Technology, Beijing 102617, China)

Under the background of higher engineering education reform, integrated curriculum reform of electronic engineering design is to reconstruct the courses according to the training objective of engineering ability of automation specialty. Based on real engineering projects, engineering models and practical training contents of integrity, systematicness and applicability are established and performance evaluation system which meets the engineering training standards is formulated. Based on the scientific evaluation of implementation effect, the training contents are dynamically adjusted, so as to continuously enhance the indicators of low satisfaction in the training objective. Thus, the students gain the systematic primary engineering training, so as to greatly improve their engineering and innovation ability, and effectively support the construction of professional ability. Obvious effect has been achieved after three years of implementation. The curriculum reform goal of the cultivation of application engineers in local technological university is realized.

training objective; engineering ability; electronic engineering design; course reform

2014-06-22

校重點教改項目(ZD20130302)

藍 波(1973-)，男，四川隆昌人，碩士，副教授，電工電子教學與實驗中心主任，主要研究方向為電工電子新技術。

Tel.：13501327812;E-mail:lanbo2010@139.com

G 642.423

A

1006-7167(2015)05-0203-04