電子電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐.doc

電子電氣信息類專業(yè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究與實踐高有堂 徐源 喬建良 田思（河南南陽理工學(xué)院電子電氣工程系， 河南 南陽473004）摘 要：對新的經(jīng)濟(jì)形勢下“應(yīng)用型”電子電氣信息類專業(yè)實踐教育模式進(jìn)行了探索，結(jié)合全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的經(jīng)驗，規(guī)劃實踐教學(xué)內(nèi)容，改革傳統(tǒng)的實踐性教育教學(xué)模式，加強(qiáng)新技術(shù)、新工藝在實踐性環(huán)節(jié)的應(yīng)用，提出了實踐性教學(xué)相互交叉訓(xùn)練模塊的設(shè)計思想與實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞：電子電氣、實踐教學(xué)、創(chuàng)新能力、交叉訓(xùn)練我院于2001參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲全國一等獎，于2003、2005和2007繼續(xù)參加取得優(yōu)秀指導(dǎo)教師和優(yōu)秀征題等獎項。結(jié)合全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的經(jīng)驗，規(guī)劃實踐教學(xué)內(nèi)容，我們大膽改革傳統(tǒng)的實踐性教育教學(xué)模式，加強(qiáng)新技術(shù)、新工藝在實踐性環(huán)節(jié)的應(yīng)用，提出了實踐性教學(xué)相互交叉訓(xùn)練模塊的設(shè)計思想與實現(xiàn)方法。通過實踐性教學(xué)體系深化改革，全面提升了學(xué)生的動手能力和綜合創(chuàng)新能力。一、改革傳統(tǒng)的實踐性教育教學(xué)模式應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)于1995年開始進(jìn)行招生，在早期的學(xué)生還沒有畢業(yè)之前，我們即在教學(xué)的過程中根據(jù)本專業(yè)的發(fā)展和特點對教學(xué)計劃進(jìn)行微調(diào)，并結(jié)合我院人才培養(yǎng)的實際情況，從1999級開始對“電子專業(yè)委培生教學(xué)計劃與大綱”進(jìn)行了大范圍的調(diào)整。改革的方法主要有兩點：（1）在遵循國家課程體系，重新重組本科課程，增加新課程新知識。眾所周知，現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展為計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展又為電子技術(shù)的發(fā)展提供了前進(jìn)的動力，二者是相互促進(jìn)、相互滲透、共同發(fā)展的。隨著一部分課件和應(yīng)用軟件的投入使用，為了將可編程技術(shù)及系統(tǒng)模擬仿真技術(shù)應(yīng)用引入教學(xué)，我們重新重組本科課程，增加新課程新知識。開設(shè)了追蹤電子技術(shù)發(fā)展前沿的“高密度在系統(tǒng)可編程技術(shù)”及“虛擬與仿真技術(shù)”等課程。同時，我們盡可能將各種EDA軟件穿插于各門相關(guān)課程中，Protel、Workbench、Quartus 、DSP BUILDER、Proteus、MATLAB等軟件的應(yīng)用，大大開闊了學(xué)生的視野，提高了學(xué)生的綜合設(shè)計能力和設(shè)計效率。比如我們今年把MATLAB軟件引入教學(xué)中，取得了顯著的效果。MATLAB軟件是一個高性能的科技計算軟件，廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)計算、算法開發(fā)、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析處理及可視化、科學(xué)和工程繪圖、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等，當(dāng)前它的使用范圍涵蓋了工業(yè)、電子、醫(yī)療、建筑等各領(lǐng)域。在國外，在歐美等高校，MATLAB的使用非常普及，被用作許多課程的輔助教學(xué)手段和許多高級課程的基本教學(xué)工具。在許多設(shè)計研究部門和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題，是高質(zhì)量新產(chǎn)品研究、開發(fā)和分析的主要工具之一。那么對MATLAB的理解與運用，也使學(xué)生既加深了對課程的掌握和提高，又掌握了一個重要的分析與設(shè)計、仿真方法。這一點在電子類綜合課程設(shè)計中的表現(xiàn)得尤為突出，學(xué)生在設(shè)計的過程中大量使用EDA及仿真軟件，事半而功倍，節(jié)省了寶貴的時間。（2）加大實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。早期由于實驗室的條件所限，實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)在整個教學(xué)計劃中所占的比例較少，近幾年來隨著學(xué)院加大實驗室建設(shè)的投入，我系的實驗室發(fā)生了巨大的變化，不僅僅是數(shù)量上的增長，更是質(zhì)的飛躍。我們有能力也有設(shè)備對本專業(yè)的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行一系列調(diào)整和改革，主要內(nèi)容有：精簡和壓縮傳統(tǒng)基礎(chǔ)課程，大膽引入新技術(shù)，加強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)，重視創(chuàng)新教育的探索和實踐。如何面向21世紀(jì)，加強(qiáng)專業(yè)基礎(chǔ)，擴(kuò)展知識面，創(chuàng)造各種條件，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)和發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新精神和個性特長以及協(xié)作能力是我們的重要目標(biāo)，很顯然這與電子設(shè)計的目的是一致的，因此，我們十分重視實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。為了活躍學(xué)生的課外科技活動，我們電子系組織了電子協(xié)會以及課外制作小組，成員主要由課外科技活動積極分子和優(yōu)秀學(xué)生干部組成。他們利用課余時間和節(jié)假日到工廠、學(xué)校和農(nóng)村修理家電，運用所學(xué)的知識為社會服務(wù)，他們的精神得到了社會的高度評價。為了加強(qiáng)學(xué)生的綜合能力和基本的生產(chǎn)調(diào)試技能，我們在課程設(shè)計環(huán)節(jié)，除強(qiáng)調(diào)基本的電子裝配外，還增加了電器維修綜合課程設(shè)計，通過“一裝、二調(diào)、三設(shè)”，即“一裝”，讓學(xué)生自己裝配一臺電路完整的14寸黑白電視機(jī)；“二調(diào)”，自己調(diào)試和教師協(xié)助調(diào)試；“三設(shè)”，自己設(shè)置、互相設(shè)置和指導(dǎo)教師設(shè)置故障，由裝配人在規(guī)定的時間內(nèi)找到故障點并修好。通過以上三個環(huán)節(jié)來綜合提高學(xué)生的生產(chǎn)勞動技能，取得了良好的教學(xué)效果。除此之外，我們還開設(shè)了綜合開發(fā)應(yīng)用實驗選修課來鍛煉一部分動手能力比較強(qiáng)的學(xué)生，提高他們的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。通過這些改革，學(xué)生的實際動手能力和工程設(shè)計能力明顯提高，畢業(yè)生受到了社會的歡迎和好評。參加過電子設(shè)計競賽的學(xué)生，他們在系統(tǒng)設(shè)計、方案論證、整機(jī)裝調(diào)、選用新器件及創(chuàng)新能力與合作精神等方面得到了全面提高，他們的自信心增強(qiáng)了。他們在畢業(yè)設(shè)計和科研中，獨立工作的能力較強(qiáng)，受到了教師的歡迎和好評。二、實踐教學(xué)內(nèi)容相互交叉訓(xùn)練實現(xiàn)方法按傳統(tǒng)方法培養(yǎng)的電子類的學(xué)生，在理論上能夠進(jìn)行正確的推理、分析和證明，能舉一反三，但在實踐性環(huán)節(jié)上，特別是電子綜合設(shè)計時就會發(fā)生諸多的問題，比如：理論設(shè)計正確卻無法在工程上實現(xiàn)功能；單元電路正確卻無法實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；個人能力很強(qiáng)卻各自為政，不能按規(guī)定時間內(nèi)完成并實現(xiàn)規(guī)定的設(shè)計功能題目，更談不上相互之間的合作與相互配合等等。這是因為電子綜合設(shè)計既不是單純的理論設(shè)計也不僅僅是實驗設(shè)計，而是在規(guī)定的時間內(nèi)分組按照教師下達(dá)的*設(shè)計任務(wù)書的具體要求來進(jìn)行多人共同設(shè)計、制作完成一個有特定工程背景的項目。我們提出了相互交叉訓(xùn)練實現(xiàn)方法，盡可能地要求課程設(shè)計題目涉及的內(nèi)容是一個課程群而非單一的一門課程（如果是單一的一門課，那就和實驗一樣了）。表2.1是課程設(shè)計相互交叉訓(xùn)練內(nèi)容說明。表2.1 課程設(shè)計相互交叉訓(xùn)練內(nèi)容課程設(shè)計名稱相互交叉訓(xùn)練內(nèi)容電子CAD課程設(shè)計以電子CAD制圖為主，含蓋模電、數(shù)電、電子裝配等知識。電子設(shè)計自動化課程設(shè)計以EDA編程為主，含蓋電子CAD、單片機(jī)、計算機(jī)控制等知識。計算機(jī)檢測課程設(shè)計以微機(jī)檢測為主，含蓋單片機(jī)、電子技術(shù)、計算機(jī)控制等知識。電子工藝課程設(shè)計以電子工藝為主，含蓋電子CAD、電子技術(shù)等知識。課程設(shè)計既強(qiáng)調(diào)理論設(shè)計，更強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)；既考核了學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識的能力，更注重學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此我們要求電子類課程設(shè)計的形式與內(nèi)容基本上符合面向21世紀(jì)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和需求，是對傳統(tǒng)教學(xué)方法的一個挑戰(zhàn)，如不改革傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，建立一個全新的教學(xué)課程體系，就無法適應(yīng)現(xiàn)代高等教育的需要。同時，學(xué)生最終的成績和收獲從一個側(cè)面反映了整個專業(yè)的的教學(xué)水平和教學(xué)改革的成敗。所以，我們要求教師們首先從我做起，完全打破重理論、輕實踐；重分析、輕綜合；重個體、輕協(xié)作的傳統(tǒng)習(xí)慣。三、實踐性環(huán)節(jié)加強(qiáng)新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用電子技術(shù)的發(fā)展非常迅速，新技術(shù)、新工藝不斷出現(xiàn)，我們力爭把一些新技術(shù)引入到我們的教學(xué)中來。建系初期，本專業(yè)只有基礎(chǔ)的模電、數(shù)電實驗室和自控實驗室及電子實訓(xùn)中心四個實驗室。這里值得一提的是我們于1998年10月建立的“電子實訓(xùn)中心”。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力，給學(xué)生提供一個良好的學(xué)習(xí)與研究的環(huán)境，展現(xiàn)新思維、新設(shè)計的舞臺，在參考清華大學(xué)的基礎(chǔ)上我們建立了“電子實訓(xùn)中心”。該實訓(xùn)中心是我系電工電子教學(xué)的重點建設(shè)項目。2000年我們又對該中心進(jìn)行了擴(kuò)建，引進(jìn)了清華大學(xué)的印制板轉(zhuǎn)印機(jī)、制版機(jī)、全自動表面貼裝紅外線再流焊爐等先進(jìn)電子生產(chǎn)工藝設(shè)備，購買了便攜式液晶顯示泰克式TDS-220示波器及臺灣的萬能燒錄器等高檔儀器設(shè)備，使本實驗室又提高了一個層次。特別是我們購買的全自動表面貼裝紅外線再流焊爐采用遠(yuǎn)紅外輻射及強(qiáng)制熱風(fēng)混合加熱、模糊控溫技術(shù)和抽屜式工作臺，這種焊接方法的主要工作原理是：在設(shè)備的隧道式爐膛內(nèi)，通電的陶瓷發(fā)熱板輻射出紅外線，熱風(fēng)機(jī)使熱空氣對流均勻，讓焊接對象隨著傳動鏈機(jī)構(gòu)勻速地迸火爐堂在爐膛內(nèi)的預(yù)熱區(qū)，焊接對象在100-160攝氏的溫度下均勻預(yù)熱約三分鐘，除去焊錫膏中的近沸點溶劑;在爐膛內(nèi)的加熱區(qū)，預(yù)先用絲網(wǎng)漏印法漏印在印制板焊盤上的膏狀焊料在高于焊料合金熔點2-5度的熱空氣中再次熔融，浸潤焊接面，時間大約30秒鐘;當(dāng)焊接對象從爐堂內(nèi)的冷卻區(qū)通過并使焊料冷卻凝固以后，全部焊點同時完成焊接。如圖3.1是紅外線再流焊的工作原理示意圖。圖3.1 紅外線再流焊的工作原理示意圖紅外線再流焊接設(shè)備適用于單面、雙面、多層印制板上的SMT元器件的焊接，以及在其它印制電路板、陶瓷基板、金屬芯基板上的再流焊，也可以用于電子器件、組件、芯片的再流最，還可以對印制板進(jìn)行熱風(fēng)整平、烘干或?qū)﹄娮赢a(chǎn)品進(jìn)行烘烤、加熱或固化。紅外線再流焊接設(shè)備既能夠單機(jī)操作，也可以連入電子裝配生產(chǎn)線配套使用。該設(shè)備可貼裝如芝麻般大小的最精細(xì)的表貼元件，能完成雙面板焊接，并具有翻修功能。我系購買的該套設(shè)備可以說在河南高校僅此一家，在國內(nèi)同類大學(xué)也不多見。今年的課程設(shè)計中，我們就開始用該設(shè)備來裝配貼片式收音機(jī)，學(xué)生對操作該設(shè)備的熱情十分高漲，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，我們還建立了在河南高校中較為先進(jìn)的“電子設(shè)計自動化實驗室”（簡稱EDA實驗室）和“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實驗室”，這樣，使本專業(yè)的實驗室基本趨于完善。 圖3.2 PCB刻板設(shè)備 圖3.3 PCB過孔設(shè)備圖3.4 PCB層壓設(shè)備我們建設(shè)一個更先進(jìn)的PCB板加工實訓(xùn)中心，引進(jìn)德國先進(jìn)的PCB板加工裝置及混合技術(shù)返修系統(tǒng)，該裝置在全省甚至全國處于領(lǐng)先地位。圖3.2 PCB刻板設(shè)備，圖3.3 PCB過孔設(shè)備，圖3.4 PCB層壓設(shè)備。我們在綜合電子設(shè)計這個環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠較系統(tǒng)地掌握電子系統(tǒng)設(shè)計過程從選項、立項、方案論證、電路設(shè)計、電路實現(xiàn)、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測試、總結(jié)報告、文檔整理等全過程的各個環(huán)節(jié)，并付諸實現(xiàn)，充分發(fā)揮學(xué)生的自我能動性和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的協(xié)調(diào)配合能力及合作精神。完成學(xué)生由單元設(shè)計向系統(tǒng)設(shè)計的過渡，掌握現(xiàn)代化儀器設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計和實驗中的應(yīng)用，為綜合課程畢業(yè)設(shè)計等后繼課程打下堅固的基礎(chǔ)，擴(kuò)大本專業(yè)學(xué)生的受益面，使在校的每一個學(xué)生在具體的實踐環(huán)節(jié)上都基本能夠達(dá)到實際應(yīng)用、實際設(shè)計、實際開發(fā)的要求。這就要求我們不斷深化改革，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)教學(xué)，使我們電子與電氣工程系的教學(xué)改革落到實處。比如我們的電子CAD課程設(shè)計，通過“一查、二圖、三制”，即“一查”，自主選題，查找可實現(xiàn)的方案；“二圖”，利用計算機(jī)設(shè)計出原理圖和PCB圖；“三制”，制作印制版底圖，繪制覆銅板的腐蝕圖，制作成品的PCB圖。電子設(shè)計自動化課程設(shè)計，通過“一翻、二圖、三編、四調(diào)”，即“一翻”，翻譯相關(guān)的英文資料；“二圖”，利用計算機(jī)設(shè)計出原理圖和PCB圖；“三編”，編寫VHDL程序，編寫單片機(jī)程序，編寫邏輯綜合程序；“四調(diào)”，調(diào)試CPLD程序，調(diào)試單片機(jī)程序，調(diào)試電路元件，調(diào)試整機(jī)使整體功能實現(xiàn)。很多學(xué)生當(dāng)最終實現(xiàn)功能時，都激動不已，紛紛向教師展示自己的成果。同時，通過課程設(shè)計，增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)、拼搏的意識，團(tuán)隊精神得到進(jìn)一步加強(qiáng)。四、電子競賽與實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的結(jié)合通過電子設(shè)計大賽，使我們對實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的內(nèi)容起到了促進(jìn)作用。從前幾屆電子設(shè)計競賽的試題來看，可以歸納成5類，即：（1）電源類：簡易數(shù)控直流電源（第一屆），直流穩(wěn)壓電源（第三屆）；（2）信號源類：實用信號源的設(shè)計和制作（第二屆）；（3）無線電類：實用低頻功率放大器（第二屆），簡易無線電遙控系統(tǒng)（第二屆），調(diào)幅廣播收音機(jī)（第三屆），短波調(diào)頻接收機(jī)（第四屆）；（4）儀器類：簡易電阻、電容和電感測試儀（第二屆），簡易數(shù)字頻率計（第三屆），頻率特性測試儀（第四屆），數(shù)字式工頻有效值多用表（第四屆）；（5）數(shù)據(jù)采集與控制類：多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（第一屆），水溫控制系統(tǒng)（第三屆），數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)（第四屆）。試題的特點是：實用性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、技術(shù)水平發(fā)揮余地大。所涉及的電子信息類專業(yè)的課程有：低頻電路、高頻電路、數(shù)字電路、單片機(jī)原理、電子設(shè)計等；可選用的器件有：晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路、可編程邏輯器件等；設(shè)計手段可以采用傳統(tǒng)的，也可以采用現(xiàn)代電子設(shè)計工具，如用Workbench或CAD輔助分析和ALTERA在系統(tǒng)可編程等。不難看出，電子設(shè)計競賽的試題既反映了電子技術(shù)的先進(jìn)水平，又引導(dǎo)高校在教學(xué)改革中，應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新設(shè)計能力。我們的課程體系和教學(xué)內(nèi)容的改革思路也應(yīng)反映這些特點，使學(xué)生的知識和能力達(dá)到電子設(shè)計大賽的水平。2002年度我們以電子CAD、電子設(shè)計自動化和自動控制綜合課程設(shè)計課程設(shè)計為對象進(jìn)行探索。目的是全通本年度的綜合設(shè)計性的課程設(shè)計，使同學(xué)們能達(dá)到他們應(yīng)該能學(xué)到的實踐能力。我們的課程設(shè)計方式有兩種：一種是由教師給出幾個相關(guān)的題目，將學(xué)生分組后進(jìn)行選擇來實現(xiàn)，如電子設(shè)計自動化課程設(shè)計；另一種是由學(xué)生自由選擇題目，充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，經(jīng)指導(dǎo)教師確認(rèn)后進(jìn)行實施，如電子CAD課程設(shè)計。我們深知要使實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)達(dá)到應(yīng)有的目的，題目的選擇及教師的指導(dǎo)是非常重要的環(huán)節(jié)，但歸根結(jié)底教師是整個環(huán)節(jié)的核心。為此我們針對教師提出