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摘要：針對電子電路類實驗課程存在的若干問題，在科教融合理念指導下進行了改革與實踐。設計了符合時展且具有較強綜合性的實驗教學內容，以及具有較高挑戰度的綜合設計題目，提出了工程能力與科研能力并重的人才培養模式，取得了豐碩的教學成果。教學實踐表明，該教學改革提高了學生的學習興趣，加深了學生對所學知識的理解和掌握，培養了學生解決實際工程問題的能力，激發了學生的創新潛能。
電子電路技術在國民經濟的多個行業中有著廣泛應用，很多高校都開設了電子電路類的實驗課程[1-7]。“電氣技術實踐基礎”是我校電工電子教學實驗中心面向全校電類專業本科生開設的一門實驗課程，是培養學生動手能力和創新能力的重要課程之一。經過十余年的運行，該課程尚存在以下問題：①課程內容相對陳舊，學生興趣不高；②不同實驗之間的聯系不夠緊密，學生在做完全部實驗后缺乏將所學知識靈活運用的能力；③課程內容的挑戰度不夠，難以激發學生的創造力。我中心共有十余名教師承擔本課程的教學任務，其中大多數還同時從事高水平的科研工作。為了解決課程教學現存的問題，本團隊在“科教融合、學術育人”的教學理念指導下，對課程進行了改革與實踐。通過充分挖掘科研活動中的基礎性問題，將其與“電氣技術實踐基礎”課程相融合，并對實驗內容進行了擴充和更新，設計了若干綜合性強、更加貼合實際應用的實驗，提高了課程的高階性、創新性和挑戰度，旨在以高水平的科研支撐高質量的教學。在課程中，鼓勵并引導學生針對生活中的問題設計解決方案，支持學生申請專利及，在培養學生解決復雜工程問題能力的同時提高學生分析總結能力及論文寫作能力。
1融合學科前沿與工程實踐的教學設計
1.1設計新的實驗內容。針對學生興趣不高問題，本團隊從實際科研及工程項目出發，凝練出若干基礎性問題，用于對教學內容的更新，設計了一系列緊跟時展并貼合實際工程應用的實驗教學內容[8-9]，如“非正弦周期信號諧波提取”“周期信號諧波合成”“波形產生和信號調制解調”“簡單數字頻率計”等。以“波形產生和信號調制解調”實驗為例，如圖1所示，該實驗要求學生利用運算放大器和阻容元件搭建不同頻率的正弦波和三角波產生電路；再將低頻正弦波作為基帶信號，將高頻三角波作為載波信號，實現信號的調制；最后搭建有源低通濾波電路實現信號的解調。該實驗具有較高的復雜度，對學生的理論分析能力和動手實踐能力有較高要求。此外，該實驗密切貼合當下熱門的5G通信技術，能夠激發學生的學習興趣。學生通過這些實驗，對如何將所學知識用于實際工程問題有了更深的認識，提高了對課程的認同度。
1.2優化綜合設計環節。針對不同內容間聯系松散、課程內容挑戰度不高的問題，本團隊充分結合學科前沿，對課程的綜合設計環節進行了優化，設計了一些綜合性強且具有較高挑戰度的題目供學生選擇。在此前的課程教學中，為了加深學生對課程體系的認識，設置有綜合設計環節，但學生自行設計的系統往往集中于模電或數電單一課程所學的內容，綜合性不夠。這一次本團隊設置了更符合課程教學目的的題目[10-11]，如“基于PPG的心率測量系統”“智能交通信號控制系統”“自行車測速規劃裝置”“音頻燈光控制系統”等。以“自行車測速規劃裝置”題目為例，如圖2所示，題目涉及電源設計、信號預處理、脈沖計數、數據換算、動態顯示等內容，是對課上所學知識的充分融合與回顧。在實現過程中，我們還會設置一些限制，從而培養學生在條件受限情況下靈活變通、大膽創新的工程素養，加深學生對所學知識的理解和掌握。例如，本題目要求學生每隔10s刷新顯示車速并給出速度規劃，這就需要將單個計數周期的計數結果結合車輪直徑換算出車速。學生最容易想到的解決方案就是使用單片機，但我們要求學生只能采用本課程使用的芯片來實現全部功能，因此如何利用本課程所學知識實現上述功能是整個系統設計的重點和難點。這樣設置的目的是模擬工程實踐中方案選擇受限的情境，同時引入課程思政元素，強調我國在某些關鍵領域被卡脖子的現狀，激發學生努力學習、報效祖國的熱情。近三年來，學生完成的部分綜合設計題目如表1所示。所設計的綜合設計題目密切貼近學生的日常生活，極大地激發了學生的學習興趣；所設計內容具有較強的綜合性，可加深學生對整個課程體系的認識，幫助學生建立起聯結理論知識與工程實踐的橋梁，培養學生解決復雜工程問題的能力。
2工程能力與科研能力并重的人才培養模式
除了培養學生解決復雜工程問題的能力，本課程還同時注重培養學生的科研能力。在課程的綜合設計環節，除了給定設計題目外，還鼓勵學生從生活中遇到的實際問題出發，尋求解決方案，并引導學生開展創新性研究，激發學生的創新潛力。對較為突出的研究成果在申請專利及時給予經費上的支持，帶領學生走進學術的大門，培養學生分析總結問題及撰寫學術論文的能力。例如，170321班8組學生中的2組出色完成了綜合設計題目，并提出了創新性想法，申請了國家發明專利，發表了EI檢索學術論文。圖3為學生設計的智能交通信號控制系統[11]。在現有的交通燈系統中，紅綠燈的倒計時時間是固定的，不會隨著交通流量的變化而變化。這會使得繁忙路段上，某一方向的車輛暢通無阻，而另一方向的車輛非常擁堵，此時如果能增加擁堵方向的綠燈時間，減少暢通方向的綠燈時間，可以有效緩解路況擁堵，減輕交通壓力。為了實現這一目的，學生采用了最新的深度學習技術。在路口設置攝像設備進行定時拍照，捕捉道路車況照片，將照片上傳至路網主機端，主機端通過YOLOv3[12]結合OpenCV進行區域多路口的數據集中處理，捕捉單位時間的車輛數目，實時獲得當前的交通狀況。主機將此時的擁堵程度數據，通過串口通信方式返回路口FPGA端進行接收，由此實現數據的通信與可視化。此外，從電路可靠性角度考慮，在FPGA中設置頂層模塊，使在電腦主機端可以遠程對交通信號燈進行優先手動控制，路口端也可以切換模式，進行手動控制。目前設計該系統的學生已被保送至北京大學工學院攻讀研究生學位，該學生表示，在“電氣技術實踐基礎”課上所做的項目和據此發表的論文對他爭取到這個寶貴的機會起到了非常大的作用。在課程實施過程中，教學團隊通過調查問卷及交流討論形式收集了學生對課程的反饋意見，并對課程教學進行不斷優化和改進。學生普遍認為，新的教學內容和綜合設計題目使他們對課上所學知識“能用來做什么及怎么用”的問題有了更清晰的認識，消除了遇到實際工程項目時的茫然和恐懼心理，提升了解決問題能力、動手實踐能力和研究創新能力。
3注重經驗推廣，教學成果豐碩
通過近三年的實踐運行，該教改成果已成功應用于我校自動化學院、宇航學院、高等理工學院、國際學院等1000余名本科生的培養中，產生了很好的推廣輻射效果。我中心面向學校非電類專業本科生開設的“電路測試”課程也借鑒了本成果的經驗，正在開展教學內容改革與實踐。基于本成果，教學團隊近三年共出版教材2冊，發表教學論文8篇，申請教學相關發明專利2個，獲全國電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽獎2項。
4結語
針對“電氣技術實踐”課程存在的若干問題，本教學團隊將學科前沿和工程實踐與實驗教學相融合，充分發揮團隊教師的科研優勢，對課程內容進行了更新與優化，提高了學生的學習興趣，加深了學生對所學知識的理解和掌握。團隊提出了工程能力與科研能力并重的人才培養模式，在培養學生解決復雜工程問題能力的同時提高了學生的科研能力，并激發了學生的創新潛能。本教改成果已成功應用到我校本科生培養中，取得了顯著成效，為本科實踐教學起到了積極的示范作用，具有較好的推廣應用價值。
作者:岳昊嵩 范昌波 張靜 張秀磊 單位:北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院
