自主研学的电工电子实践课程建设

自主研学的电工电子实践课程建设

摘要：在国家级实验教学示范中心建设中，东南大学电工电子实验中心以电工电子实践课程改革为突破口，设计了“强化项目背景工程性、强化知识应用综合性、强化实现方法多样性、强化实践过程探索性”的一系列实验项目，构建了具有“多知识点融合、跨理论课程知识融合、已有知识与拓展知识融合、课内实验与课外研学融合”特色的电工电子实践课程。通过案例分析、任务要求、考核规则及研学方法引导，使学生在自主选择任务要求、自主设计方案进程、自主构建实验平台、自主展示实践成果的实践进程中形成“创新意识思维、自主学习研究、项目组织规划、知识综合运用、研究探索发现、工程设计实践”的综合能力与科研素质。

关键词：课程体系；实践模式；实践环境；师资队伍；创新能力

一、电工电子实践课程改革背景

2000年以前，高校电工电子实验教学常常是理论课的附属。新世纪以来，各高校纷纷独立开设了“电路实验”、“模拟电子线路实验”、“数字逻辑电路实验”等多门自成体系的实验课程。

电工电子实践课程与电路、模拟电子线路、数字逻辑电路、EDA、在系统编程技术等电工电子基础课程相配合，是工科电类专业及部分非电专业的核心基础实验课程（见图1），也是我校电工电子实验中心教学工作的主体。

随着对学生自主研学、创新设计、工程实践能力与素养要求的提高，这种电工电子基础实验教学课程体系内容、教学进程模式的不足之处越来越凸显：

一是实验课程相对于理论课程独立设置，课程间知识结构壁垒制约了跨课程知识体系的综合性实验项目的开设，而现实工程实践中是很难划清知识体系的界限的。

二是受实验教学验证理论知识为主的传统影响，实验项目大都围绕知识点主观设置，实验习题化严重，解决方法单一，缺乏分析研究的空间。学生遇到实际工程问题仍然束手无策。

三是实验教学中教师直接传授知识有余，对问题的分析过程与解决方法引导不足。

四是实验课程大都是2～3学时的相互孤立的项目，任务要求统一有余，对知识的深度与广度要求层次少有梯度，因材施教不足，实验没有深入与升华的时空条件。

东南大学在创建研究性大学本科创新人才培养体系的进程中，着眼于学、思、

知、行有机结合，将实验教学改革作为高层次创新人才培养模式改革的突破口。2005年首批入选国家级实验教学示范中心后，东南大学电工电子实验中心以学生自主研学创新实践理念为指引，深化分层次模块化实验课程体系、基于项目研究的创新实验教学、开放式自主实验教学模式改革，在开放综合的实践环境建设、实验教学全程现代化管理、国家精品资源共享课程建设等方面取得了显著成效。

二、电工电子实践课程改革与建设内容

在“尽早综合运用知识、尽早接触工程实际、尽早开展探索研究”指导思想下，东南大学电工电子实验中心确立了实践课程改革目标：以实验项目为载体、任务要求为驱动、过程考核为引导，促进学生分析思考、拓展知识、发现问题、探寻方法；以构思设计强化内容探究性、知识综合性、方法多样性、过程工程化的实验项目为基础，致力于教学目标实现途径与课程整体设计规划的研究探索；以示范中心、精品课程、教学团队及各级教改项目为支撑，构建“引导入门—基础系列—专题研究—科学研究”循序渐进的电工电子实践课程体系，并优化集成了软硬件条件及教学资源，满足学生自主学习、研究探索、设计创新、工程实现需求的开架式自助实践环境。

2008年，实验中心基本形成了全新的电工电子实践课程体系及教学规范。该体系由基础实践、数字电路、模拟电路、综合设计、课外研学五个教学模块组成。其中，课程体系强调知识纵横融合，使实践活动不受知识结构约束；实验内容从知识方法应用、综合设计到研究探索阶梯递进，强调实验项目要求的层次性和项目的工程背景。在教学方法方面，通过研学方法引导、案例分析引导、任务要求引导、考核规则引导，使学生养成“自主选择任务要求、自主设计方案进程、自主构建实验平台、自主展示实践成果”的实践习惯。在教学管理方面，提出了从教学主任、教学秘书、课程负责人、设备维护负责人、普通教师、学生一系列角色的职责规范与要求。

1. 设计“四强化”实验项目，构建“四融合”课程体系

实验项目是教学的载体。我们以“强化项目背景工程性、强化知识运用综合性、强化实现方法多样性、强化实践过程探索性”为指导思想，设计开发了一批强化工程性、综合性、多样性、研究性的实验项目。根据电路、数电、模电等理论课教学进程，及由浅入深、由点及面、由单元到系统的认知规律，将实验项目配置到课程教学模块中。

教学模块各自有与同期理论课相关联的教学内容与教学目标。随着教学进行，实验项目逐步扩大知识覆盖面，实现“多知识点融合”；部分项目综合前期模块知识、拓展未学知识，实现“跨课程知识融合、已有知识与拓展知识融合”。

模块一：以元器件参数测量、电路频率特性测试、交流电路参数测试等结合电路课程的实验为载体，重在理解、掌握实验基础知识、基本方法、基本技能。在“黑箱电路参数测试”实验中，学生运用欧姆定理，根据电感、电容阻抗随频率变化的规律，通过改变施加激励类型与频率，边测量边分析，从前一步结果分析

决定下一步测量方法；最终判断封闭在“黑匣子”中元件的性质并计算参数。每个学生研究对象不同，其差异性将导致实验方法的多样化，实验中尝试分析现象、构思方法、总结规律等研究探索的基本要素，实验后通过交流演讲共享群体智慧，拓宽视野。

模块二：从数字电路基本特性开始，由组合逻辑到混合逻辑电路、直到数字系统设计，实现从点到面的知识体系覆盖。其中，变步长计数器设计项目综合了时序、组合与运算等多种逻辑电路设计方法，实现了多知识点的融合，并为后续简易DDS信号源做了铺垫。

简易DDS信号发生器实验以变步长计数器作为存储器地址发生器，融合了前面逻辑设计、数据存储、数模转换等技术方法，在自主拓展滤波、数字锁相等技术基础上，最终实现波形、频率、幅度、相位皆可变的信号源，实现了已有知识与拓展知识融合。模块三：模块三设置了5个单元实验项目和1个系统级项目（见图2）。每个单元实验都有自身的工程应用背景及教学目的，涵盖多门课程的多个知识点，构成简单的小系统；同时单元实验中的部分功能或电路，也为小系统音频功率放大电路的设计实现提供了很好的支撑，实现了由单元到系统。例如，自动增益控制放大器实验融合了模拟电路、数字电路、FPGA、单片机等多门课程的知识与技术方法，实现了跨课程知识融合。

实验教学改革带动了学生课外研学活动的开展。一大批具有扎实理论基础和实践创新能力的拔尖人才脱颖而出，实现了课内实验与课外研学的融合。

2. 推进教师“四引导”下的学生“四自主”实践模式

电工电子实验中心通过改革传统的教师讲解、学生验证的定式化教学模式，使教师在实验教学过程中亦编亦导亦演。我们通过研学方法、案例分析、任务要求、考核规则的引导，使学生进入自主研学的各个场景，成为实践的主角，养成研究探索习惯，并形成了学生自主选题设计任务要求、自主设计实现方案与进程、自主选择研究软硬件平台、自主构思展示实践成果的实践教学模式（见图3）。

模块四：模块四是“温度测量与控制实验”，说明了温度测量与控制方法的多样性：有多种方法实现温度信号的获取、放大、转换、处理与显示，温度升降控制也有多种模拟或数字实现方法，亦可在MCU或FPGA中运用不同算法实现指定温度或温度曲线控制。

该实验教学进程安排如下：

（1）课前提出温度测量、固定温度控制、温度曲线控制的任务，要求学生查阅资料，拟定实现功能，设定精度指标，构思实现方法。

（2）分组讨论交流系统结构、测量控制方法。

（3）初步测试帕尔贴温控装置特性。