新工科背景下“综合电子设计”层次化实验教学探索

摘要：“综合电子设计”实验教学的改革，旨在提高学生灵活运用知识的能力和工程创新能力，以满足“新工科”人才培养要求。运用层次化教学思想，优化实验项目布局，基于新技术和行业背景开发新型实验项目，改革教学手段，构建形成了“基础—设计—综合”层次递进的实验教学体系。教学过程实现了由基础理论向工程应用的引渡，激发了学生的学习兴趣，促进了学生知识能力的复合发展。实践表明，学生的动手能力和创新能力显著提高，取得了令人满意的教学效果。

关键词：新工科;综合电子设计;层次化实验教学;综合创新实验

中图分类号：G712    文献标识码：A    文章编号：1672-5727（2024）02-0076-05

一、引言

“新工科”是教育部为应对新一轮科技与产业变革、提升人才综合竞争力而提出的工程教育改革方向^[1-4]，其核心理念是将工程教育与现代科技和社会需求有机结合，以“交叉、融合、自主、创新”为主线，旨在培养德才兼备的工科专业卓越复合型技术人才，以应对未来挑战^[5-6]。此举既符合国家发展战略，又与国际工程教育认证理念一脉相承。

“综合电子设计”是中国民航大学面向自动化、电子信息专业工程教育改革试点班开设的一类重要实验课，包括电路电子综合设计与仿真（I、II）和信息传输与处理，涵盖基础电路、模拟电路、数字电路、高频电路、单片机等多门课程。课程实验性、综合性、应用性强，承担着培养学生电子设计技术基础知识、实验技能和工程创新能力的重要功能，在专业人才培养过程中发挥着不可替代的作用^[7]。然而，在实际教学过程中，教学项目相对独立，项目间缺乏密切的联系和融合，限制了学生灵活运用知识的能力提升。同时，实验内容有待更新，缺乏体现学科交叉、新技术应用及民航行业需求的工程实践项目案例，创新和拓展空间有限。

为应对科技发展和行业需求，解决原有课程教学中存在的问题，以重基础、强应用、适应行业需求、提升工程综合素养为主要目标，课题组对“综合电子设计”实验教学进行了改革探索。改革过程中，根据学科间知识交叉点，优化设计实验教学内容，着力加强实验项目间的关联度;深入挖掘与民航行业需求紧密联系的电子设计实验教学内容，并开发综合性创新型实验教学项目，以提升项目的创新性和挑战性;形成了“基础—设计—综合”层次递进的实验教学体系，促进学生知识与能力的复合发展，提高综合知识运用及工程实践能力，以满足“新工科”人才培养要求。

二、层次化实验教学体系设计

（一）教学设计思路

“综合电子设计”是涵盖多个学科交叉融合的新兴课程，在基础知识和专业知识向实际应用过渡中承担着重要的桥梁作用^[8]。在教学设计阶段，应考虑课程特点，设计针对不同学科的单元实验，并注重学科间、知识点间的内在逻辑联系，构建完整的实验体系，以促进不同学科知识的结合与贯通。

层次化实验教学是依据学习目标，按照难度和复杂性设置一系列实验任务，完成整个教学过程^[9]。每阶段的实验均建立在前一阶段学习的基础之上，通过逐步深入的实验设计，使学生在探究和解决问题的过程中逐步积累知识和技能^[10]。本研究针对“综合电子设计”类课程的教学要求及原有实验教学过程中存在的问题，采用层次化教学思想，并借鉴国内外电类实验教学改革经验，对“综合电子设计”实验教学进行了全新设计。

在教学设计过程中，根据教学目标梳理实验教学内容，优化基础型实验项目，确保关键知识点全覆盖。同时，结合新技术发展、行业应用需求和学科知识点，开发设计型、综合型实验项目，构建“基础—设计—综合”的立体化教学体系，具体教学设计思路如图1所示。通过这种不断深入式的教学方式，实现了教学由基础理论向工程应用的引渡，对激发学生的学习兴趣，培养工程创新能力，实现知识、能力等综合素养的全面提升具有促进作用^[11]。

（二）教学内容设计

课题组通过课程改革，对教学内容进行了分层设计和实施，以确保学生在实验过程中能够循序渐进、由浅入深地学习和探索电子设计知识。

1.基础型实验项目

基础型实验项目分为验证性和演示性两类实验，侧重于学生对电子技术相关基础理论的掌握、知识点的巩固理解，以及基本实验技能和操作方法的学习。具体实验项目如表1所示。

每个项目均对应课程中的一个核心知识点，学生按照操作步骤完成实验内容，观察并分析实验现象，得出实验结论。通过基础实验项目，学生能够深刻理解综合电子系统设计的相关理论，为快速将所学知识应用于实际场景，以及进一步的学习打下坚实基础。

2.设计型实验项目

设计型实验项目建立在基础型实验基础上，着重强调对知识的综合应用。学生需根据项目要求运用多个基础知识点，完成简单电子系统的设计，并达到预期的技术指标。在此过程中，学生不仅巩固了基础理论，还能将所学知识有机结合并应用于实际情境中，解决实际问题。设计型项目对学生理解电子设计知识体系之间的关联，提高知识的交叉应用能力具有显著作用;同时也能够激发学生的学习兴趣，增强学习的主动性和积极性。具体设计项目如表2所示。

3.综合型实验项目

综合型实验项目是对设计型实验项目的延伸，针对上阶段实验任务中的小型电子系统给出不同应用场景和相关技术指标，学生需团队协作，运用工程思维进行需求分析，提出详细设计方案，力求创新、完善电子系统并测试验证，以满足具体场景的应用要求。具体实验项目如表3所示。

综合创新型项目相较于设计型项目更高级、更复杂。学生在项目设计过程中不仅需要运用课程相关知识，还需要综合应用机械、材料等多个领域的知识，以及人工智能、数字云、3D打印、虚拟仿真等新技术来解决工程应用问题。综合创新项目能够培养学生的创造力和解决现实世界复杂工程问题的能力。此外，还有助于促进课程与竞赛之间的联动，实现教学与科研的互补。

（三）教学模式设计

在创新设计教学内容的同时，课题组依托ELVIS虚拟仪器平台、数字化教学资源、线上线下仿真工具、液态金属打印机等打造了立体化学习空间。针对不同类型项目采用差异化教学方式，构建了多元化混合式实验教学模式，旨在激发学生主动学习和创新精神，培养解决复杂工程问题的综合能力。

基础型实验项目教学阶段，课前，学生通过线上线下仿真软件和数字化教学资源进行预习，以提高课堂教学效果;课中，学生在实验室完成学习内容。设计型项目教学阶段，项目开始前，教师通过网络发布实验任务，学生自行组队认领任务;课上，在教师指导下，学生以小组为单位通过多轮讨论并利用仿真设计工具形成设计方案，并完成系统的搭建及测试;课下，学生可利用在线设计软件、口袋式开发板对方案进行仿真验证。综合型项目教学阶段，学生需要课下查阅资料自主学习相关设计软件、新技术的使用方法，为下一步的创新实践奠定基础;课上，学生讨论形成设计方案，并利用相关设备完成项目制作。教学模式方案如图2所示。

三、层次化实验教学实施与成效

在“信息传输与处理”课程中，课题组基于层次化实验教学研究成果开展了教学实践。该课程共计64学时，学生在前序课程中已完成电路设计、单片机程序设计等基本知识点的学习。基本实验项目教学占用16学时，学生独立完成;设计型、综合型实验项目占用48学时，学生3～4人一组完成。

在基本项目教学部分，教师通过微信公众号平台推送教学视频和资料，引导学生预习。设计型项目选取“小型环境监测系统”，要求学生使用Arduino编程语言在开发模块上实现系统功能，监测环境温、湿度并远程传输数据至电脑。学生小组讨论并确定设计方案，然后使用在线仿真软件验证系统各模块功能，并利用ELVIS虚拟仪器平台和面包板完成硬件搭建。

综合创新项目要求学生在“小型环境监测系统”的基础上创新完善，以满足无人机微型机场气象数据的持续监测需求。学生根据应用环境需求，设计增加气压、高度、光照、风雨等检测功能模块，并添加太阳能充电模块以达到不间断工作的要求。在此基础上，利用液态金属打印机制作PCB，焊接系统电路，借助云平台实现数据传输，完成系统程序设计。同时，使用3D建模软件设计外壳、绘制产品装配图，查看产品效果，检查电路模块安装位置是否干涉。图3至图5展示了学生项目设计过程中的设计图及装配图。

为检验层次化实验教学效果，结课后向学生发放了调查问卷。调查数据显示，91%以上的学生表示课程项目内容贴近实际应用，95%以上的学生表示课程对后续学习、大学生创新创业训练计划项目、学科竞赛等有一定帮助作用，学生对教学的整体满意度达90%以上。学生普遍认为通过三层次的实验项目学习，既能巩固基础理论知识，又能消除面对工程问题时的恐惧和茫然感，还逐步掌握了综合运用多个理论知识点转换为行业实际应用的方法，培养了解决复杂工程问题的能力，提升了实践和创新能力。同时，学生运用课内项目所学云技术等相关知识参加省部级新工科竞赛并获奖。可见，“综合电子设计”层次化实验教学在课外竞赛中也发挥了一定作用。

四、结语

通过优化开发实验内容，引入具有民航行业应用背景的实验项目，改革教学手段，采用多元混合式实验教学，建立“基础—设计—综合”三层式教学体系，增强了教学内容间的关联度，提升了课程的创新性和挑战性。实践表明，层次化实验是新形势下行业人才培养的一种有效途径，有助于学生较快掌握将基础理论转化为工程应用的方法，提高专业知识的综合应用能力。

参考文献：

[1]金东寒.深化拓展新工科建设培养新时代卓越工程师[J].中国高等教育，2022（12）：12-14.

[2]胡蔓，赵云龙，栾晓娜，等.新工科背景下工程训练实践教学模式探索[J].实验技术与管理，2022（3）：256-259.

[3]杨乐，钱浩，陈珺，等.新工科背景下充分利用大型仪器设备的高分子实验教学设计与实践[J].高分子通报，2022（9）：126-132.

[4]张茜茜，王立岩，张慧川，等.新工科人才核心素养的价值体系探讨——基于“培养什么样的工程人才”的调研分析[J].中国高校科技，2022（8）：17-21.

[5]沈少华，郭烈锦.新工科背景下新能源科学与工程专业“通专融合”课程体系建设[J].高等工程教育研究，2023（S1）：84-87.

[6]刘坤，刘鑫桥，李妍.教育数字化下的新工科新形态教学资源——逻辑内涵、要素特征与建设路径[J].高等工程教育研究，2023（4）：22-26，99.

[7]岳昊嵩，范昌波，张静，等.科教融合理念下电子电路实验的改革与实践[J].实验技术与管理，2021（4）：206-209.

[8]杨婷，刘沛津，彭莉峻.CDIO模式下电子技术实验项目式教学研究与探索[J].实验室研究与探索，2018（2）：212-215.

[9]何锋，李峭，张玉玺，等.科研驱动式“数字电路与系统”层次化实验创新[J].高等工程教育研究，2021（3）：76-82.

[10]俞一彪，孙兵，芮贤义，等.数字信号处理多目标层次化实验方案设计与实践[J].实验室研究与探索，2022（6）：229-232.

[11]张德华，王旃，张伟.任务为导向的层次化教学设计——以太阳能路灯控制器为例[J].实验技术与管理，2022（2）：193-197.

（责任编辑：张宇平）

Exploration of Hierarchical Experimental Teaching of "Integrated Electronic Design" in the Context of New Engineering