“电子信息大类”第二课堂实践创新能力培养体系的构建
时间：2022-12-08 12:30:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
刘 涛，杨艺敏
1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林，541004；
2.桂林航天工业学院 电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004）
2017年2月教育部发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，以提升新时期工程人才培养质量。为此，培养造就多样化、创新型卓越工程科技人才作为全国高校的重点工作而被更多关注，相关领域也成为研究热点[1]。本研究从发明问题解决理论(TRIZ理论)出发，以电子电路类课程群为对象，对创新创业教育与电子电路类课程群教学案例建设中的融合问题进行研究，旨在构建“电子信息大类”第二课堂实践创新能力培养体系，从而提升人才培养质量。
1.1 TRIZ理论与电子电路类课程融合的必要性
TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文简称[3]。“电子信息大类”的专业基础课可以分为电子电路类课程、信号处理类课程、计算机控制类课程等，其中电子电路类课程具有理论高深和实践性强的特点，并且课程的实践环节占的学时较多，学习起来有一定的难度[4]。TRIZ理论总结了创新的规律和方法，能将创新教育理论与具体的课程实践教学环节相结合，因此，应用TRIZ理论对学生创新能力培养进行研究，这是探索开展创新教育的新途径，将极大地调动学生的学习积极性并提高学习质量和效率。
1.2 电子电路类课程教学模式陈旧
电子电路类专业的基础课有模电、数电、高频电子技术等，这几门课程都是包含理论学时和实验学时。目前，传统的教学模式，都是注重理论教学，实验课时较少，并且很多开设的实验基本上是以验证内容为主，综合设计的实验内容相对较少。虽然现在很多理论课的授课方式也进行改进，采用线上线下相结合的方式，但仍然存在理论与实际脱节问题，因为电子电路类专业基础课具有很强的理论性和实践性。为深化教学改革和适应创新型应用型本科人才培养目标要求，将电子设计竞赛和电子信息类专业基础课融合，创新课程的教学方法和教学内容，培养学生的工程素质和综合能力，还需进行不懈的改革与探索实践。
1.3 电子设计竞赛现状分析
以2020年广西区大学生电子设计竞赛为例，竞赛共分3个阶段：第1阶段为校内选拔赛，含10套赛题；
第2阶段为16省赛区联赛，共包含7套本科组赛题；
第3阶段包含一个题目，为封闭式综合测评，使用组委会提供的器件，设计并制作一个多波形发生器装置。这些题目主要涉及的方向有通信类、信号类、控制类和电源类。通过参加比赛很多学生体会到没有系统地掌握课程基本内容，当应用到设计项目时，才发现理论概念模糊不能将其转化为实践，使得设计缺乏系统性。
针对以上问题，以TRIZ理论为依据、以问题导向为出发点，结合专业创新创业教育和电子信息类课程群改革来推动第二课堂的实践创新能力培养体系建设。针对不同体系(TRIZ理论体系、电子电路类课程群体系、学科竞赛体系、创新创业体系)，充分融合电子竞赛和TRIZ理论与电子电路类课程群的关系，达到优化教学内容，改革教学方法，完善考核机制的目的，培养学生灵活运用电子电路知识去分析和解决新兴产业问题的能力。
本研究以TRIZ理论为基础，以电子电路类课程群为支撑，构建第二课堂实践创新能力培养体系，实施流程见图1。针对现有“电子信息大类”培养体系中存在重现场轻共享、重理论轻实践、重基础轻创新、重知识轻应用等问题，在电子电路类教学课程中依托现有的网络资源开放共享，创新课程内容，强化实践教学，将电子设计竞赛案例融入教学内容，提升创新能力，结合企业工程问题案例，提升学生的应用能力，打造电子电路类课程的共享平台。
图1 第二课堂实践创新能力培养体系的构建
构建第二课堂实践创新能力培养体系，要注重将竞赛中实际科学技术问题融入教学中，以保持教学中学科的前沿性、教学内容的前瞻性，以便学生能够更适应未来专业发展的需要，注重学生的实际动手能力指导，用实际工程问题的解决来增强学生的学习兴趣，以调动学生学习的积极性。
桂林电子科技大学作为广西赛区承办院校已有20余年，为了更好地推动竞赛长期有效进行，将TRIZ理论融入竞赛，推动广西电子竞赛线上线下混合式培训平台建设。
将TRIZ理论与竞赛融合对指导教师提出更高的要求：不仅要有过硬的专业能力、更广的知识面，还要对TRIZ理论有深入的研究和探索。因此，加强师资培训，成立以TRIZ创新方法为内核的竞赛指导团队，结合企业需求，完成竞赛赛题及企业真实项目案例难点问题的解决。
建立面向广西全区的TRIZ理论基础的公选课。授课内容以TRIZ解题流程为主线，采用自带课题的方式将TRIZ理论体系中算法、工具、发明原理等知识点融入因果分析、功能分析等求解过程中，以增强解决实际问题的能力。
漓江学堂SPOC共享平台将建立以竞赛方向“通信类”“信号类”“电源类”“控制类”为导向的自主学习平台及微课堂。课程采用的教学形式为课前慕课自主学习+漓江学堂平台提供的理论结合实践的课堂教学；
学校为学生提供教师团队自主研发的口袋实验板，方便课后自主学习；
教师团队通过线上平台对学生进行答疑，并定期进行集中性课程研讨课堂，优化教学内容和教学方法。面向拟参加本年度学科竞赛学生开放在线学习课程，进行模块化培训，指导教师团队根据学生的竞赛方向进行强化培训，要求参赛学生每学期能实现指定功能的硬件模块，并对其进行考核，从而选拨出优秀的种子选手。从提出问题到寻求解决方案，再结合电子设计竞赛平台和创新创业教育对电子电路类课程群进行课程整合重组，并以电子电路类课程群为支撑，构建并完善第二课堂实践教学创新能力培养体系，面向整个广西高校开放，对构筑“实践创新基础大平台”做出贡献。
4.1 “模拟电子技术”+“数字电子技术”+“高频电子技术”课程建设
在教学的全过程中引入TRIZ创新方法，采用FAST图解法绘制功能模型图进行授课，使创新方法得以实现，学生通过该方法的学习能与实际专业相对接，从而提升在专业课程学习过程中的创新能力。FAST 图解法的流程见图2。
图2 FAST图解法
将TRIZ理论引入现有的电子电路类课程中，都是为了提升学生的创新能力，这是一种有效的手段。高频电子技术、模拟电子技术和数字电子技术的课程结合电子设计竞赛，将TRIZ理论融合在一起进行课程建设。课程结合全国大学生电子设计竞赛的无线通信题目，对信号源类、控制类等内容进行课程建设。在授课过程中，将竞赛题目的设计指标和授课内容结合在一起进行讲解分析，并结合实际电路图进行设计。课后对学生进行分组，5人一组，自由组队，共同完成任课教师布置的相关学科竞赛题，并让学生进行硬件制作和课题答辩，由其他学生和教师共同考核，然后将这部分成绩作为平时成绩的一部分。
以数字电子电路为例详细讲解TRIZ理论的应用。2020年广西区大学生电子设计竞赛第3阶段综合测评试题，使用提供的NE555(1片)、单稳态触发器74LS123(1片)、四运放芯片LM324(1片)，以及电阻、电容、电位器、IN4148等进行设计。
学生领到任务后，按照任务单开始实施，任务实施清单见图3。学生首先分析赛题原理，需要先产生5 kHz方波，然后通过倍频器设计出10 kHz方波，对10 kHz方波经过滤波处理可以得到10 kHz正弦波，最后对正弦波经过波形变换可以得到余弦波。
其中基本实现步骤是“5 kHz方波”信号的产生。进一步，学生通过不断分析如何实现这个功能，不断问“为什么”“怎么实现”，最终确定5 kHz方波信号产生可以通过NE555电路构成的多谐振荡器来实现。2倍频器可以通过单稳态触发器74LS123来实现，滤波电路通过选择合适的电阻和电容来实现，波形变换通过LM324来实现。
图3 波形发生器设计实施流程
形成初步的设计方案后，指导教师对学生的方案进行评价修正，并让学生通过Multisum仿真软件进行仿真，调试正确后则可以进入最终的设计方案，并进行硬件设计。如果仿真指标不能满足条件，则对其进一步分析改进。
选择合适的TRIZ创新方法对存在的问题进行分析改进，例如学生在设计中经常出现的问题为NE555构成的多谐振荡器产生5 kHz方波的电阻R1、R2的阻值如何选取。硬件设计完成后，撰写报告和总结。
采用TRIZ创新方法对存在的问题进行分析，学生在设计波形变换电路过程中的难点为正弦波如何变换成余弦波，改变电阻及电容构成的移相网络即可实现波形的变换，但是要精确控制电阻电容的值将会带来困难，进一步引导学生根据所描述的技术冲突，提炼出工程参数，通过查冲突矩阵表得到解决该问题的方法。通过学生分析、教师引导得到可行性解决方案：采用运放积分电路生成正交信号，并解决题目中余弦信号的问题，通过工程实践设计帮助学生逐步了解自己的思维，克服思维惯性缺点，培养科学的应用能力。
根据总体目标，依托广西漓江学堂及中国大学MOOC建立网上竞赛学习平台，并将实验教学案例引入教学中。组建以竞赛为驱动的指导教师队伍，划分成“通信类”“信号类”“电源类”“控制类”4个方向，开展在线课程并建设线上竞赛培训平台。课题类型见表1。
表1 线上课程开展课题类型
从竞赛实施中提炼新的实验教学案例，再将教学案例融入实验教学中，强调从基础到提升再到实验案例改革。
以高频电子电路为例，2019年国赛赛题“双路语音同传的无线收发系统”，题目要求设计制作一个双路语音同传的无线收发系统，实现在一个信道上同时传输两路话音信号，载波频率为48.5 MHz。分析其赛题难点在于能够保证双路语音无线传输的前提下，当载波频率发生飘移后，能够正确解调出信号，结合课程进行分解，详见表2。
表2 竞赛驱动下的高频电子电路新型教学共享案例
以模拟电子电路为例，2019年国赛赛题“简易电路特性测试仪”，设计并制作一个简易电路特性测试仪。用来测量特定放大器电路的特性，进而判断该放大器由于元器件变化而引起故障或变化的原因。该测试仪仅有一个输入端口和一个输出端口与特定放大器电路连接如图4所示。分析其工作原理，该电路为模拟电子电路中经典的晶体三极管共射极基本放大电路，该课题硬件核心思路为利用外部其他电路。
图4 特定放大器电路与电路特性测试仪连接图
测量被测电路输入输出电阻、增益、幅频特性，程序核心为采用快速傅里叶变换(FFT)，获取正弦信号的幅值和相位。分析其赛题并结合课程进行分解，见表3。
表3 竞赛驱动下的模拟电子电路新型实验教学案例改革
以数字电子电路为例，2020年广西区大学生电子设计竞赛第3阶段综合测评试题，已提供的NE555(1片)、单稳态触发器74LS123(1片)、四运放芯片LM324(1片)，以及电阻、电容、电位器、IN4148等，制作完成如图5所示的波形功能。图5中各输出端负载电阻为20 KΩ，电源只能采用5 V单电源供电。
图5 波形发生器功能
分析赛题原理，需要产生5 kHz方波、10 kHz方波、10 kHz正弦波和10 kHz余弦波。结合数字逻辑电路中课程与实验教学进行分解，具体见表4。
表4 竞赛驱动下的数字逻辑电路新型教学案例改革
课题实施以后，以竞赛题目为方向，建立以电子竞赛为基础的模块化赛前训练视频库，特点是视频轻量级、易检索、组合自由。极大地方便学生自主学习，也为教师后续众多答疑减轻负担，同时也可有效补充目前这类较稀缺的大学资源。本研究使桂林电子科技大学“电子信息大类”每年约有1 000余人受益，为持续推进广西区大学生电子设计竞赛做出了贡献。此外，项目探索的共享资源特色建设和教学决策方式对于所有电类相关的基础课，如模电、数电、信号、高电等实验课程或其他线上线下混合课程都有很大的借鉴意义。
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