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第7章 工程应用型实践教学改革(2)

(三)适应时代发展需求,创新实验教学模式

1.以符合“学生为本”为创新的出发点和归属地

创建了与学分制相适应、适合学生自主学习与独立实践的实验教学新模式。

(1)建立适合学生自主学习的实验教学管理模式

按专业类别打通选课,学生可以自主选择实验课程、实验时间和指导教师,实现了实验分级教学;实验室实行集中与开放相结合的方式,解决增加综合性、设计性实验内容后所面临的“课时少、内容多”的矛盾,达到“少学时、多空间”的效果;在实验教学内容的改革上,加大了由验证型实验向开放型、研究创新型实验的转变力度。

(2)实施实验课程分类教学、独立设课

为提高实验课程在学生中的地位和重视程度,同时更好地适应学校学分制的深入贯彻实施,中心较早地提出了实验课程分类教学、独立设课的实施意见和办法,根据按类选择的原则将课程分为A、B、C三个档次,其中A类课程为独立设课的实验课程,单独计算学分。实验独立设课,不仅提高了学生的重视程度,也为学生选修、辅修、重修提供了极为便利的条件。

(3)引入先进的实验教学手段,培养学生创新实践能力

有计划、分层次地将现代实验技术引入到实验教学中。如数字逻辑电路实验,部分设计性实验采用了Altera的DE2开发板和最新版本的QuartusⅡ开发软件;模拟电子电路实验,学生在全数字化、网络化的“智能网络实验装置平台”上完成;在教学中,加强师生互动,鼓励学生以问题为切入点,通过实验过程培养自主学习、分析问题和解决问题的能力。

(4)采用多样化的教学方法,培养学生实践能力

中心针对不同层次的教学,设定了不同的教学目标。在实践技能训练层,强调学生对常用仪器使用、元器件识别以及基本电路安装调试和测试等技能的灵活应用;在基础提高实验层,重点加强学生对基本概念、基本原理和基本方法的掌握;在综合设计层和创新研学层,则以对学生知识的综合应用能力培养为重点,开拓学生的创新思维和创新能力,通过与大学生创新基地共同开展丰富的课外科技创新活动、吸收优秀学生参加教师的科研课题等手段,给学生留有发展个性、脱颖而出的空间。具体教学方法有:

教师现场授课+演示+辅导+考核

教师介绍10分钟+课堂互动讨论

项目任务+辅导+验收

课外自选项目(或科技制作)+分组辅导+竞赛

2.以适应“个性发展”为创新的前提和依据

根据“以人为本”的现代教育理念,2008年12月获准立项的“十一五”第四批广西新世纪教学改革工程“示范中心实验教学管理模式与创新研究”项目,在中心选择电路和数电实验室为试点,尝试教学法方法与模式的创新,取得了较好的成效。

以数字电路实验教学改革为例,该课程现行的实验教学方式有两种。一种方式以传统的硬件搭试为主,采用常规的TTL逻辑器件在面包板或相关实验箱上进行硬件连线搭试,辅之以相关的外围电路和器件,实现一定的数电逻辑功能。这种方式的优点在于,操作对象为实际的电子器件和线路,直观、易懂,能很好地激发学生的学习兴趣,增强学习信心,锻炼动手操作能力。缺点是,容易出现硬件接触不良、连线错误导致芯片烧毁、电源故障等一系列问题,对于实验管理、硬件及时间消耗等来说都是一种资源浪费,会导致学生实验课时得不到有效利用,影响实验的效率和效果。另一种方式以软件设计为主,借助计算机辅助设计软件(如EWB、Protel、Quartus、Multisim等)来进行数字电路的设计和仿真。这种方式的优点是符合电路设计的发展方向,易于设计、布线、修改和仿真实现。很多EDA软件,以“软”代“硬”,提供了丰富的元器件库和仪器仪表库,在实现电路功能时不需要实物仪器的配合使用,不会造成硬件资源和经济的浪费。缺点是,学生缺乏硬件概念,对实物元器件缺乏感性认识,实际电路调试、仪器设备的使用得不到很好的训练,不利于工程应用型人才的培养。

因此如何在有限的教学时间内,做到“软”、“硬”兼顾,最大限度地使学生掌握数字电路设计方法、锻炼实践应用能力,成为数字电路等相关课程实践教学改革中一个关键的问题。该实验室在多年的教学过程中,设计形成了一整套软硬结合、分阶段、分层次的实验教学方案。具体做法是:根据教学大纲要求,将实验环节分为基础性、进阶性和综合设计实验三个层次,教学进程也相应分为三个阶段,每个阶段采用不同的实验教学方法和手段,更好地实现阶段教学目标。

(1)基础性实验阶段

包括各种仪器设备的使用、组合逻辑电路典型芯片(如全加器、比较器、译码器等)的简单运用、门电路参数及逻辑功能测试等。这一阶段的教学,完全采用在实验箱中进行硬件搭接的方式,旨在使学生建立硬件概念,将课本上的符号与实际的元器件联系起来,认识课程研究的对象,熟练掌握典型芯片的基本特性和主要应用,养成良好而规范的布线习惯,掌握常见的故障排除方法,为以后的进阶学习打下扎实的基础。

(2)进阶性实验阶段

包括较为复杂的组合逻辑电路实验(如编码器—译码器—显示器综合实验)、时序电路实验(如各类触发器、移位寄存器)和脉冲电路实验。这一阶段的教学,主要包括以Multisim软件为辅的硬件电路实验。此阶段实验需要较多的导线连接、示波器等仪器的配合使用,以及多种频率的信号的应用。如果采用纯硬件调试的方法,对实验室的硬件设备有一定要求,在实验操作过程中,芯片和器件等也会有很多损耗。而EDA软件提供了丰富的元器件库、品种齐全的仪器仪表库等,在学生已有硬件概念的前提下,采用以软代硬、实验仿真的方式,达到事半功倍的效果。课前,学生根据布置的任务先进行设计,然后利用Multisim软件仿真调试,整个过程较之硬件电路实现更为简便快速、准确无误,使得学生充分把握设计的重点和难点,从而在课堂硬件实验过程中,做到有的放矢,避免了许多误操作,从而减少芯片损耗,提高电路的调试能力。

(3)综合设计性实验阶段

这一阶段实验主要是综合应用数字电路知识的教学,如数字钟、数字频率计、抢答器、交通灯控制电路等项目,采用软件仿真和硬件调试相结合的方式。首先,根据系统设计任务,分析出系统总体框图及各子功能模块的性能要求;其次,学生在Quartus软件平台上对各子功能模块进行设计调试,再连接各子模块,调试系统整体,仿真无误后,可下载到DE2硬件平台中进行硬件功能验证,通过修改电路结构和调整元器件参数,使系统结构更简化,功能更完善,可靠性更高;最后,将仿真实现的电路再进行硬件搭接调试。整个设计操作过程环环紧扣,一方面节省了大量的时间,最大限度地减少了损耗;另一方面可以进一步提高学生实际电路的调试能力。这种基于需求的教学,有一个物化成果能使学生更有成就感和自豪感,也能更深刻地理解电路设计的整个过程。所以,这一阶段采用“软硬结合”的方式能使实验教学过程更趋完善,使学生得到最大程度的锻炼。

二、机电综合工程训练中心

高等工程教育的根本目标是培养适应现代工程发展需要的未来工程师,工程训练是高等工程教育必不可少的重要环节,是一种以工程环境为背景,以工程内容为载体,以实际操作为手段,系统、全面的工程实践训练,具有其他课程不可替代的重要作用。机电综合工程训练中心承担着全校52个专业约4000多人的工程训练任务,是学校工程应用型人才培养的重要实践基地。中心坚持以培养学生工程实践能力和创新能力为教学指导思想,全力推进以光、机、电、控制、管理等多学科综合的工程实践教学;确立“以学生为本,树立工程意识,提高工程素质,培养工程能力,促进知识、素质、能力协调发展”的实践教学改革思路;以务实创新人才培养为目标,以工程实践能力培养为主线,构建多层次、多模块、递进式工程实践教学体系;面向全校各个专业、满足不同层次的不同需求,开展多样化的工程训练教育,不断改革创新工程训练模式,进而实现教学、科研、社会服务的相互交融与促进。中心的建设逐步实现“工程训练体系科学化,工程训练模式工程化,工程训练装备现代化,工程训练环境开放化,工程训练资源共享化”。

(一)工程训练体系科学化

经济的发展和现代工程的实践对工程技术人才的培养提出了更新、更高的要求。传统的金工实习和电子实习强调知识的再现、经验的传授、技能的训练,没有把产品的设计、制造、管理过程作为一项系统工程并围绕工程能力的培养构建培养体系,其培养目标单一,功能定位模糊,实习内容陈旧,训练结构离散,已经不能满足工程技术人才培养的需要。随着新技术、新产品、新工艺在工程实际中的大量应用,现代工程已成为由研究、开发、设计、制造、管理、营销等多环节构成的系统工程。社会工程实践迫切需要工程技术人员不仅具备扎实的理论知识,而且具备一定的工程实践能力、创新能力。这就要求工程教育改革必须变单一的知识传授为系统的实践教学。因此,基于“回归工程”的思想,立足“大工程”背景,构建培养目标明确、训练内容完善、科学而完整的工程训练教学体系,势在必行。中心建设中,探索以“工程设计—工程制造—工程管理”为主线,构建“工程认知—工艺实训—综合创新”三层次、多模块、递进式工程实践的课程体系,以满足不同学科不同专业工程技术人才培养的需要。

“工程认知”包括“金工认知实习”、“电子认知实习”,专门针对大学生工程知识不足的弱点。“金工认知实习”通过参观讲解、演示和亲自动手,使学生了解典型零件的材料、结构,典型机械的构造、运动原理,体会从原材料到产品的一般生产过程,认识先进制造的理念、模式和相关技术;“电子认知实习”通过收音机装配调试,对各种元器件及机电产品的电气原理、控制方法、功能有一个初步了解,从中得到体验,增加感性认识,激发学生的求知欲,为其后续课程的学习提供工程背景。

“工艺实训”以机械制造工艺技术和电子制造工艺技术为平台,对学生进行机械制造、电子技术和机电与工业控制等方面的基本训练,从产品的设计、仿真,产品的加工制造到产品的生产管理,使学生从系统的角度认知机械、电子工程领域的设计、制造、管理、创新等工程过程及其方法,完成面向工程形成过程和方法的基本训练,培养工程素质和创新精神。

“综合创新”是指在基础训练的基础上和学习了相关的理论课程以后,开设如“综合创新训练”、“工业机器人”、“机器人设计与制作”、“嵌入式系统设计”等课程,培养学生的大工程意识,同时培养其工程中的安全、环保、质量、成本、管理、经济、市场、法规等意识,培养学生的工程素质。开展“电子设计大赛”、“机器人大赛”等各种学科竞赛,给学生提供在实践中综合运用各种知识、将知识转化为能力、培养工程素质的机会。

(二)工程训练模式工程化

现代工程训练以“知识综合化、技术前沿化、训练工程化”为工程实践方向,在校内模拟的“真实的工程环境”中,中心以承担的广西教改工程项目“以培养学生工程实践能力和创新精神为目标的金工教学改革”的研究与探索为基础,改变常规金工实习按部就班的教学模式和千篇一律的教学内容,突出“以工艺为主线,以工程实践能力和创新能力培养为核心”的教学思想,按照“金属)工艺设计+零件制造一条龙”的思路,让学生在掌握基本操作技能后,自主设计零件、编制加工工艺,并按工艺进行加工制作,直到出成品。把“想”(设计工艺)和“做”(制造)有机结合地起来,把单个工种、工序通过工艺综合这条主线连接起来,形成了“工艺设计与零件制造相结合”的金工实习模式,简称“工艺实训”,实现了从重操作训练到重工程能力培养的转变,从指定工艺路线要求学生“按部就班”操作到学生自行进行“工艺设计+制造”的转变,从单一工种训练到多工种、光机电综合训练的转变。

电子工程实习做到了“实习内容专业化、模块化,实习过程工程化、准企业化,实习方式团队化、开放化”。实习内容改变了以往所有专业都做“黑白电视机装配调试”的状况,不同专业设计不同的实习内容,通信工程专业基于微波发射系统,电子信息类专业基于液晶电视、数字电视,计算机类专业基于机器人,机械类专业基于PLC机床控制系统。逐步探索与企业合作,以企业的产品模块作为实习内容,模拟企业生产过程:电子产品设计→PCB制版→装配(含工艺设计)→调试→质检→老化试验,并按企业产品工艺要求和质检标准,规范实习过程,全程强化学生的工程意识和工程实践能力的培养。

(三)工程训练装备现代化

围绕学生工程素质的培养、工程训练的内涵发展,工程训练中心必须加强现代工程装备的建设。设备条件是工程素质培养的物质基础,引进代表技术发展前沿的现代设备,建设与现代工业同步、以先进技术为代表的现代化工程训练平台,是中心硬件建设的指导思想。中心依照“工程设计—工程制造—工程管理”的主线,不仅完善车、铣、刨、磨、钳、铸、压、热处理和焊等传统机械工程训练所需的制造设备,而且多方筹措资金,加大训练中心现代化加工设备的建设力度,购置了数控车、数控铣、加工中心、激光雕刻机、快速成型机、电火花线切割、电火花成型等先进加工制造设备,向现代化工厂、车间靠拢。同时,引进CAXA制造工程师、CAXA数控车、CAXA线切割等CAD/CAM软件,配备了高性能的计算机并建立了内部无线局域网络,构筑先进制造技术实验平台,拟打造一个现代制造业企业的数字化工厂,把现代化先进制造企业的生产流程与生产管理搬入课堂,使学生在校内得到企业“真实工程环境”下的“准”工程训练。

(四)工程训练环境开放化

为了适应学分制下学生自主选课的要求,推行“集中+开放”式的实习教学模式,满足学生自主实践的需要,同时也激发了学生的实习兴趣。在实施创新设计性实习教学计划时,根据学生的不同专长和兴趣,选择不同的技能训练单元,进一步拓展学生的实践能力和创新能力的渠道。大学生创新实践基地、电子设计训练基地和机器人研发中心面向全校学生全天候开放,使学生能够充分利用课余时间,到那里去进行各种设计制作创新训练,打破院系和专业的界限,自由组合,组建创新团队,一起研究与开发,为本科生之间的多学科融合与交流提供了平台,不仅培养和锻炼学生们的创新意识和能力,同时增强了团队意识和协作精神。

(五)工程训练资源共享化

工程训练中心通过近几年的大力建设,教学资源(包括师资、设备、环境等)大大加强。按照“资源共享”的原则,学校将相关院系相同相似的教学设备进行了整合,集中投入,共同管理,共同使用,节省了经费,使教学水平的先进性上了一个新的台阶,同时提高了设备的利用率。工程训练中心面向全校所有专业的学生开展工程训练,除完成教务处下达的实习和实验教学任务外,还承接了相关院系课程设计、生产实习、毕业实习、教学实验等多项教学任务,以及为学生的课外科技制作、各种比赛提供开放的环境。面向所有教师,利用自身的技术力量和设备为教师的教学和科研服务,加工制作实验装置、试件,进行工艺实验等。

资源共享除了校内开放共享外,还辐射到周边高校。另外,随着东盟经济一体化的推进,与东盟国家交往的频繁,还迎来越南、泰国等国高校学生的实习。

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