電子實驗室創建與監管方法范文
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21世紀是知識經濟的新時代,我國高等教育面臨著人才培養模式的挑戰。只有加強創新教育,培養具有創新意識、創新精神、創新能力的高素質人才,才能實現科教興國的戰略目標,才能適應社會經濟與科技發展的需要[1]。由于企業的改制,高校學生的規模不斷擴大,社會提供給學生實習的機會卻越來越少,尋求在企業進行實習的難度越來越大,一年一度的學生實習越來越趨向形式化。據電子英才網的一份調查報告顯示,當前中國IT企業最缺乏的兩類人才是高端技術人才和復合型工程人才。高端技術人才是指掌握前沿技術或者具備綜合素質的人才;復合型工程人才是指既懂技術又懂管理,或者既有很強的技術背景又具有敏銳市場意識的人才。在通訊行業,無線數據應用開發的人才和網絡優化工程師將成為近年的熱門人才。在研發領域,軟硬件知識結合的綜合型人才是最受歡迎的,很多公司的主設計師就是硬件工程師在進修軟件設計后成長起來的復合型人才。企業對電子學科畢業生的要求也愈來愈高,不僅要求他們具備較扎實的理論功底,更要求他們具備常用軟、硬件的應用與實際開發能力,能在激烈的市場競爭中發揮重要作用。
然而目前高校畢業生表現出的實踐動手能力與用人單位要求存在較大差距,這種矛盾推動著高校教學模式的改革。這種改革必須以社會需求為導向,以專業技術應用能力和專業素質培養為主線,以優化專業教學內容和課程體系為重點,加強專業教材建設、教師隊伍建設和實踐教學基地建設,逐步形成特色鮮明的學校辦學模式[2],通過理論和實踐相結合,把學生培養成有扎實的專業知識、熟練的實踐能力,能夠適應電子、機電行業中各種技術崗位的創新應用型技術人才。創新的源頭在于實踐。各個高校需要努力創造條件,建設創新實驗室,使學生能有更多的實驗機會、更多的實驗空間。近年來,浙江大學、南京理工大學、清華大學、華南理工大學等知名高校投入數百萬資金建設“電子設計創新實驗室”即是這種改革的一種嘗試。創新性實驗教學是我國教育改革發展史上一個新的里程碑,也是當今創新教育領域的一個新亮點。地處邊遠少數民族地區的興義民族師范學院,是一所以師范教育為主,適當拓寬非師范專業的綜合性學院。為了提高學生的綜合素質和實踐能力,在經費嚴重不足的情況下,學院利用現有的實驗室條件和師資力量,把培養學生工程應用能力、實踐動手能力、分析解決實際問題能力落到實處。學院物理與電子科學系通過探索與實踐,按教師主導、學生自主、完全開放的模式進行了電子創新實驗室的建設,為學生提供基本功訓練和軟硬件自主實踐的條件,使學生在校期間能夠不間斷地獲得創新實踐的鍛煉。
2電子設計創新實驗室建設方案
2.1建設宗旨
創新實驗室建設旨在培養學生的獨立動手能力、綜合分析問題并解決問題的能力、信息的收集和整理能力、團結協作能力和創造性思維能力。電子設計創新實驗室的建設要符合綜合性、新穎性、實用性的原則,實驗設備既要能完成單一性質的實驗,更要能夠滿足電子類的綜合性、設計性實驗項目的要求。創新實驗室是自主性實驗室,學生可以自己提出設計及實現方案,充分調動學生自主實驗的積極性和創新性[3]。
2.2建設目標
電子設計創新實驗室的建設,目的在于培養學生的工程實踐能力,為他們的就業、創業打下堅實的基礎。電子設計創新實驗室的功能包括4方面,分別滿足不同階段、不同層次、不同對象、不同目的的實驗需求。(1)電子工藝實踐。不僅要將電子工藝實踐基地建成一個基礎性教學實習基地,而且要建成一個“學研產”一體化的新型實踐教學聯合體。電子實訓重點是學生動手能力訓練和基礎電子工藝方面,結合電子產品的工藝設計和生產制造進行教學。電子工藝實習以學生自己動手、掌握一定操作技能并定做幾種實用產品為特色,將基本技能訓練、基礎工藝知識和創新啟蒙有機結合,為學生的實踐能力與創新能力構筑一個基礎扎實而又充滿活力的實踐平臺。電子工藝實訓包括手工焊接和裝配為主的基本操作技能、電子元器件及其互連為主的工藝知識以及電路板設計制作的能力。(2)電子創新設計。滿足電子競賽、畢業設計、教師科研、教師培訓的需要。創新實驗室對全校師生開放,為全校師生提供電子制作服務,并組織學生開展電子競賽等課外科技活動。(3)最新技術實訓。滿足“精英培養”中對實際工程中最新技術的學習需要。對于普通學生而言,“最新技術實訓”以擴大視野為目的,使學生了解電子技術發展動態及前沿水平。(4)電子產品設計實踐。以電子產品生產為工程背景,通過實踐使學生學到電子產品的工藝設計知識,并通過實際制作電子產品,使學生了解電子產品制造過程、熟悉電子產品制造工藝,掌握制作電子產品的一些基本技能,為進一步學習和應用奠定基礎。
2.3硬件建設
從電子創新設計流程(見圖1)看出,電子設計創新實驗室所配置的設備和儀器要能滿足電子類綜合實驗、嵌入式系統的設計開發實驗的要求。為了建設電子設計創新實驗室,學校提供了250m2實驗室專用房,實驗室配置的實驗設備、工具主要分為以下幾類:(1)公用實驗測試臺。用電源、信號發生器、示波器、虛擬邏輯分析儀等專用測試儀器建成一個公用實驗臺,以供設計制作測試用。(2)萬用表及常用工具。配置了許多萬用表及工具,保證每位學生都能借用1套,可一直用到畢業時歸還。(3)軟件訓練和電路仿真實驗設備。利用計算機中心更新換下來的40臺計算機,組建一個網絡化的軟件實驗室,精心挑選了各類應用軟件放在服務器上,還配置了EDA開發系統、DSP開發系統、單片機開發系統等供學生下載使用。(4)硬件實驗。主要是采用凌陽SPCE061A精簡板套件組裝單片機。此板套件價格便宜,由學生自購,教師指導組裝。裝配過程對學生識別硬件以及學習焊接技術也是一次很好的實踐。為了提高學生的硬件知識水平,還配置了DSP學習板、ARM學習板、AVR學習板、USB學習板和可編程邏輯器件學習板,指導學生自制一些模塊(如LED燈模塊)。(5)PCB板加工實驗室。購置了一套東明DM2100B型制板系統,該系統具有制板精度高、成本低、速度快等特點,是一款價格低、性能可靠的制板設備,特別適合實驗室開發用。(6)常用電子元器件。購置了一批電阻、電容、電感、三極管、二極管等常用元器件,對這些低值易耗品,實驗室無償提供或僅收取部分成本費。
3電子設計創新實驗室的教學管理
創新實驗室的教學注重開放和創新,通過綜合性、設計性實驗,引導學生獨立思考、大膽動手,實行做錯無過、成功有獎的激勵機制來充分激發學生的主動性和創造性,給學生以充分施展個人才能的空間。創新設計就是讓學生綜合運用所學知識,進行系統分析、調試儀器、排除故障,在實驗過程中不斷總結積累經驗。通過創新設計活動,培養學生實事求是的科學態度、一絲不茍的嚴謹作風以及面對失敗和挫折勇于進取的精神,有利于學生綜合素質及創新能力的培養。開放性實驗中,學生會提出各種各樣的問題,涉及許多新理論、新知識,如設計方案、儀器設備配套、器件選擇、實驗步驟以及實驗數據的處理方案等,這些都要求實驗指導教師學習掌握更多的知識和工程實踐經驗,以適應電子創新設計實驗的要求。更為重要的是實驗指導教師應有敏銳的觀察力和科學的判斷力,能夠抓住學生的創新思維并給予支持和鼓勵,有指導地讓學生自己去做、去探索,為今后的創新打下基礎[4]。
3.1開放性管理
為了把電子設計實驗室建設成培養學生創新與科研能力的基地,給學生提供一個將理論運用到實踐中去的舞臺,我們采用了開放性的管理模式,不僅是時間和空間上的開放,更是教學內容和教學方式的開放[5-6]。實驗室開放給實驗室管理增加了許多困難,特別是增加了教師的工作量。我們提倡讓學生自我管理,這就要求:(1)進實驗室的學生對所使用的設備儀器編號進行登記注冊,自己維護、管理;(2)高年級學生帶低年級學生,并幫助低年級學生制定學習計劃;(3)選取兩名高年級學生作為室長,主要負責整個實驗室硬件管理與調配、網絡資源維護;(4)教師隨時檢查實驗室的運行情況,解決實驗室存在的一些問題。這樣不但減輕了教師的工作量,也讓學生增強了自我管理的意識。
3.2教學目標管理
電子設計創新實驗室的教學目的在于提高學生的工程實踐能力,真實地進行作品創作。為此,凡是進入創新實驗室的學生都要經過以下幾個層次的訓練:(1)單片機編程訓練。要求學生熟練掌握單片機的編程技巧,為嵌入式系統的設計開發打好基礎。訓練方式是:把單片機開發板和一些模塊發給學生,由教師指定要實現的功能和完成時間,由學生自己編程。對不能實現指定功能的,由學生向學習組介紹思路(教師參加),大家討論并給予幫助。(2)電路仿真軟件的使用。這項訓練主要要求學生熟練掌握1~2個仿真軟件的使用(如multisim、TI-NA),利用這些軟件來畫原理圖,并對原理圖進行仿真模擬,以檢驗自己的設計是否正確。(3)PCB板的設計制作。學生用計算機把電路原理圖繪制成線路板圖,是實現電子設計制作的關鍵,PCB板圖設計與PCB板的制作尤為重要。通過這樣的訓練,讓學生熟練掌握EDA技術、制板機的使用以及制版工藝流程,為今后的電子設計制作和產品開發打下更好的基礎。(4)工程項目的設計訓練。主要訓練學生如何完成科研項目的申報。首先,由教師給定一些題目,學生以3人為一組自由選題,各組根據選定的題目完成項目申報表。然后,學生把設計方案做成PPT文件,在實驗室做演示講解(答辯),由各小組交流討論,最后提交給評審組評審。申報的項目通過評審后,由小組完成自己的設計方案,以成品評定成績。(5)電子設計競賽的賽前訓練。電子設計競賽要求學生按規定提出設計方案,選擇器件、設計電路、調試電路、編寫調試程序并進行指標測試,需要學生綜合運用模擬電路、數字電路、單片機、接口技術、傳感技術、計算機控制、電子測量等課程的知識,也需要使用多種儀器設備,運用多種軟件工具[7]。這對于大多數學生來說,盡管在專業知識上沒有太大的問題,但完成電子設計競賽題目,還是有不小難度的。電子設計競賽的題目是完整的工程項目,需要完整地體現理論和實踐的結合,是對學生工程實踐能力、創新能力的一次考驗。賽前訓練可以幫學生理清思路、明確重點、把握方向,即面對參賽題目知道該做什么,該怎么做,使他們能夠把學習效果轉化為學習成果。電子設計創新實驗室的教學模式以開放性實驗為主,學生利用空余時間到實驗室自主學習,高年級學生幫助低年級學生。學生經過以上幾個目標的訓練,基本具備產品開發能力,為培養合格人才和學生參加電子設計競賽奠定了基礎。
3.3師資隊伍建設措施
建立一支結構合理、素質優良、精干高效的實驗指導教師隊伍是創新實驗室建設與管理的關鍵,是提高實驗教學質量,實現創新實驗室建設目標的根本保證[8-9]。由于創新實驗室與傳統實驗室的教學模式不同,創新實驗是自主性、開放性實驗,每個學生或每個項目組提出的問題均有不同,這對指導教師的知識面以及學術水平、工程實踐經驗提出了更高的要求,迫使他們提高自己,更好地指導學生的創新實驗。要充分發揮設計創新實驗室的功能,就要采取有力措施,調動實驗教學人員開展實驗技術和實驗方法研究的積極性、設備功能開發和設備研制的積極性。學院采取了若干激勵措施:(1)設立教師“實驗技術成果獎”,使優秀的實驗技術成果在提高學生動手能力和創新意識方面,在科學研究工作中發揮重要作用;(2)設立“學生創作成果獎”,如果學生或項目組設計制作的作品獲得國家級、省級表彰的,給予指導教師一定的獎勵;(3)發放課時津貼,凡教師指導10名學生或3個課題組并按計劃完成任務的,每學期給予36學時的課時津貼,記入教師業務檔案;(4)設立“獎教獎學基金”,每學年進行總結評比,對表現突出的教師和學生給予一定的物質獎勵,以鼓勵教師、學生進行創新實驗。
3.4學生能力的考核
創新設計實驗室建立的初衷是要創造條件,調動學生參與的積極性,但是如果沒有適當的激勵機制和改革措施,不考慮作為實驗主體的學生的因素,就很難調動學生參與的積極性。因此,學院把“電子創新設計”作為全校性的選修課,規定凡參加電子設計創新實驗室目標訓練的學生,經考核合格后給予5學分;參加課題設計的學生,如果所申請的項目經過評審后獲得批準,給予2學分,如果按項目計劃完成任務的再給予3學分;若項目具有較大的創新性,獎勵5學分。電子設計創新實驗的方案多種多樣,實驗結果因方案的不同而不同,因此不能只從結果給予考核,而需要從實驗方案的合理性、實驗方法的正確性、成果是否達到預期功能要求等多個方面考核。因此要求指導教師對各個實驗方案和實驗過程進行評判,綜合考查各個實驗環節后作出成績評價。
3.5實施網絡化管理
創新實驗室面對的是全校學生,既有高年級學生,也有低年級學生,學生的專業也不同,使學生管理、教學管理、實驗室管理等變得復雜,如果不使用現代化管理手段,很難維持教學秩序。利用校園網建立專門的網站,可以把創新實驗室的計算機用網絡聯接在一起,把各種軟件、資料、實驗成果等資源放在服務器上,建立完整的開放和創新設計實驗項目管理程序[10]。每學年初在網上公布開放和創新設計課題信息,學生可以利用終端,根據自身情況選擇參加開放和創新實驗項目,或自行申請到創新實驗室開展自己提出的項目,實施網上報名和錄取,根據預約情況安排指導教師等。
4結束語
通過電子設計創新實驗室的教學目標訓練,有效地培養了學生的創新能力和工程實踐能力,同時也提升了他們自身的素質。這幾年來,申請到電子設計創新實驗室做實驗的學生越來越多,實驗室可選擇的范圍越來越大。經過2~3年的培養訓練,優秀的學生可以通過電子設計競賽這個平臺脫穎而出,并影響更多的學生參與到電子設計創新實驗室中來。經過電子設計創新實驗室訓練的學生均具備電子設計、產品開發的基本能力,許多學生被珠江三角洲地區的電子生產企業高薪招聘為電子設計工程師。可以看到,以培養學生創新精神和工程實踐能力為目標的創新實驗室的建設和創新實驗室的使用,在培養學生綜合素質和創新能力,以適應經濟發展和科技進步等方面將發揮更加重要的作用。
