以先进理念为导向建设多功能、开放型实验教学大平台——访哈尔滨工程大学电工电子实验教学中心主任赵旦峰教授

哈尔滨工程大学电工电子实验教学示范中心赵旦峰主任

     明确的实验室开放理念推进软环境建设

    1.实验室管理与开放运行

    从原则上讲，实验室开放有2种方式，其一是“计划内开放”，通常是在计划学时内学生自由选择实验时段与实验项目，适于模电、数电等大批量、多班次的基础和技术基础实验课程，实验内容受教学大纲的限制，需要网上预约选课，可视为一种半开放的模式；其二是“计划外开放”，这是一种实验内容、时间、器材完全开放的模式，无需网上预约，可随时进入实验室，适于学生科技创新。事实上，学生科技创新是一种“超纲”的学习活动，学生有较大的自由度去做项目，对实验室开放提出了较高的要求，在管理模式上赋予新的内涵，完全开放实验室如同图书馆那样运行，自早8:00一直开放到晚10:00，不受课程、时间、内容的限制，支持“自助式”的实验项目，无偿向学生提供机位等资源，形成了多层次全方位的开放格局(图1、图2为反映实验室开放情况的照片)。

    实验教学平台必须开放运行才能发挥效益，这不仅需要较多的教育经费支持，还需要教师付出辛勤劳动，因此实验室开放是高校教学改革中的难点，涉及教师的积极性、工作量与政策等诸多问题。

    开放带来教师工作量加大的问题可通过以下方式解决：一是采取门禁管理，划卡进门，这种方式使完全开放受限；二是实验室教师采用坐班轮休制，如电子综合实验室面向30个班开设32学时的实验，采取开放式教学，该课程组的教师轮流值班制指导学生；三是日常管理工作聘用社会有经验的人员来承担，校人事处为我们聘用2位退休技工，他们在校区居住，家庭负担轻，聘用效果好；四是聘用勤工助学的学生，校学生处给我们10个勤工助学指标，协助教师管理实验室；五是将创新实验室交给学生社团管理，把实验室的钥匙交给学生，让他们开门、关门，实验室的设备、安全、卫生也让他们参与，这同时也产生了对学生的约束，既减轻了教师的负担，也培养了学生的责任心与管理能力，构建了和谐的师生关系；六是独辟“课外导师制”活动专区，将热心于指导学生科技创新的教师组织起来，利用课余时间义务指导学生实践。通过多元化的用人机制来减轻实验室开放压力。

    中心具有明确的实验室开放理念与运行机制，有丰富的实验室开放管理经验，有热心于实验室开放与奉献精神的教师，为开放实验室奠定了基础。

    2.“渐进式”实践类课程群建设

    哈尔滨工程大学国家级电工电子实验教学中心搭建了科技动手实践类公共选修课程平台，以图书馆的管理模式开放运行；开设了8门“渐进式”实践类特色课程，此类课程覆盖学生大学一年级到大学三年级，这些课程采取降低门槛、兴趣引导入门的思路，通过课程牵引，使更多的学生通过科技实践类通识教育选修课程了解和走进科学技术领域(见表1)。

    (1)创新性：具有明确的教学改革理念。以充分调动学生科技创新兴趣为切入点，以开展“渐进式”实践类特色系列课程为主线，以提升学生创新实践能力并取得高端赛事成果为目标，推出了“学生科技创新与实践类公共选修课程相结合”“实践类公共选修课与竞赛相结合”的电子信息类实践教学新理念，以渐进式实践类特色系列课程引领学生科技创新实践的方向。

    (2)先进性：开创了“渐进式”实践类系列特色课程研究与实践的先例，以“渐进式”实践类特色系列课程引领学生科技创新实践方向的思路尚未见到。

    (3)共享性：实践类系列特色课程推动了实验室建设，学校国家级实验教学示范中心新建了无线电测向实验室、业余电台实验室、控制模型实验室等7门课程的配套实验室，而实验室建设又促进了课程建设，形成良性互动的局面。

    (4)实用性：提出了“渐进式”实践类特色系列课程基本模型，树立以学生为主体，鼓励个性特长发展，寓传授知识、培养能力、提高素质为一体的实验教学观念，针对课程教学体系、管理模式、运行机制、建设目标、教学实施效果等一系列实际问题进行研究与实践。课程体系共由9门课程组成，覆盖大一至大三学年。

    (5)标志性：实践类公共选修课与竞赛相结合，是教学改革成功的经验。结合课程举办各类校级竞赛，承办省级竞赛，并在多项国家级竞赛中夺魁。哈尔滨工程大学集体业余电台刚刚获得国家“希望号”卫星东北地区惟一的监测认定单位。

    3.“进阶式”电子电路综合设计实验建设

    电工电子实验教学中心将原有的电工电子类系列实验课程进行整改，提出了电工电子综合进阶实验新模式，在培养学生实践能力方面强调“以基本实验技能为基础，以独立设计能力为中心，以切实提高实践能力为目标”。

    电子电路综合实验涵盖了电路、模拟、数字、高频、单片机等多学科的知识内容，这与常见的单学科课程设计有明显区别，是多类别知识的综合融会应用，首次明确提出综合实验就是小型毕业设计的实验标准，是学生毕业设计的预演，也是我校实验教学改革的一次新的尝试。该综合实验从信号处理、信号检测、信号传输、可编程器件的应用、单片机程控、机电控制等多方面构建与工程实际接轨的电子电路综合实验的核心选题，选题强调系统整体性，知识综合应用性，学生可根据自身能力水平进行网上预约选择实验题目，实现学生自主查阅文献资料、设计电路、拟定实验方案、选择实验仪器、确定测量方法，完成给定的设计任务。同时鼓励学生自己拟定有工程使用背景的实验选题来实施综合实验。

    综合设计实验历时一学期，分为5个环节：咨询与选题、查阅文献资料、设计研究方法路线、在开放实验室进行实验、总结报告提交与答辩。每个学生可以从30余个综合设计题目中选择其一或自拟题目进行。实验中心采用课内实验开放与课外学生自主研讨开放(全面开放实验环境)相结合的实验开放新模式，并有课程组教师全程随时指导答疑。

    电工电子综合设计实验面向全校工科类12个专业进行，每届约1000人，每年有几十个不断更迭的综合实验选题供学生网上选择或学生自拟题目。

    “三化”建设理念拓展学生科技创新活动

    引导学生尽早参加课外科技活动，在培养学生的实践能力和创新思维方面，具有重要的作用，也是培养和提高学生综合素质的重要途径。中心在推动大学生课外科技活动方面的建设思路是：以学校“可靠、顶用、创新”人才的总目标为导向，通过创新人才和创新团队的吸引和培育，通过体制和机制的改革和完善，通过科技创新平台和系列创新实践课程建设，推动大学生科技原始创新和拓展创新。

    根据学校“以增量带动存量”建设思路，发挥学生科技创新实践平台资源共享的优势，整合实验环境，盘活教育资源，能调剂扩大的实验营具与设备使用效率，以提高设备利用率，节约建设经费。采取“打通共建”“捆绑式”建设方案，为学生从事科技创新活动提供多功能实践平台。其功能：为实践类公选课提供实验环境；为电子类学科赛事提供条件；开展个性化培养，支持学生题目自拟、方案自选的“自助式”实验项目。平台采取借鉴图书馆的管理模式，面向全校学生开放，无偿向学生提供教学资源(机位、指导教师、器材)。

    通过“目的—目标化，目标—操作化，活动—系统化”的“三化”建设理念推进大学生科技创新活动开展。

    1.目的—目标化

    建设目标：强化内涵建设，树立精英意识，构建特色平台，注重能力培养。

    (1)强化内涵建设：配合学校内涵式发展的需要，整合优化资源，构建创新型人才培养体系，完善科技创新教师队伍建设，完善学生科技创新素质培养的三级导向方案，推进大学生科技创新实践平台建设。

    (2)树立精英意识：以树立精英，彰显特色、勇立潮头为发展意识，全面推进素质教育，培养大学生的实践科研能力和创新精神。

    (3)构建特色平台：建立研究型大学发展目标下的大学生科技创新实践平台，突出综合性、交叉性和集成性，创造有利于大学生创新精神、实践能力培养的良好机制与环境，为学校的人才培养提供高质量的服务。

    (4)注重能力培养：以抓能力培养为线索，以整合资源、形成合力为重点，为大学生提供科研和创业训练的机会，使大学生接触学科前沿，明晰学科发展动态，培养大学生的独立性、合作精神、创新精神、应用知识和自我学习需要的能力，培养优秀创新团队在各项高端赛事中取得佳绩，推荐更多的学生通过科技创新成果免试攻读研究生，培养更多素质高、基础牢、创新强的可靠、顶用人才。

    2.目标—操作化

    实现上述目标，需要解决好大学生科技创新实践平台建立过程中面临的2个现实问题：一是如何激发大学生的科技创新兴趣，如何让学生“走进平台”的问题；二是如何将平台创新实践课程与学生所学的专业知识有机结合，如何让学生“用好平台”的问题。

    针对2个现实问题，在操作层面的建设思路是：兴趣引入、实践融合、拓展提高。为切实发挥创新实践平台综合性、交叉性、集成性，我们在过程培养中引入3步导向方案：

    第一步：实践入门。开展“电子技术工程素质(遥控模型)实践基础讲座”及渐进式特色创新实践课程系列模块化训练，重点针对电子(模型)方面的工程训练，使学生掌握元器件的辨识、使用，以及一些基本电子设备的安装、调试、测试方法等基本技能，建立学生对创新实践的初步感性认识。

    第二步：实践导向。通过“电子创新(遥控模型)导论”课程，邀请相关院系教师进行讲座，介绍其所在学术团队的研究内容、就业前景、学生参与其科研工作所需修读课程等，以及在中心网站上发布平台课程导论，有助于让学生明确自己的发展方向与提前做好参与教师科研工作的准备。

    第三步：实践融合。通过渐进式特色课程实训，结合部分融合单片机、DSP、FPGA、嵌入式等设计技术的实践课题，一方面让学生有机会接触并亲身实践科研课题，另一方面有助于理论联系实际，实现学生对前期掌握的各种专业知识的融会贯通。至此，学生无论日后读研或工作，均能有明确的发展方向。

    3.活动—系统化

    (1)大学生科技创新实践硬件平台

    按照兴趣引入、实践融合、拓展提高的构建思路，对大学生科技创新实践硬件平台进行整体筹划，系统建设，使其成为全校规模最大、运行效率最高的学生科技创新环境，具有多功能平台的特色，其规模、设备、管理将达到国内领先水平(如图3所示)。

    ①兴趣引入：主要解决让学生“走进平台”的问题，以激发创新兴趣、培养学生动手习惯为教学目标，以探究方法指导为教学模式，以渐进式实践类特色系列课程为教学方法，着力培养学生的创新精神和实际操作能力。渐进式特色课程具有较强的趣味性，内容涉及电子、机械、自控、通信、计算机技术、外语、手工制作，通过课程的学习、训练，让兴趣带领学生走进科技创新世界。

    ②实践融合：主要解决知识通过实践转化为能力的问题，以培养创新意识，提高创新能力为教学目标，以创新技能指导为教学模式，以课外导师制为主要教学方法，注重融入创新能力培养与科研训练相结合，课内理论教学与课外实践相结合，导师队伍建设与班主任工作相结合的教育理念，为利用课外时间从事创新实践并具有一定实践基础的学生提供一对一的导师指导环境，满足学生发展科学研究能力的需求。

    ③拓展提高：主要推动大学生科技创新能力的升级，提高大学生科技创新的层次，该阶段以确立创新目标，培养综合素质为教学目标，教学模式以自主研究创新为主，拓展学科课程间整合，让学生参与教师科研课题及高端赛事，逐步使学生关注高端、参与高端、引领高端。

    (2)大学生科技创新实践软件平台

    软件平台包括理念、运行机制、师资队伍、学生社团建设、教材建设等要素。

    ①学生科技创新平台借鉴图书馆的管理模式，支持学生题目自拟，方案自选的实验项目，每天8:00～22:00面向全校学生开放，学生可随时进入实验室从事实验活动，科技创新平台在经费、场地、实验仪器等方面给予积极的支持，扩大学生的受益面，因此硬件平台实现了时间、内容上的完全开放。

    ②确立推进学生科技创新工作的指导思想、工作方法、工作制度、学生考核制度；建立学生课外创新活动成效的评价体系。例如对学生课外实践效果进行评价，对教师的指导效果进行评价，对学生团队竞赛获奖、保研进行评价。

    ③在师资队伍建设方面，重点推出“课外导师制”，建立一支业务水平精湛、勇于奉献、深受学生爱戴的，以资深教授为主导、以高技能型人才为骨干，青年教师加盟学生指导团队，吸收优秀学生作为导师的助手。以开放式咨询、学生与指导教师见面会、指导教师召开学术研讨会等形式推进学生科技创新活动。

    ④支持学生社团“E唯”协会(全国百优社团、雅虎超级社团)，是推进学生科技创新活动的重要举措。科技创新平台作为“E唯”协会的依托和支持，“E唯”协会成为学生电子科技活动的俱乐部。在具体实施上，“电子创新设计实验室”“控制模型创新实验室”的开放更为灵活，将用于开放的房间交给“E唯”协会管理，每天都能随时开放。

    平台建设取得进展，创新人才大量涌现，创新能力大幅提升，每年累计2000余名学生通过大学生科技创新实践平台接受科技训练，电子制作，实验教学，科技竞赛等创新能力提升环节，形成了学生积极参与、科技创新浓厚的实验室文化。

    结合国家级电工电子实验教学中心集中建设、统一管理、提高效率、全面开放、资源共享的优势资源，依托“三化结合”，着眼“三步导向”，拓展学科课程间整合，助推创新实践“平台”建设。目前“平台”下已开放20余个实验室，共计5000余平米的活动场地供学生科技创新使用。

    大学生科技创新实践平台的构建和完善，将极大地推动学校、学院学生科技创新工作的有效开展，同时为学校教育教学改革中创新人才培养工作提供一种新的思路、新的方法。

    4.近3年科技创新成绩

    近3年来，大学生实践过程培养、强势团队打造、科技竞赛输出以及平台载体建设等方面均取得了一定的标志成果。主要包括：

    (1)2008年黑龙江省大学生电子设计竞赛，中心组织了86支参赛队参赛，有23支队伍获省级奖，其中一等奖11项，二等奖8项，三等奖4项。

    (2)2009年全国大学生电子设计竞赛，中心组织142支参赛队参赛，参赛人数占到全省高校参赛队的一半，共获得国家一等奖3项、二等奖4项，省一等奖14项、二等奖6项、三等奖15项。

    (3)2010年黑龙江省电子设计竞赛中，充分发挥了新平台集中建设、提高效率、全面开放、资源共享的优势，中心组织了197支参赛队，参赛队伍数量再创新高，极大地提高了学生的受益面，参赛成绩续写辉煌：获得省一等奖19项，二等奖34项，三等奖19项，共计获奖72项。

    (4)2008年中国机器人大赛中，中心组织的参赛队包揽了水下机器人冠、亚军和空中机器人固定翼组冠军。

    (5)2009年中国机器人大赛中，中心组织的参赛队再次获得水下机器人冠、亚军和空中机器人固定翼组冠军。

    (6)2010年中国机器人大赛中，中心组织了4个参赛队，获空中机器人固定翼一等奖1项，旋翼组冠军，水底采矿机器人冠军、季军各1项。

    (7)2008年获得全国嵌入式设计大赛国家三等奖1项；全国节能减排大赛二等奖1项、三等奖1项。

    (8)2009年获得Altera中国学生电子设计论文二等奖1项；全国挑战杯竞赛国家三等奖1项；全国航空航模公开赛中获团体冠军，在各级别竞赛中获得一等奖4项，二等奖8项；黑龙江省航空航模锦标赛中“E唯”协会参赛队包揽火箭组3个分项(伞降、带降、旋翼)冠军，同时获得滑翔机分项冠军。

    (9)2010年获得全国嵌入式系统竞赛国家二等奖1项。

    (10)2009年3月，中心打造的大学生科技社团“E唯”协会再次获得全国百佳社团荣誉称号，位列全国各高校科技类社团评比第一名。

    (11)每年累计2000余名学生通过大学生科技创新实践平台接受科技训练、电子制作、实验教学、科技竞赛等创新能力提升环节，“平台”下支持各级科技立项150余项。

    (12)3年来组织校3届大学生自主设计船模大赛、3届具有东北特色的遥控冰帆大赛、3届程控小车竞赛，3届“猎狐杯”无线电测向竞赛，2届舞蹈机器人竞赛，每年吸引学生参赛规模占到全校工科类专业新生的40%。这些赛事及特色科技活动极大地调动了学生科技创新的积极性，培育了数千名创新精英。

    (13)创新平台下已形成人人想创新、人人学创新、人人做创新的良好局面，通过整合优势资源、打造强势团队，在学生中逐步树立了“勤于实践、创新成才”的发展目标。3年来通过科技竞赛高端出口输出，有96人获创新保研资格，其中有20余人获得校外保送资格。

    “六结合”建设理念结累累硕果

    我校电工电子实验教学示范中心自教育部批准为首批建设单位以来，在学校领导高度重视和支持下，按照教育部“推动高等学校加强学生实践能力和创新能力的培养，加快实验教学改革和实验室建设，促进优质资源整合和共享，提升办学水平和教育质量”的“中心”建设要求，在多年“国家电工电子基础课程教学基地”建设基础和经验积累下，通过“自顶至下”的设计，确立了我校国家级“中心”建设理念、思路与目标。
“20字”建设思路：集中建设、统一管理、提高效率、全面开放、资源共享。

    示范中心建设目标：以提高学生的综合实践能力与培养学生创新能力为根本目标；具有广泛示范和辐射作用；多功能、集约化、开放型电工电子实验教学大平台。

    1.积累的建设经验

    提出“六结合”建设理念：中心建设与教学改革相结合、理论课教学与实验教学课相结合、实验教学与工程实践相结合、课内实验教学与课外科技创新实践相结合、实验室开放与“个性化”教育相结合、硬件建设与软件建设相结合。具体阐述为：

    (1)中心建设与教学改革相结合

    教学改革具有丰富的内涵，是贯穿实验中心建设的永恒主题。正确处理好实验中心建设与教学改革的关系，使实验中心的建设与教学改革相结合，是我们在实验中心建设中始终遵循的基本原则。

    实验中心的建设不仅仅是购置仪器设备这样一个简单过程。由于建设过程注入了大量的建设经费，这就为教学改革提供了实践的机遇。实验教学中心的建设本身就是一项教学改革的实践过程，是一项大型的教育科研“真课题”。在建设过程中必须全面贯彻教学改革的相关思想，将一系列教学改革的思想融入实验中心的建设过程中。

    鉴于以上思想，我们在实验中心的建设过程中，先后将“多功能电工电子实验教学大平台”“实验教学中心建设必须向学科方向发展”“实验教学中心建设必须软硬件并重，克服‘重硬轻软’”等一系列改革措施用于实验中心的建设过程中。同时提出了“实验室‘自顶向下’的设计方法”实验室建设采取“捆绑式打通共建的观点”“分层次开放实验环境”等建设改革思想。实践表明，这些思想的运用已取得了明显的改革效果。

    (2)理论课教学与实验教学课相结合

    实验中心建设的另一个关键问题是实验教学内容要与理论教学内容相结合，两者要统一融合。实验教学一方面要有自己的独到之处，另一方面还要结合理论教学内容开展实验教学。达到实验教学为理论教学服务，理论教学为实验教学提供支撑的目的。

    为实现以上目的，实验中心在管理机制上有所体现。首先明确了所有讲授理论课的教师均是实验中心的兼职教师，同时还要求他们必须承担实验教学任务，参与实验中心的建设、实验项目的设计以及其他有关实验教学的技术工作。

    通过以上具体措施的实施，目前我们已打造了一支理论教学与实验教学相结合的师资队伍。这样的教师队伍不但具备较高的理论水平，同时也具有较强的科研实践动手能力，近年来广大教师在从事教学工作的同时，还积极开展实验设备的“自研”工作，先后研制出适合本校教学特点的数字系统实验箱、电路实验系统以及电路实验考试系统等实验设备。这些工作大大地提高了广大教师的业务水平，有力地促进了实验教学工作的改革。

    (3)实验教学与工程实践相结合

    实验教学的主要目的是培养学生的工程实践与创新能力。实验教学的内容必须与工程实践紧密结合，这是实验中心建设过程中应予以充分考虑的问题之一。

    几年来，我校实验教学示范中心借助国内外公司的大学计划，建设了“DSP实验室”“嵌入式系统实验室”“中兴通讯3G网络与通信技术联合实验室”，这些实验室的工作与科研紧密结合，所开展的科技创新活动均取材于实际科研项目。实验中心面向全校开展的20门实验课程，充分考虑了实验内容与科研、工程实际的结合。同时，为培养学生的科研和工程实践能力，实验中心还开设了电子电路“进阶”实验、电子创新实验、机器人创新实验等综合性强并有一定应用价值的实验课程与项目。这些实验内容均取材于科研、电子竞赛以及实际工程项目，对提高学生的科技创新能力具有极大的益处。

    (4)课内开放实验教学与分层次开放创新实验环境相结合

    课内实验教学的主要任务是，配合理论教学内容，开展一些验证性、综合性与设计性的实验教学内容，实验内容大都限于理论课讲授的内容，实验的目的是验证理论内容的正确性，加深对理论内容的理解与掌握，同时锻炼学生的实验动手能力。创新实验的内容完全是开放式的，与此相配套的实验环境和运行方式必须适应其开放模式。开展开放式实验教学，是为强化培养学生的自主创新能力。实验中心在建设过程中必须将两方面的建设相结合，既要保证学生能够在课内实验教学中掌握一些基本实验技能、消化理解理论中的教学内容，同时还应该注重分层次开放创新实验环境，为学生开展课外科技创新活动提供实验平台。

    我校电工电子实验教学中心承担的主要课内实验教学任务有，电路、模拟电子线路、数字电路、高频电子线路等。这些课内实验教学现已实现了全开放的实验教学方式。学生不但可通过网上预约实验，同时实验项目采取分级制，学生可根据自身情况预定实验等级，并允许学生自拟实验题目，实验室为学生提供充足的元器件及实验耗材，最大限度地满足学生的实验要求。经过几年的开放式运行，取得了良好的实验效果，深得学生的欢迎。尽管这样，由于这些课程均是必修课程，开放时间、实验内容受到课程大纲的制约，学生学习的自由度也在某种程度上受到制约，因此我们将这样的模式称为计划内开放。实验室完全开放的模式，即开放式的电子创新设计实验室，采取图书馆式的管理模式，支持学生开展题目自选、方案自拟的实验或科研项目。

    更为重要的是，创新实验室的建设不但要完全开放，同时还应分层次为学生建设实验环境，搭建一个覆盖高、中、低3个层面的开放实验平台。既为高年级学生提供创新实验环境，又为低年级甚至刚入学的新生提供锻炼实践操作能力的场所，使学生从入学初期就有机会进入创新训练环境，并可长期从事科技创新活动，同时也容易创造出高水平的科技作品。