改革视点

　　【编者按】为充分发挥精品课程的标杆示范作用，促进研究生课程质量进一步提升，研究生院从2018启动了120门研究生精品课程建设工作，以公共基础课和各一级学科（类别）专业课为重点，充分结合国务院学位委员会学科评议组和全国专业学位研究生教育指导委员会编写的《研究生核心课程指南》，整体规划、分布实施，至2019年，经学院推荐、学校专家评审、研教指委审议通过，学校已立项了首批62门“精品课程”。新闻中心特开设【研究生精品课程】栏目，分享这些“精品课程”基于“价值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的教育理念，从课程目标与定位、课程内容、教学和考核方式、课程特色和成效等方面总结梳理其经验心得，与师生读者共享。本期介绍自动化工程学院叶芃教授教改团队在电子信息类研究生综合实践平台开发与教学设计方面的探索和经验。

　　电子信息类专业是一门应用现代化电子、信息、通信技术进行信息获取、处理和控制的学科，具有极强的工程应用性。该类专业所培养的研究生需要掌握扎实的电子技术与信息系统设计、开发和应用知识，具备较强的解决复杂工程问题的能力，是当前各行各业急需的高层次工程技术人才。问题是，如何培养学生解决复杂工程的能力？

　　教改团队负责人、自动化工程学院叶芃教授表示，学院突破了现有教学和科研资源的局限，开发建设了面向全校电子信息大类专业的创新性课程和综合性实践平台，紧跟时代和行业的发展趋势，解决了社会急需的电子信息类高层次应用型人才的培养问题。

转变理念：着力共性理论与系统综合建设实践平台

　　电子信息行业具有实践应用性强、推陈出新速度快等特点，因而对学生工程实践和综合应用能力的培养尤为重要。而培养研究生的创新实践能力，如何实现从“理论知识被动接受”到“实践技能主动学习”的模式转换十分关键。

　　解决实际问题的能力需要在实际的科研项目研发过程中得以锻炼，并积累相关设计及调试经验。然而长期以来我国研究生教育形成了“以理论教学为主、实践教学为辅”的培养模式。实践教学环节的相对薄弱，使当前电子信息类专业研究生缺乏系统的实践能力培养。

　　即便学生在导师所在的教研室课题组有一定机会参与项目实践，但不同导师存在承担科研项目的差异，对研究生缺乏系统和基本实践技能培养，导致学生在电子信息专业基础技能方面培养参差不齐。

　　而且，电子信息类专业研究生所须掌握的现代电子技术理论及其系统设计的原理和方法非常多，仅靠单一课程的实践教学环节往往都侧重于某些理论的验证或某单一器件的功能应用，使得实验所涉及的知识点较为零散，缺乏系统性，无法传承一个完整的电子系统。

　　因此，结合电子信息类专业的共同特点来探讨研究生综合实践平台的开发与教学设计，建设面向电子信息大类专业的创新性课程和综合性实践平台，成为解决社会急需的电子信息类高层次应用型人才培养问题的重要条件。

　　针对这种情况，自动化学院以综合性、系统性项目为主线，聚焦关键环节的设计与实现，激发和引导学生开展课后实践，培养学生的系统思维方式，并帮助学生逐步建立综合系统能力、交叉复合能力，为成为高层次电子信息类高层次应用型人才打下基础，还可以为其他研究生实践教学课程提供参考和借鉴。

　　据教改团队高级工程师邱渡裕博士介绍，团队新建了电子测试技术研究生实践基地，综合开设了“高速数据采集及处理技术”、“现代时域测试”、“时域测试技术综合实验”等三门课程。其中“时域测试技术综合实验”自2013年开课以来，每年选课学生约230人，受益研究生累计超过1400人，且课时量和选课人数逐年增加。

　　同时，“时域测试技术综合实验”网络在线课程（MOOC）于2016年上线，并入选全国工程专业学位研究生教育指导委员会发布的第一批“全国工程硕士专业学位研究生教育在线课程建设项目”。学生毕业后，成为华为、中兴、大疆、展讯等大公司青睐的优秀人才。

完善体系：形成“多层次、多方向”的实践教学体系

　　创新性课程和综合性实践平台首先依托电子测试技术与仪器教育部工程研究中心的科研成果，融合电子信息领域通用的工程实践案例和前沿技术，为研究生培养模式转换提供平台支撑。同时，依托国家技术发明奖实现科研成果向实践教学的转移，增加了教学内容的实用性和前瞻性，让学生能够掌握最新的技术和行业应用。

　　经过不断探索，最终形成了“多层次、多方向、多形式”的实践教学体系。该体系突出信号获取与处理技术、电子测量技术应用、电子测试仪器设计为重点内容，将实践任务划分为“应用层”、“提高层”和“项目层”3个层次。

　　其中，“应用层”重点了解数字示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪等典型信号获取与处理中电子测量仪器的软、硬件设计方法，包括测试仪器的电路设计方法、原理图设计、PCB板设计等内容。该部分实践任务主要在校内完成，由企业方和校方人员共同参与该层次的具体培训工作；

　　“提高层”在应用层的基础上，针对具体的电子测试仪器进行子系统模块的设计，使学生对电子测量技术及测试仪器有个更深层次的认识。该层主要在企业中完成，由企业设立相应的实训岗位，并为每位实训学生配备相应的指导教师；

　　“项目层”针对企业实际科研项目进行实践培训，要求学生真正参与到项目中去，使学生在步入社会之前尽早的接触科研项目，为今后自身的发展打下坚实的基础。该层主要在企业中完成，由企业设立相应的实训岗位，并为每位实训学生配备相应的指导教师。

　　通过这三个层次的顺序渐进，可以充分调动学生的学习积极性，培养学生的工程探索和创新能力。在这个体系之下，进一步开展多方向培训结构，突破了传统的验证型实验，设计了涵盖知识面广、具有专业深度的综合实验，激发学生创新思维，提高其实践能力。

　　以电子信息行业为大方向，在企业中根据具体的应用方向设立若干小方向，构建多方向的培训结构，突破了传统课程的设计理念,创新实践课程形式与内容,面向不同专业和不同层次的学生，分阶段开设了一系列创新性课程。

　　在培训手段方面，通过校企联合共建实践基地和研发中心等多种形式，实现了学校教育管理、师资力量和企业实训场所、技术指导等优势资源的强强联合。同时，秉承“请进来、走出去”的校企合作理念，不断跟踪、了解及研究企业的需求，增强学生的动手及实践能力。

研究生综合实践平台设计方案

项目驱动：把团队的科研优势转化为育人优势

　　为了助推教学改革不断深入，教改团队还借助电子测试技术教育部工程研发中心的前沿科研优势,并发挥多年与企业合作的产品研发经验，开发了一套以工程应用创新为导向的现代电子系统综合实践平台。

　　据教改团队高级工程师蒋俊博士介绍，该平台以现代电子测试技术为核心，融合信号产生、信号获取、信号处理、多器件应用、计算机操作系统编程等多方面的电路理论、硬件设计、算法、软件技术，可构建出一个较为综合的电子系统设计创新实践体系，包括现代电子系统的验证测试（MESVT）与设计创新（MESDI）两个功能模块。

　　其中，现代电子系统的验证测试是一个相对独立的信号获取与处理模块，具体包括模拟信号调理（放大、衰减、运算等）、模数转换、时钟产生、数据接收、数据存储、触发控制、数字信号处理、显示与人机操作等功能，而且能通过 USB 接口将采样获得的数据上传至计算机操作系统中进行扩展的数字信号处理。

　　它具有两个重要功能：一是用于信号获取与处理过程中原理性的验证，为设计创新模块提供一个展示性的范例；二是在进行电子系统设计创新时它可以作为一台高性能的示波器来使用，配合设计创新模块进行信号测试来完成系统设计的调试与验证。

　　现代电子系统的设计创新是一个由多个可扩展子模块组成的电子设计创新系统，如信号产生、信号转换、实时处理、微系统处理等子模块。该平台摒弃了单一理论验证或器件应用的做法，从该类专业共性的电子技术出发，更加注重实验平台对知识应用的系统性与创新性。

　　为了让学生能够充分体验到实践过程，整个平台采用模块化设计，配合亚克力面板以全透明的方式展示实验过程的每个环节，并在合适的地方设置对应的测试点。另外，尽可能在满足实验内容的前提下降低平台价格，使得每个学生能够拥有一个独立的实践平台。

研究生综合实践平台PG1000A平面图

创新实验：把理论与应用紧密结合

　　有了良好的实验平台之后，实验课程内容的设计成为关键。为了改变以往实验课程中学生积极性、自主性难以发挥的局面，教改团队面向不同专业、不同层次的学生，从多角度、分阶段来设计实验课程内容，突出综合应用、自主设计的课程思想。

　　具体课程内容设计实例包括综合实践平台原理验证实验、器件开发环境实验、信号产生实验、信号调理与采样实验、信号处理扩展应用实验、数据实时处理实验、数据传输实验、触发实验、在线控制与数据处理实验等。

　　以综合实践平台原理验证实验为例，它可以帮助学生熟悉平台中信号产生、调理、采样、存储、处理等过程的基本原理；使用预设定好的程序（下载至 MESDI 模块中的 ARM和 FPGA）并调节输出对应幅度与频率的信号，通过连接线送至 MESVT 模块中进行信号观测；在观测信号时，学习时基、幅度和触发的信号调理与控制流程，体会信号获取与处理的每个环节，学会利用电子测试仪器进行复杂信号的观测与处理。

　　器件开发环境实验可以使学生熟悉该平台核心器件的开发软件环境，包括 FPGA 开发的 ISE/VIVADO 和ARM 开发的 KEIL；该实验通过设计独立的小功能实现来熟练掌握开发环境和编程语言（HDL和C语言）的基本应用与调试手段，例如在 FPGA 中利用外部时钟产生分频计数点亮外部 LED，或者调用内部的时钟管理器（DCM）IP 核来产生特定的频率信号并输出至MESVT 模块进行测试，在完成这项功能控制时需要进行 ARM 的 C 语言编程；通过这些训练，不仅要掌握工程开发工具的基本应用，而且还会利用这些工具进行举一反三，实现较为复杂的新功能设计。

　　叶芃表示，这些实验课程内容仅包括了部分较为重要的知识点实验，在实际课程开设过程可以根据不同层次、专业和课时的具体情况对这些实验内容和难度进行适当的增减，也可以结合特定的专业方向作一定的创新性拓展实验或者自行设计具有新功能的电路模块。

自主开发的“测控技术与嵌入式系统研究生实践平台”

三位一体：由浅入深引导学生的创新思维

　　如何突破传统课程的设计理念，创新实践课程形式与内容？叶芃表示，团队从工程需求引导、理论关联分析、应用设计探索三个方面构建了一个综合创新的新“三位一体”的教学模式，通过实验由浅入深，让学生能够更深地理解知识、关联知识、应用知识，并能够体会知识应用的创新意识。

　　在实施过程中，实验教学团队必需具备深厚的理论和实践教学的功底，而且实验设计的教师需全程参与整个实验的教学环节，在工程需求和理论关联上给予必要的分析，重点放在应用设计上指导学生进行规定实验内容和调试过程；之后应引导学生学以致用，举一反三，进行开放性的拓展实验。

　　为了使得课程适用于不同专业、不同层次的学生，在课程内容和难度上需拿捏得当，可分别开设基础性或挑战性课程。由于拓展性实验具有非常强的不确定性，所以学生做实验的时间不仅局限于课堂上，可以在课下进行自行设计，然后在实验室的公共开放时间进行调试验证。

　　为了确保课程设计的高质量并增加覆盖范围，教改团队成立了一个由9名来自科研一线且具有高级职称的教师所组成的课程组。根据不同专业层次的学生，分别设计了难易不同的实验内容，并编制了对应的讲义与课件。

　　在实践授课阶段，尽可能地增加教学的互动环节，及时了解学生对知识的理解程度。以实践目标为指导，团队引导学生进入自主设计开发的思维，激发学生的创新意识，一步步体验并完成技术开发与实现的整个过程。

“时域测试技术综合实验”网络在线课程（MOOC）

　　据统计，教改团队自2011年着手开发基于时域测试技术的电子信息类研究生综合实践平台，并于2012 年开设了《时域测试技术综合实验》的全校研究生公选课，实行小班教学，确保每两个研究生都有一套完整且独立的实践平台，至2017 年共计培养了约1440名学生。该课程入选 2016 年第一批“全国工程硕士专业学位研究生教育在线课程重点自建项目”目录，适用于电子工程、控制工程、通信工程、仪器仪表工程等专业研究生的培养。

　　同时，该实践平台于 2018 年上半年开设了《高速测试技术综合实验》的全校研究生公选课，但为了增加每个学生独立的实验思考空间，在实行小班教学的基础上，把教学班分成了基础班和挑战班，并缩小每个教学班至30人，共计培养了约240名学生，显著地提升了研究生的科研实践能力。

　　目前，团队在推广应用方面取得了突出成果。例如，自行开发的“测控技术与嵌入式系统研究生实践平台”和“高速数据采集与测试技术实践平台”通过校企合作产品化，累计生产500余套，成功推广到哈尔滨工业大学等多所电子信息类高等院校。叶芃表示，希望这门课程改革的实践，可以惠及更多成电学子，并为提升国内兄弟高校的研究生培养质量做出更大的贡献。