國際工程教育下電子工藝教學(xué)改進(jìn)建議

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摘要:具備國際競爭力的工程技術(shù)人才是國家工業(yè)化進(jìn)步的源動力，電子信息產(chǎn)業(yè)水平是國家工業(yè)化國際競爭力的核心，電子工藝作為電子信息科學(xué)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的重要課程，目前存在扼制學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的突出問題。本文旨在探索電子工藝課程的工程化教育教學(xué)創(chuàng)新模式，采用將軟件與硬件相結(jié)合，理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)理念，將電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所學(xué)的基礎(chǔ)課程與電子工藝教學(xué)相結(jié)合，通過對完整電路系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、電路板繪制、電路的焊接與調(diào)試等一系列工程實(shí)踐過程，幫助學(xué)生掌握電子制作的基本過程，以期大力提高學(xué)生的工程實(shí)踐和管理能力，錘煉創(chuàng)新性思維。

關(guān)鍵詞:電子工藝;工程教育;電子信息

一、國際工程教育背景

具備國際競爭力的工程技術(shù)人才是國家工業(yè)化進(jìn)步的源動力，也是國家持續(xù)發(fā)展和提升國際競爭力的有利保證。［2］目前，我國已提出“中國制造2025”計(jì)劃，顯著突出了工程教育的重要性。此外，為提高高校的工程教育水平，相繼推出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”和“國際工程教育專業(yè)認(rèn)證”措施，以期和國際先進(jìn)對標(biāo)，培養(yǎng)具備國際工程視野的創(chuàng)新人才，支撐我國工業(yè)化水平的跨越發(fā)展。

(一)“中國制造2025”

2015年，我國提出了“中國制造2025”行動綱領(lǐng)。它基于我國的基本國情，著眼于提升國家的綜合國力和世界競爭力，面向制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，制定了一系列方針、政策。［3］目前，制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，離不開電子信息產(chǎn)業(yè)的支持，制造業(yè)的發(fā)展可以反哺電子信息產(chǎn)業(yè)。因此，將電子信息產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)的相互融合，可以促進(jìn)二者更好的發(fā)展。任何領(lǐng)域競爭的核心都在于人才，為培養(yǎng)具備國際視野的優(yōu)秀工程技術(shù)人員，我國高校責(zé)無旁貸。

(二)卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃

2010年6月，教育部在天津啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，該計(jì)劃是我國《國家中長期教育改革與發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020)》組織實(shí)施的一個(gè)重大項(xiàng)目，旨在培養(yǎng)一大批卓越工程技術(shù)人才，最終實(shí)現(xiàn)我國工業(yè)化進(jìn)步以及國際競爭力的提升。［4］該計(jì)劃明確了高校深入開展工程教育的重要性，并為高校工程人才培養(yǎng)提出了明確的路線圖。

(三)國際工程教育專業(yè)認(rèn)證

2016年我國加入《華盛頓協(xié)議》，正式開啟我國工程教育專業(yè)認(rèn)證之路，［5-6］該協(xié)議承認(rèn)簽約國所認(rèn)證的普通高等學(xué)校本科工程專業(yè)的培養(yǎng)方案具有同等有效性，任一合約國所認(rèn)證的畢業(yè)生都已經(jīng)達(dá)到從事工程師職業(yè)的學(xué)術(shù)要求和基本質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。［7］2017年，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會修訂了《工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)適用于全國普通高等學(xué)校本科工程教育認(rèn)證，包含通用標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)兩方面內(nèi)容。從學(xué)生、培養(yǎng)目標(biāo)、畢業(yè)要求、持續(xù)改進(jìn)、課程體系、師資隊(duì)伍和支持條件七個(gè)方面制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，使得學(xué)生在畢業(yè)5年后能夠達(dá)到職業(yè)與專業(yè)的總體描述。［8］國際工程教育專業(yè)認(rèn)證非常注重培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)，要求學(xué)生具有能夠設(shè)計(jì)并解決復(fù)雜工程的能力。我國各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展已步入到前所未有的深水區(qū)，而科學(xué)技術(shù)仍然是發(fā)展的第一生產(chǎn)力。為推動中國這個(gè)巨大的經(jīng)濟(jì)體不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢，國家工業(yè)化的不斷進(jìn)步是根本保障，這對我國的高等教育事業(yè)變革提出了迫切地需求。為提升我國高校工程教育人才的培養(yǎng)能力，將基礎(chǔ)理論、工程實(shí)踐及國際視野有機(jī)結(jié)合，走出具備中國特色的工程化教育路線，將是一個(gè)具備廣泛前景的措施。

二、當(dāng)前電子工藝課程教學(xué)開展?fàn)顩r

電子工藝［9-10］作為電子信息科學(xué)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)的核心課程，需要將理論知識與實(shí)踐相結(jié)合，它起源于上個(gè)世紀(jì)90年代，主要介紹電子工藝制作的基本過程。當(dāng)前，各高校在本門課程的教學(xué)過程中存在著一些扼制學(xué)生實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力的弊端。例如在教學(xué)中通常制作一些固定的電子產(chǎn)品:如萬用表、收音機(jī)等。在課程中，學(xué)生只是按照預(yù)先給定的電路圖紙，將元器件按照進(jìn)行簡單組裝，并進(jìn)行焊接及測試。［11］這種教學(xué)模式忽略了學(xué)生的主觀能動性，學(xué)生未深入?yún)⑴c完整的電子工藝生產(chǎn)過程，例如電路原理圖的設(shè)計(jì)、印制電路板(PCB)的繪制等關(guān)鍵工藝流程，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性大幅下降，造成大部分學(xué)生存在只為拿學(xué)分而完成任務(wù)的錯誤想法，并且在課程結(jié)束后也未能明顯提高學(xué)科知識及工程實(shí)踐能力。隨著國際電子工藝水平的不斷進(jìn)步，為避免課程教學(xué)遠(yuǎn)與工業(yè)發(fā)展相脫節(jié)，電子工藝課程的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)動態(tài)修編，以及培養(yǎng)出具備國際工程競爭能力的優(yōu)秀人才。

三、工程教育與電子工藝教學(xué)課程的融合

2010年8月，教育部電子信息科學(xué)與工程類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會推出的《高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類本科專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)劃(試行)》［12］中對于電子信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容部分的相關(guān)指導(dǎo)，電子工藝訓(xùn)練成為電子科學(xué)技術(shù)類專業(yè)本科教學(xué)的重要關(guān)注點(diǎn)。基于以上，本文將工程教育的標(biāo)準(zhǔn)融合至電子工藝課程，通過將軟件與硬件相結(jié)合、理論與工程實(shí)踐相結(jié)合的理念，在鞏固學(xué)生已有的專業(yè)知識的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生成為電子工程師的綜合素養(yǎng)。通過這一課程的教學(xué)，使學(xué)生全面了解電子生產(chǎn)，增強(qiáng)學(xué)生對電子工程師職業(yè)的了解明確未來的職業(yè)規(guī)劃，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。下面將詳細(xì)介紹國際工程教育背景下電子工藝課程教學(xué)的創(chuàng)新體系，它涵蓋電路圖紙的設(shè)計(jì)至最終實(shí)際電路的各個(gè)環(huán)節(jié)。首先要求學(xué)生通過融合模擬電子技術(shù)、通信電子線路等基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識并查閱資料，設(shè)計(jì)出具有完整功能的電路系統(tǒng);第二步，通過電路板繪制軟件進(jìn)行電路版圖繪制;第三步，對加工后的電路板進(jìn)行焊接與調(diào)試，并通過測試結(jié)果對第一步中設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)過這門課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生通過簡易的生產(chǎn)實(shí)踐，了解電子生產(chǎn)中的基本過程，掌握電子制作工藝的相關(guān)知識，并從中培養(yǎng)學(xué)生的解決工程實(shí)踐問題的能力、創(chuàng)新性思維、項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)和其他的電子工程師素養(yǎng)。通?？梢赃x擇學(xué)生比較感興趣且常用的一些具體電路如穩(wěn)壓電源電路、功率放大器、鑒頻器等電路的設(shè)計(jì)，并且通過加入單片機(jī)或者可編程邏輯控制器來實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)和控制。下面詳細(xì)介紹電子工藝教學(xué)的基本內(nèi)容:

(一)電路方案設(shè)計(jì)

發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，要求學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識設(shè)計(jì)一個(gè)相對完整的工程電路系統(tǒng)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子設(shè)計(jì)自動化(EDA)逐漸成為了工業(yè)設(shè)計(jì)中的重要部分，能夠幫助工程師提高設(shè)計(jì)的成功率并有效節(jié)約生產(chǎn)成本和時(shí)間。在教學(xué)過程中引入EDA軟件進(jìn)行輔助教學(xué)，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)形式，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，掌握了相關(guān)的仿真軟件，對學(xué)生日后參加工作有一定的幫助。因此，在方案設(shè)計(jì)中，學(xué)生可借助Proteus、SPICE、Multisim等EDA軟件對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真，從而增大實(shí)驗(yàn)的成功性。

(二)繪制印制電路板

根據(jù)(一)中設(shè)計(jì)的電路方案，就可以進(jìn)入原理圖和印制電路板的繪制。AltiumDesigner是最常用的PCB繪制軟件，它是由Altium公司設(shè)計(jì)開發(fā)的一款基于Windows操作系統(tǒng)并具有強(qiáng)大功能的PCB設(shè)計(jì)軟件，它的前身是Protel。PCB用于實(shí)現(xiàn)電路中電子元器件之間的電氣連接，同時(shí)還起到固定、支撐元器件的作用。實(shí)際中，元件通過其封裝中的焊盤固定在PCB上，所以在PCB排版前需要要繪制所有元件的封裝。由于AltiumDesigner通常只提供常用電子元件的原理圖和其對應(yīng)的封裝，而某些元器件則找不到其對應(yīng)的原理圖和其相應(yīng)的PCB封裝，在這種情況下就需要手動繪制原理圖和其相應(yīng)的PCB封裝。在布局布線中，首先按照信號或者電流的走向?qū)⒅饕酒藕茫綄儆谥餍酒脑?yīng)緊湊、有序的排在主芯片周圍;此外，PCB布局時(shí)要注意按照信號的走向。當(dāng)PCB布局完成時(shí)可生成元件清單，然后根據(jù)元件清單采購元件。

(三)電路安裝與調(diào)試

此部分內(nèi)容需要學(xué)生能夠識別并檢測基本的電子元器件，并掌握常用儀器如:萬用表、信號源、直流穩(wěn)壓電源、示波器等儀器的正確使用方法。將購買的元件手動焊接在加工完的PCB板的對應(yīng)位置上，將該元件通過焊盤接入PCB上的電路中，焊接過程中要注意不要出現(xiàn)虛焊或者短路的問題。焊接完成之后，就可以對電路進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中要注意按照實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范以及儀表儀器的使用步驟，進(jìn)行詳細(xì)調(diào)試。根據(jù)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，可對(一)中原始設(shè)計(jì)電路進(jìn)行改善。由于每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)的電路會有不同，并且在調(diào)試過程中也會遇到不同的問題，教學(xué)過程中可以通過采用引導(dǎo)的方式，讓學(xué)生自己解決遇到的問題，從而提高他們解決問題的能力和動手能力。

四、結(jié)語

隨著國家工業(yè)化水平的不斷進(jìn)步，電子信息產(chǎn)業(yè)作為國家國際競爭力的核心領(lǐng)域，對各高校工程教育的開展提出了重大挑戰(zhàn)。通過將“中國制造2025”、“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”及“國際工程教育專業(yè)認(rèn)證”的指導(dǎo)思想及認(rèn)證體系融入到電子工藝這門課程中，本文創(chuàng)新性地將基礎(chǔ)理論、工程實(shí)踐及國際視野有機(jī)結(jié)合，以期能夠培養(yǎng)出具備國際事業(yè)的優(yōu)秀電子工程師。

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作者：程桂仙 方潤 單位：貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院