电子系统基础训练：让实验变为“庖丁解牛”
专 题
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关键词：本科教学改革项目 电子系统基础训练
编者按
为提升本科人才培养质量，促进大学教育改革，北京大学于2015年底制定《北京大学本科教学改革项目管理办法》。2021年3月，教务部组织专家对北京大学2020年的本科教学改革项目进行评审，由电子学院量子电子学研究所教授周小计老师负责的“《电子系统基础训练》实验创新”本科教改项目获评结题优秀。
《电子系统基础训练》课程在2018年以前《电路基础实验》课程的基础上开设，改革后以电子学院量子电子所周小计老师、信息学院教学所所长王志军、杨延军老师、王青老师、集成电路学院于民老师、叶红飞老师、电子学院通讯所吕国成老师组成的教学团队为团队基础，授课对象为本科一年级学生。这门新课程是信息学院学生接触到的第一门实验课程，目的在于培养学生对电子设计的兴趣，整体感受电子系统功能实现的过程。本期推送，就让我们走近这门反映工科教育前沿的新基础课程以及其幕后的改革故事。
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用系统思维革
新基础实践
《电子系统基础训练》作为课程有悠久的历史，它的“前世”最早可以追溯到2000年，当时课程名还叫做《电子工艺与测量》。2002年秋季学期，为响应电子学院所引入的“加强基础，淡化专业，因材施教，分流培养”理念，课程引入了流水线工艺等新的教学内容，课程名称亦改为《电路基础实验》。近年来，在“新工科”的发展趋势下，软件和硬件的深度融合成为了工科技术发展的重要议题。2018年开始，课程以 “强调系统思维”为核心，在新工科的教学理念下，进行了一次全面改革，并更名为如今的《电子系统基础训练》。
“改革”当然不只是改名，也不是对课程大纲的局部性增删，它是以全新框架组织传统内容和引入新兴知识的尝试。二十多年来，周小计老师一直是这门课程的负责人，对课程的沿革和改革背后的思路，他如数家珍。在早期的课程体系中，基础知识的学习和技能的训练是大一课程的培养重点，而学生到了大三，才被要求和许可学习各类专门课程，将不同模块的知识串联起来。新的课程方案则改变了这种传统的学习路径。
“原本的培养体系注重让学生‘自下而上’地学习知识，现在我们强调课程的系统性、实用性和整体性，帮助学生‘自上而下’地思考问题。”周小计老师说道。
所谓“自上而下”，指的是以实际应用场景为载体，从顶层系统的角度入手，通过中间层各模块的功能实现，完成底层基础知识的掌握，要求学生在最为基础的课程中也需要对系统不同模块之间的关系有所了解。这种了解不只通过纯粹的书本知识，更主要是通过学生在课程中的实践完成。比如，过去的课程要求学生花费时间学习流水线工艺，但并不要求制作出复杂的技术产品。如今，学生则会被要求通过学习完成一个具体产品的设计和制作，这样的产品有音机、电子门铃或智能小车等。在完成这些具体产品的过程中，为了让产品作为一个整体发挥功用，学生需要了解不同的功能模块，从而主动的、有目标的学习这些功能模块的相关知识，同时，在这个过程中，也使得他们可以对现实的产品研发过程有更真切的感受。
课改后的课程结构设计
知识和技能是课程不可或缺的双翼。注重让学生在专业学习早期就对产品设计过程有“自上而下”的认识，并不意味着自下而上的技能基础训练不重要。“我们是自顶向下的设计，自下而上的实践。”周小计老师解释道。换言之，对于电子系统全局性的认识，是在局部实践的过程中完成的，而基础的技能训练——如焊接技术的训练，也是被纳入了系统之后，才更彰显出它在整个产品的系统研发中的意义。目前，周小计将课程的教学内容分成了三个板块，这些板块串联起了一系列小实验，也将软件知识和硬件知识通过具体的产品设计结合了起来：
第一个板块是电子的基础实验，以收音机、电子门铃等为载体，强调各种基本原理与技术在装置和产品中的应用；
第二个板块是制作声控灯、音乐节奏灯、自动路灯和感光雷达联结成的系统，以呼应智能化时代的技术需要。在这一实验中，学生需要学习如何在技术上实现电子系统中的数字输入-数字输出和模拟输入-模拟输出；
第三个板块是小车的智能控制和系统的综合训练，在其中，蓝牙配对、超声测距、姿态感应、速度测量、反馈控制等技术功能的实现和应用都会得到体现。
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用课堂机制
激发创造力
《电子系统基础训练》改变了传统工科课程教学内容的组织方式，通过突出“软硬结合”、“系统思维”，强化了学生对实践中不同部分关联的认识，使得学生避免陷入“只见树木不见森林”的泥潭和学习却不知道意义何在的困境。在周小计老师的观察里，新课程不仅能激发低年级学生主动探索专门领域的兴趣，还更能培养学生的参与感和自信心。不过，一开始就要求学生“一览众山小”，是否意味着学生必须更早地积累大量的知识，从而加重他们的学习负担和学习门槛？
周小计老师的回应很果断，他认为答案是否定的。这是因为，新方案删去了传统课程中许多过于基础的训练内容和过时的技术训练要求。如在过去，学生需要专门花两节课来练习焊接技术，现在这一部分已被压缩在了一节课之内，并且不对学生做特别细化的要求。周小计老师认为，以焊接训练为代表的机械重复性训练，只在专门的应用场景中才有意义，学生亦很难在此过程中从教师身上学到真正稀缺的知识和能力。突出思维能力的新课程方案，希望在弱化纯粹技术训练的基础上赋予学生更多探索的空间，单纯叠加教学内容绝非课改的本意，使教学符合新的人才成长需要，就意味着要给学生更多导引，而不是苛求学生提前进化为各个领域的“熟练工”。
新课程体系下的学生学习要求也更具有弹性，对学生作业完成度的要求不再拘泥细节，而是更加看重学生自主创新的能力。举例来说，在要求学生为小车设计控制系统的模块，课程设计了一个两人一组竞技的小车控制比赛：在定点停车任务中，究竟哪一组的小车可以花最短的时间完成任务？“快”固然是成绩评定重要的一部分，但周小计老师不愿将评价标准仅囿于此——这个任务并没有一个固定的“优秀”基准线，而是强调通过独创的解决思路和方案去精益求精。当学生产生出对自己产品表现的不满时，助教和老师也会上前一同讨论或提出建议，来寻找进一步“优化”作品的方案。在周小计老师看来，这才是课程最重要的方面：“实现系统的功能并不是只有一种方法，而是有很多种方法。例如电路布局是不是最优化的？方案是不是用线最短，布局最漂亮？在这个任务中，我们可以讲究很多事。”这也正应和了当前理工科教育中对“两性一度”的强调：实验设计需要有高阶性，接轨前沿；有创新性，打破按部就班；最后，有足够的挑战度，激发起学生的挑战欲。
智能小车测试现场
只有小组合作、组间竞争、作品初步完成后的互相比较，才能激发学生对于电子设计更多的个人思考，而《电子系统基础训练》充分利用了这些课堂机制。当然，这一切也必须依托更加密集的教学投入模式。《电路基础实验》课程的前身《电子工艺与测量》就采用了小班授课的模式，但如今的小班研讨不同于小班教学，还需要每位教师给予学生更多的关注。
“由于课程实操多、选课同学也多，我们组建了一个教师团队来参与教学。老师们各自带领一个小组，每组同学数控制在15人以内。”周小计老师介绍道。目前，每个开展课程教学的实验都要实验室辅助老师和助教帮助准备，而每个实验都在小班教室中进行，教师统筹成为必不可少的准备工作。不仅如此，每学期开课前的一两个星期，教师团队还会组织讨论来更好地备课。只有来自不同细分方向的老师时不时开展集体备课，交流经验，这门以“系统”为名的课程才能变得高效而又“系统”。
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跨越边界和阈限
的工科教育新实践
尽管主管《电子系统基础训练》课程的周小计老师研究方向是电子学，参与课程的教师背景却十分多元。周小计老师直言道：“这门课程涉及到了电子系统的许多方面，所以需要有懂电子、懂通讯、懂优化控制和智能控制的老师。如果课程老师只有一个背景的话，就很难覆盖这么多知识。同时，参与的老师们也是在不断地学习新技术、探索新领域，向其他领域的老师学习，与时俱进地设计课程内容。”
教学相长、学科融合是如今工科教育中的常态。周小计老师希望通过课程的改革可以助力培养优秀工科人才，也希望工科知识可以打破固有的边界。在专业内部，《电子系统基础训练》是一个尝试；在专业之外，设计一门不限文理背景、以信息科学为主体的通选课程正在进程之中。
同学们在课堂中
而《电子系统基础训练》课程的改革，更可以被视为工科及工科教育迈向新阶段的一个缩影。随着新技术的发展与新的应用场景的不断产生，越来越多的工科领域呼唤着更高层面的设计规划。在北京大学内部，新工科建设就正在进行时。2021年，北京大学成立了计算机学院、电子学院、智能学院、集成电路四大工科新学院，这并不意味着不同分支领域的分离，而恰恰要求学者和教师们对周边领域的动态抱有更高的关注程度。周小计老师等信科人相信，作为一门致力于技术创新与运用、打造更好的人类生活的学科，工科在新时期的建设应主动出击，广泛吸收各领域的精华。让工科迸发出新的活力和创造力，正在此刻。
同学们的课程感想
周小计老师对课改目标的五点概括
“两性一度”指的是高阶性、创新性和挑战度，
是课程内容的改革方向，课改不仅包括内容调整，
还涉及资源的重新调配和教师的磨合
受访人 | 周小计老师
采访 | 张正涛 陈一芃
撰稿 | 张正涛 谢禹川
编辑 | 许雅雯
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