美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)研究

陳一民，魏 東，周渡海，張明珠

（1.北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 工程實(shí)踐中心，北京 100044；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，北京100042）

電路與電子技術(shù)系列課程通常包括電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)3門課程，這些課程是國(guó)內(nèi)電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。依托理論課程所設(shè)置的實(shí)踐教學(xué)課程不僅使學(xué)生鞏固課程的理論知識(shí)，提高動(dòng)手能力，同時(shí)也將為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐打下基礎(chǔ)，因此在整個(gè)專業(yè)教學(xué)體系中占有極為重要的地位［1－3］。

本文將美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)課程（包括課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段）與國(guó)內(nèi)工科高校相關(guān)課程進(jìn)行對(duì)比，分析了明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的特點(diǎn)，為我國(guó)高校相關(guān)課程的實(shí)踐教學(xué)提供有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程構(gòu)成

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程是該校電氣與計(jì)算機(jī)工程系為電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也面向機(jī)械工程等其他專業(yè)學(xué)生授課。電氣工程專業(yè)要求本專業(yè)學(xué)生完成24學(xué)分的實(shí)踐課程（共計(jì)8門實(shí)驗(yàn)室課程，不包含物理、化學(xué)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程），其中電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程必修部分共有9學(xué)分，占全部實(shí)踐課程學(xué)分設(shè)置的38%［4］。這說(shuō)明該校工科教育非常重視學(xué)生基礎(chǔ)能力與技能的培養(yǎng)。

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程包含5門獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)室課程，其中有4門課程是電氣工程專業(yè)的必修課程［5］（見表1）。按照培養(yǎng)方案，必修課程要求本科學(xué)生在第3、第5、第6學(xué)期完成。與國(guó)內(nèi)大學(xué)不同，美國(guó)大學(xué)課程設(shè)置較為靈活，全年秋、春、夏3個(gè)學(xué)期都開設(shè)了這些課程，便于學(xué)生在任何學(xué)期都可以修完相應(yīng)課程。

表1 明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容

2 電路與電子實(shí)驗(yàn)室軟硬件條件

實(shí)驗(yàn)室的軟硬件環(huán)境為實(shí)踐教學(xué)的順利進(jìn)行提供了必要的條件和保障［6］。明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室充分體現(xiàn)了實(shí)用的特點(diǎn)，在充分保證實(shí)踐教學(xué)的前提下優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室的資源，實(shí)現(xiàn)全天開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.1 實(shí)驗(yàn)室構(gòu)成

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程主要面向電氣與計(jì)算機(jī)工程系本科學(xué)生開設(shè)，但是也面向機(jī)械工程、航空航天工程等專業(yè)的學(xué)生開課。由于只有4間實(shí)驗(yàn)室，所以其中一間實(shí)驗(yàn)室是EE3101和EE3102這2門課程共用的實(shí)驗(yàn)室。

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)實(shí)踐課的實(shí)驗(yàn)室面積都不是很大，每間只有40～60m2。然而，這并不意味著實(shí)驗(yàn)資源緊張或?qū)嶒?yàn)條件惡劣。通常，該校每門實(shí)驗(yàn)室課程會(huì)有4～10個(gè)實(shí)驗(yàn)課段（session），每個(gè)實(shí)驗(yàn)課段只容納12～14名學(xué)生，因此每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)面積并不少。這樣安排一方面能夠保證較為良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，另一方面也便于教師進(jìn)行輔導(dǎo)。

可以看出，每門課程被分為幾個(gè)實(shí)驗(yàn)課段，并且實(shí)驗(yàn)室全天和全年開放，使得明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子實(shí)踐教學(xué)能夠在實(shí)驗(yàn)室數(shù)量較少、面積較小的情況下高效運(yùn)行，也使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備占用的資金減少而使用率極大提高。這種在有限的實(shí)驗(yàn)室面積和較少設(shè)備購(gòu)置經(jīng)費(fèi)的條件下，能夠保證教學(xué)順利實(shí)施和良好教學(xué)效果的經(jīng)驗(yàn)頗值得我國(guó)高校學(xué)習(xí)。

圖1是明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系一間電子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部情況。這一實(shí)驗(yàn)室使用面積約60m2，共有10套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，卻完成EE3101和EE3102這2門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。按照2012年春季課表，EE3101課程設(shè)置4個(gè)實(shí)驗(yàn)課段，EE3102課程設(shè)置9個(gè)實(shí)驗(yàn)課段，使該實(shí)驗(yàn)室周課內(nèi)學(xué)時(shí)達(dá)36學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室空閑率很低。

圖1 電氣與計(jì)算機(jī)工程系電子實(shí)驗(yàn)室

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備硬件條件

明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程專業(yè)雖然在美國(guó)大學(xué)中排名較為靠前，但就其本科實(shí)驗(yàn)室設(shè)備條件來(lái)說(shuō)與我國(guó)國(guó)內(nèi)普通大學(xué)電氣工程本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室有著較大區(qū)別。

該校電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室均沒(méi)有裝備像我國(guó)國(guó)內(nèi)大學(xué)那樣的成套實(shí)驗(yàn)箱或是實(shí)驗(yàn)臺(tái)，而只有簡(jiǎn)單的面包板。測(cè)試設(shè)備主要采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器并結(jié)合實(shí)體數(shù)字示波器、邏輯分析儀等測(cè)試設(shè)備，老式模擬示波器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)仍有所保留，便于學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

面包板雖然不如實(shí)驗(yàn)箱操作簡(jiǎn)便，但需要學(xué)生完成元件級(jí)的實(shí)驗(yàn)電路搭接與調(diào)試工作，從而極大地鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。面包板和所用的電子元器件通常會(huì)在開學(xué)初發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可以在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前利用課余時(shí)間完成電路的組裝工作。這樣做也會(huì)降低設(shè)備的采購(gòu)成本，并使實(shí)驗(yàn)室的通用性和實(shí)驗(yàn)的靈活性大大提高。

表面上看，明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的硬件不如我國(guó)國(guó)內(nèi)高校工科實(shí)驗(yàn)室那樣氣派，甚至可以說(shuō)有些簡(jiǎn)陋，但是正是這種“簡(jiǎn)陋”的實(shí)驗(yàn)裝備，體現(xiàn)了美國(guó)大學(xué)工程教育中的務(wù)實(shí)與求實(shí)［7］。

2.3 實(shí)驗(yàn)室管理

明尼蘇達(dá)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)分工明確。實(shí)驗(yàn)課由專任教授授課，實(shí)驗(yàn)的輔導(dǎo)工作主要由電氣與計(jì)算機(jī)工程系的研究生教師助理（Teacher Assistant）完成，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的維護(hù)與管理由學(xué)院技術(shù)人員和兼職研究生共同完成。電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室每天08：00～22：00開放，使用電子門禁控制人員的進(jìn)入。學(xué)生能夠很方便地在實(shí)驗(yàn)室空余時(shí)段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室自主學(xué)習(xí)，時(shí)間更加靈活，對(duì)技能的提高與鞏固更為有效，同時(shí)也保證了實(shí)驗(yàn)室的安全。

3 實(shí)踐課程教學(xué)內(nèi)容與組織分析

3.1 實(shí)踐內(nèi)容分析

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)共設(shè)置29個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和貫穿全學(xué)期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)（相當(dāng)于我國(guó)高校課程設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)）。在電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程中，多數(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)時(shí)為2～3學(xué)時(shí)（一個(gè)實(shí)驗(yàn)課段），也有些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要2個(gè)實(shí)驗(yàn)課段（約4～6學(xué)時(shí)）完成，但這不包括學(xué)生利用課余進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目保證學(xué)生能夠有充裕的時(shí)間完成。

表2—表6給出了明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)5門課程的具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置和學(xué)時(shí)安排［8－12］。

表2 EE2002“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課引論”的實(shí)驗(yàn)安排

表3 EE3101“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課Ⅰ”的實(shí)驗(yàn)安排

表4 EE3102“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課Ⅱ”的實(shí)驗(yàn)安排

表5 EE4111“高級(jí)模擬電子設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)安排

表6 EE2301“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)”引論的實(shí)驗(yàn)安排

上述電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本是硬件電路實(shí)驗(yàn)。雖然學(xué)校也要求學(xué)生應(yīng)用電路仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，但是仿真測(cè)試的任務(wù)通常留在課余進(jìn)行。

從這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中可以看出明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）實(shí)驗(yàn)的主要部分集中于半導(dǎo)體器件的分析。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的構(gòu)成中介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用和實(shí)驗(yàn)流程的認(rèn)識(shí)性實(shí)驗(yàn)4個(gè)；涉及線性電路（電阻元件）實(shí)驗(yàn)2個(gè)；涉及半導(dǎo)體非線性器件電路實(shí)驗(yàn)15個(gè)，應(yīng)用設(shè)計(jì)項(xiàng)目1項(xiàng)；涉及數(shù)字集成電路器件實(shí)驗(yàn)6個(gè)。

（2）由于實(shí)踐環(huán)節(jié)主要是獨(dú)立于理論課程教學(xué)而設(shè)置的實(shí)驗(yàn)課，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安排與理論課程的進(jìn)度沒(méi)有直接的聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置相對(duì)獨(dú)立且自成體系，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所涉及的內(nèi)容更加全面。例如EE2002和EE3101實(shí)驗(yàn)室課程都涉及了運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)。前者主要完成運(yùn)算放大器基本特性測(cè)試，而后者著重于對(duì)運(yùn)算放大器非理想特性的測(cè)試和應(yīng)用。兩者互補(bǔ)，使學(xué)生能夠全面了解運(yùn)算放大器應(yīng)用的要點(diǎn)。

（3）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目既重視基礎(chǔ)，又重視應(yīng)用。項(xiàng)目的設(shè)置偏重于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)，幾乎看不到單純的理論驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。此外，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生分析能力的培養(yǎng)，而單純測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)并不多見。由于許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)自于實(shí)際電子電路應(yīng)用，因此，在實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容上也更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)電路現(xiàn)象和相關(guān)理論的分析能力。例如，多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涉及高頻下電路特性的測(cè)試，這是為了幫助學(xué)生對(duì)常見電路的工作情況有所認(rèn)識(shí)。此外，貫穿全學(xué)期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)也是以實(shí)際應(yīng)用為背景，以學(xué)生自主實(shí)踐為主導(dǎo)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。電氣與計(jì)算機(jī)工程系會(huì)在期末專門安排學(xué)生的設(shè)計(jì)成果展示，學(xué)生要通過(guò)完成的作品、實(shí)踐方案和報(bào)告向教師，甚至是向業(yè)界人士展示實(shí)踐成果。

（4）基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程安排階段實(shí)驗(yàn)考核與測(cè)試。從表2和表3的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置中可知，在貫穿全課程的教學(xué)中安排有多次階段考核與測(cè)試。這樣做可以幫助學(xué)生鞏固實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并更加熟練地使用實(shí)驗(yàn)工具與設(shè)備。

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織

由于明尼蘇達(dá)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)手冊(cè)較為全面、具體，因此，電路與電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的組織要比國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)單。通常，每個(gè)實(shí)驗(yàn)課段容納12～14名學(xué)生參加，學(xué)生可以2～3人組成一組，但每人需要提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)主要由研究生教師助理進(jìn)行輔導(dǎo)。教師助理會(huì)簡(jiǎn)要講授實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，協(xié)助學(xué)生領(lǐng)取元件，并在學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給予答疑。學(xué)生也要根據(jù)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的要求向教師演示每一階段的“里程碑（即實(shí)驗(yàn)設(shè)置的關(guān)鍵點(diǎn)）”。

圖2展示了明尼蘇達(dá)大學(xué)“EE3101電路與電子實(shí)驗(yàn)室課Ⅰ”實(shí)驗(yàn)情況。這門課程是1個(gè)人一組，每個(gè)課段可容納14名學(xué)生學(xué)習(xí)。

圖2 EE3101“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課I”的實(shí)驗(yàn)情況

3.3 實(shí)踐課程評(píng)分與評(píng)價(jià)

評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)是激勵(lì)和促使學(xué)生認(rèn)真完成實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要手段之一。由于明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的電路與電子技術(shù)實(shí)踐課程是專業(yè)必修課并有學(xué)分要求，因此在一定程度上保證了學(xué)生能夠以積極的態(tài)度參與到實(shí)踐環(huán)節(jié)中，學(xué)校也更為具體和細(xì)致地對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行評(píng)定和評(píng)價(jià)。

以EE3102“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課Ⅱ”為例，這門實(shí)驗(yàn)室課程的成績(jī)?cè)u(píng)定共由7項(xiàng)構(gòu)成（見表7）。

表7 EE3102“電路與電子實(shí)驗(yàn)室課Ⅱ”的實(shí)驗(yàn)評(píng)分構(gòu)成

表7中序號(hào)3“項(xiàng)目設(shè)計(jì)”的評(píng)定，要求方案設(shè)計(jì)包括項(xiàng)目的概念、項(xiàng)目實(shí)施要點(diǎn)、電路草圖、元件清單與價(jià)格、為滿足設(shè)計(jì)要求所做的設(shè)計(jì)分析報(bào)告、每一個(gè)組員的任務(wù)拆解分配表、詳細(xì)的電路仿真報(bào)告、電路原型的測(cè)試結(jié)果報(bào)告等內(nèi)容。在這門實(shí)驗(yàn)室課程中，學(xué)生成績(jī)的40%依據(jù)自身的工作，成績(jī)的60%依據(jù)全設(shè)計(jì)組的共同工作表現(xiàn)。

在其他實(shí)驗(yàn)課程中，也會(huì)在課程中期設(shè)置小測(cè)驗(yàn)，檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)踐中的問(wèn)題。

明尼蘇達(dá)大學(xué)十分重視對(duì)學(xué)生寫作能力的培養(yǎng)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)筆記、項(xiàng)目工作日志和實(shí)驗(yàn)報(bào)告在成績(jī)?cè)u(píng)定中占有較高的比例。工科學(xué)生要完成5～6門寫作訓(xùn)練課程（包括1門寫作基礎(chǔ)課程和4～5門貫穿于專業(yè)教學(xué)的寫作強(qiáng)化課程）［13］，教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)筆記和實(shí)踐報(bào)告的撰寫也有很高的要求。

以電路與電子技術(shù)幾門實(shí)驗(yàn)室課程為例，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均要求學(xué)生按照正式論文格式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，即實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為引言、實(shí)驗(yàn)背景與理論、實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境、實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程與數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)結(jié)論等幾個(gè)部分。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告猶如撰寫一篇論文，而不僅僅是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)記錄。這在一定程度上鍛煉了學(xué)生工程文獻(xiàn)的撰寫能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)具有較強(qiáng)的獨(dú)立性和系統(tǒng)性，課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，注重學(xué)生能力的提高。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置突出學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，在注重基礎(chǔ)能力與素質(zhì)培養(yǎng)的同時(shí)，實(shí)踐內(nèi)容與工程實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合更加緊密，這些方面頗值得我國(guó)高校借鑒和學(xué)習(xí)。

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［8］DECE of UMN.EE 2002Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee2002／EE2002＿Lab＿M(jìn)anual＿（revised＿Sum＿2012）.pdf.

［9］DECE of UMN.EE3101Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee3101／EE3101＿Lab＿M(jìn)anual＿（Revised＿Sum＿2012）.pdf.

［10］DECE of UMN.EE3102Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［11］DECE of UMN.EE2301Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［12］DECE of UMN.EE4111Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［13］陳一民，馬鴻雁，張明珠.美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程本科教育研究［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（12）：183－187.