“電路分析”實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新

摘要：基于“卓越計(jì)劃”對于卓越工程師培養(yǎng)的要求，結(jié)合“電路分析”卓越班學(xué)生的特點(diǎn)，進(jìn)行了“電路分析”實(shí)踐教學(xué)改革的探索：在基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性地增加“電路分析大作業(yè)”實(shí)踐環(huán)節(jié)。教學(xué)結(jié)果表明，此實(shí)踐環(huán)節(jié)激發(fā)了學(xué)生的求知熱情，一定程度上提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力；卓越計(jì)劃；電路分析

中圖分類號：G642.423#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195；#8195；#8195；#8195；#8195；文章編號：1007-0079（2014）17-0096-02

一、電子信息工程專業(yè)本科生“卓越計(jì)劃”實(shí)施的意義

2010年6月，教育部在天津召開“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”啟動會，聯(lián)合有關(guān)部門和行業(yè)協(xié)（學(xué)）會共同實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”。這是貫徹落實(shí)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》和《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項(xiàng)目，也是促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強(qiáng)國的重大舉措。[1]“卓越計(jì)劃”的核心與關(guān)鍵是培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。而這正是多年來實(shí)踐教學(xué)體系的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，也是大學(xué)生能力不足之處。工科大學(xué)生培養(yǎng)的根本在于實(shí)踐，而實(shí)踐能力的培養(yǎng)又依賴于實(shí)踐教學(xué)體系。即實(shí)踐教學(xué)體系是否科學(xué)、合理，切合實(shí)際，將直接影響工科大學(xué)生實(shí)踐與創(chuàng)新能力的高低。然而，現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)體系存在諸多問題，制約了工科大學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)。因此，高校應(yīng)積極推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)體系改革。[2]

為實(shí)現(xiàn)國家的“卓越計(jì)劃”，培養(yǎng)符合國家需要的卓越工程師，結(jié)合東華大學(xué)電子信息工程專業(yè)本科生的特點(diǎn)，以電子信息工程相關(guān)行業(yè)為背景，以電子信息工程專業(yè)學(xué)生的“電路分析”課程為例，為加強(qiáng)“電路分析”實(shí)踐教學(xué)，采取“電路分析大作業(yè)”的形式培養(yǎng)該專業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。教學(xué)結(jié)果表明，該實(shí)踐環(huán)節(jié)取得了預(yù)期的效果。

二、“電路分析大作業(yè)”的組織與實(shí)施

“電路分析大作業(yè)”能夠加深學(xué)生對“電路分析”理論知識的理解，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，提高其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的實(shí)踐能力，為培養(yǎng)適應(yīng)國家發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要的卓越工程師奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力是卓越工程師必須具備的工程素質(zhì)，“電路分析大作業(yè)”的組織與實(shí)施旨在對學(xué)生的實(shí)踐能力進(jìn)行訓(xùn)練進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生的創(chuàng)新能力發(fā)展，促使學(xué)生在實(shí)踐中深入理解與運(yùn)用“電路分析”知識，并進(jìn)行創(chuàng)新?！半娐贩治龃笞鳂I(yè)”的組織與實(shí)施分為以下八個(gè)方面：

1.前期準(zhǔn)備

（1）理論分析。4位T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖如圖1所示。圖1中S0～S3為模擬開關(guān)，R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)呈T形，運(yùn)算放大器A組成求和電路。模擬開關(guān)Si（）由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。根據(jù)運(yùn)算放大器虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均將接“地”。這樣，流經(jīng)2R電阻的電流與開關(guān)位置無關(guān)，為確定值。分析R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)現(xiàn)，從每個(gè)節(jié)點(diǎn)向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻均為R，流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。設(shè)由基準(zhǔn)電壓源提供的總電流為I，則流過各開關(guān)支路（從左向右）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。

可得輸出電壓：

（1）

將輸入數(shù)字?jǐn)U展到n位，可得n位T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間的一般關(guān)系式：

（2）

若將式中用K標(biāo)示，中括號內(nèi)的n位二進(jìn)制數(shù)之和用NB表示，式（2）可改寫為：

（3）

由式（3）表明，對于在圖1電路中輸入的二進(jìn)制數(shù)NB，均能在其輸出端得到與之成正比的模擬電壓u0。[3]

（2）任務(wù)安排。該環(huán)節(jié)主要是對“電路分析大作業(yè)”的實(shí)施流程進(jìn)行簡述，以便學(xué)生明確各項(xiàng)具體任務(wù)，掌握時(shí)間進(jìn)度。在提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的同時(shí)，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作意識。安排任務(wù)時(shí)將學(xué)生每三人分成一小組，合作完成大作業(yè)。其中，“電路分析大作業(yè)”的實(shí)施主要包括原理仿真、器材分發(fā)與注意事項(xiàng)、中期檢查、調(diào)試驗(yàn)收、設(shè)計(jì)報(bào)告、答辯和評分等環(huán)節(jié)。

2.Multisim原理仿真

為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，要求每個(gè)小組獨(dú)立完成仿真。每個(gè)小組的仿真完成后需要指導(dǎo)教師檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不合格的小組需要重新仿真，檢驗(yàn)合格的小組領(lǐng)取實(shí)際連接調(diào)試使用的所有實(shí)驗(yàn)器材。仿真結(jié)果表明：每個(gè)小組的仿真電路圖都不相同，設(shè)計(jì)方案有的簡潔，有的復(fù)雜，總體結(jié)果顯示出每個(gè)小組的仿真電路圖都是原始創(chuàng)新或者二次創(chuàng)新。該環(huán)節(jié)使小組成員不僅得到仿真實(shí)踐的訓(xùn)練，而且在一定程度上提高了他們的創(chuàng)新能力。

3.器材分發(fā)與注意事項(xiàng)

本次大作業(yè)用到的器材主要包括電阻、滑動變阻器、DIP開關(guān)、集成芯片741、直流穩(wěn)壓電源和數(shù)字萬用表等。本次制作的注意事項(xiàng)主要包括面包板使用、直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生正負(fù)電源供電、芯片引腳連接和DIP雙向開關(guān)使用等。

4.中期檢查

該環(huán)節(jié)的主要目的是檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度并督促其學(xué)習(xí)。實(shí)際操作中，要求每個(gè)小組的成員集思廣益、發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)、克服缺點(diǎn)，進(jìn)而綜合寫一份進(jìn)度匯報(bào)。報(bào)告包含：大作業(yè)的原理分析與理解；連接調(diào)試注意事項(xiàng)的理解；芯片、開關(guān)等元器件的認(rèn)識；小組成員的任務(wù)安排；小組時(shí)間進(jìn)度表的詳細(xì)描述。

5.制作調(diào)試與驗(yàn)收

該環(huán)節(jié)主要是訓(xùn)練學(xué)生的實(shí)踐能力。在實(shí)踐中，學(xué)生可以進(jìn)一步展示他們的創(chuàng)新點(diǎn)。每個(gè)小組成員結(jié)合仿真電路圖在面包板上進(jìn)行實(shí)際的電路連接及調(diào)試。在連接及調(diào)試過程中訓(xùn)練了小組成員的實(shí)踐能力、激發(fā)了他們的創(chuàng)新意識進(jìn)而提高了他們的創(chuàng)新能力。本次試驗(yàn)結(jié)果的理想值如表1所示。

表1#8194；D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出理想數(shù)據(jù)表

D3D2D1D0uo（單位：V）

00000

00010.2

00100.4

00110.6

01000.8

01011.0

01101.2

01111.4

10001.6

10011.8

10102.0

10112.2

11002.4

11012.6

11102.8

11113.0

圖2是學(xué)生制作成品中的一個(gè)具體D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際連接圖。結(jié)合表1的數(shù)據(jù)判定：該學(xué)生的D/A轉(zhuǎn)換器輸入輸出數(shù)據(jù)非常接近表1的數(shù)據(jù)。

學(xué)生在電路調(diào)試完成后，由教師從系統(tǒng)完整性、測量精度、布線布局三個(gè)方面給出制作成品的總成績。

6.設(shè)計(jì)報(bào)告

本次大作業(yè)完成后要求每個(gè)小組以論文的形式寫一篇設(shè)計(jì)報(bào)告，報(bào)告包括設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)分析、仿真、實(shí)際電路的搭接、設(shè)計(jì)體會和建議等。尤其強(qiáng)調(diào)學(xué)生把仿真、制作調(diào)試階段遇到的問題及解決方案陳述清楚。該項(xiàng)可以培養(yǎng)學(xué)生的語言組織能力和思維表達(dá)能力，并為其后續(xù)的論文寫作等奠定良好的基礎(chǔ)。

7.集中答辯

該環(huán)節(jié)的主要目的是訓(xùn)練學(xué)生的語言表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、組織能力和領(lǐng)導(dǎo)能力，并為其2年后的畢業(yè)設(shè)計(jì)及答辯進(jìn)行了鋪墊和預(yù)演。實(shí)際操作中，給予每個(gè)小組30分鐘的時(shí)間進(jìn)行答辯，答辯環(huán)節(jié)包括：PPT展示及講解；評委教師提問；小組成員自由辯。答辯結(jié)束后，評委教師當(dāng)場給出小組成員最終的答辯分?jǐn)?shù)。

8.綜合評分

該環(huán)節(jié)主要是評出所有組員的大作業(yè)總分，以便及時(shí)地給予學(xué)生反饋，對他們起到激勵(lì)和導(dǎo)向的作用。綜合評分=平時(shí)成績+實(shí)際電路設(shè)計(jì)調(diào)試成績+集中答辯成績+論文成績+自評互評成績+創(chuàng)新成績。其中“自評互評成績”項(xiàng)是借鑒國外大作業(yè)的評價(jià)機(jī)制引進(jìn)來的，該項(xiàng)很好地激勵(lì)了團(tuán)隊(duì)成員的合作能力；“創(chuàng)新成績”是指小組成員的電路設(shè)計(jì)不是采用常規(guī)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是學(xué)生經(jīng)過思索設(shè)計(jì)出能夠完成電路指標(biāo)的新穎設(shè)計(jì)（該設(shè)計(jì)不一定是最簡潔的，但只要是原創(chuàng)或者再次創(chuàng)造都鑒定為創(chuàng)新）。

三、結(jié)論

以“電路分析大作業(yè)”的形式進(jìn)行“電路分析”實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新，充分提高了學(xué)生的實(shí)踐能力、發(fā)展了學(xué)生的創(chuàng)新能力和增強(qiáng)了學(xué)生對“電路分析”的學(xué)習(xí)興趣。通過“做中學(xué)”逐步提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。實(shí)踐教學(xué)表明，“電路分析”實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革與創(chuàng)新進(jìn)一步豐富了該課程的實(shí)踐教學(xué)體系，并取得了積極的實(shí)踐教學(xué)成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳江，鄭莆燕，任建興，等.關(guān)于熱能與動力工程專業(yè)卓越工程師培養(yǎng)的探索與實(shí)踐[J].中國電力教育，2011，（24）.

[2]黃少波，李幼平.工科大學(xué)生實(shí)踐教學(xué)體系改革探索[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（4）.

[3]康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分[M].第四版.北京：高等教育出版社，2000.

（責(zé)任編輯：孫晴）