模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程改革與實(shí)踐

包 濤，周德云，林華杰

(西北工業(yè)大學(xué) 陜西省電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,陜西 西安 710129)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)迅猛發(fā)展，電子信息技術(shù)已經(jīng)涉入社會生活的各個領(lǐng)域及行業(yè)，專門化、專向性更為明顯。特別是在生產(chǎn)一線直接從事技術(shù)生產(chǎn)、管理和技術(shù)開發(fā)的電子類應(yīng)用型人才愈加顯得供不應(yīng)求。一方面，電子設(shè)備的生產(chǎn)、操作、管理、使用和維修需要大量的具有一定電子知識背景和較強(qiáng)動手實(shí)踐能力的技術(shù)人才；另一方面，生產(chǎn)部門的技術(shù)改革同樣需要具有扎實(shí)電子基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新人才。為了適應(yīng)未來發(fā)展及適應(yīng)社會主義建設(shè)需求和提高辦學(xué)效益，如何培養(yǎng)“應(yīng)用型”“創(chuàng)新型”復(fù)合人才，是目前高等教育工作者面臨的重要課題[1-3]。

學(xué)生的高水平創(chuàng)新工程素質(zhì)是在校期間所有教學(xué)環(huán)節(jié)綜合完成的體現(xiàn)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是重要一環(huán)[4]。近年來，隨著高教改革的逐步深化和素質(zhì)教育理念的不斷提升，實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)已成為高校本科教育中重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中具有其他課程不可取代的價值[5-6]，主要表現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)實(shí)踐和提高創(chuàng)新等能力方面。

西北工業(yè)大學(xué)是一所以發(fā)展航空、航天、航海工程教育和科學(xué)研究為特色的多科性、研究型、開放式大學(xué)，是“985工程”“211工程”重點(diǎn)建設(shè)學(xué)校[7]。在知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國際競爭激烈的形勢下，始終堅(jiān)持“以學(xué)生為根、以育人為本、以學(xué)術(shù)為魂、以學(xué)者為要、以責(zé)任為重”的教育理念[8]，在深化實(shí)踐教學(xué)改革的同時，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)的管理。目前，已建成多個不同門類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地、開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境和創(chuàng)新型設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心是陜西省省級實(shí)驗(yàn)示范中心。作為學(xué)校電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要基地，中心每年面向全校25個專業(yè)的六千多名本科生開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程10門，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目150多個。

眾所周知，模擬電子技術(shù)是高等院校中電子、信息、電氣、計(jì)算機(jī)、微電子和控制等多個專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。由于該課程處于各專業(yè)教學(xué)的中間環(huán)節(jié)，因此其實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生基本素質(zhì)的形成和發(fā)展起著不可替代的獨(dú)特作用[9]。通過模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的訓(xùn)練，學(xué)生在加深對所學(xué)理論知識理解的同時，掌握了常用電子儀器的使用方法，并進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生對電子電路的實(shí)驗(yàn)研究能力和正確使用能力[10]，這對于培養(yǎng)適應(yīng)社會的“寬口徑、復(fù)合型”人才具有其獨(dú)特的地位和作用。

1 存在的問題

然而在模擬電子實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐活動中，我們強(qiáng)烈地意識到，教學(xué)的內(nèi)容和方法與高等教育發(fā)展的態(tài)勢、與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)仍存在一定差距。分別表現(xiàn)在以下兩個方面。

1)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。

以往開設(shè)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)占據(jù)全部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的80%以上，而綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容幾乎為零。對于這樣的課程安排，將直接導(dǎo)致學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的目的和意義理解不夠，學(xué)生的工科思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到位，進(jìn)而影響了學(xué)生學(xué)習(xí)電子線路系列課程的主動性和積極性。

2)教學(xué)模式單一。

傳統(tǒng)的教學(xué)方法都是以“填鴨式”教學(xué)為主，教師在課堂上既是主導(dǎo)又是主體。教學(xué)過程中，學(xué)生機(jī)械、呆板地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書插線、測量和記錄數(shù)據(jù)。這樣的教學(xué)模式不僅不能激發(fā)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課的興趣，更阻礙了學(xué)生對于新知識學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。

2 立足基本實(shí)驗(yàn)教學(xué)擴(kuò)充新型內(nèi)容

在陜西省重點(diǎn)課題“研究型大學(xué)開放式個性化自主型電子實(shí)踐教學(xué)模式改革”項(xiàng)目支持下，中心圍繞著“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)，以能力培養(yǎng)為核心，促進(jìn)學(xué)生理論、實(shí)踐和創(chuàng)新全面提高”這一主題，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。

2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在保證驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，大力發(fā)展綜合性、創(chuàng)新性和開放性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并注重加強(qiáng)與后續(xù)課的聯(lián)系。針對不同程度、不同專業(yè)和不同興趣的學(xué)生，開設(shè)內(nèi)容豐富、形式多樣的層次化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[9]，具體安排有以下4個層次。

第一層，入門層。該層主要以演示驗(yàn)證型和模擬操作型實(shí)驗(yàn)為主，包括：常用儀器的使用，器件識別和檢測方法、基本放大電路交、直流參數(shù)的測量方法等。這一層次主要是以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度以及提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能為主，要求學(xué)生在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)下熟練完成各項(xiàng)內(nèi)容，并掌握的數(shù)據(jù)處理和分析方法。

第二層，基礎(chǔ)層。這是今后普遍采用的教學(xué)層。它以基礎(chǔ)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力和電路分析能力。實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)、方案的選擇和操作步驟由學(xué)生獨(dú)立完成。配備如Multisim等仿真軟件，課程中軟件分析設(shè)計(jì)和硬件電路實(shí)驗(yàn)同時進(jìn)行。該層次的要求是培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)、實(shí)驗(yàn)技能和分析解決問題的能力[11]。

第三層，拓展層。要求學(xué)生在完成基礎(chǔ)層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，開設(shè)能夠綜合應(yīng)用其所學(xué)知識，同時滿足實(shí)驗(yàn)學(xué)時和實(shí)驗(yàn)難度的增加、設(shè)計(jì)型和綜合型實(shí)驗(yàn)比例提高等要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，例如一些科研小項(xiàng)目或根據(jù)學(xué)生的愛好與特長設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)踐項(xiàng)目。

第四層，提高層。該層是面向基礎(chǔ)扎實(shí)、實(shí)踐動手能力強(qiáng)和具有創(chuàng)新精神的學(xué)生，進(jìn)一步增強(qiáng)其工程設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用素質(zhì)，為選拔優(yōu)秀人才做準(zhǔn)備。該層以綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，也可有機(jī)組合，主要包括學(xué)生課外的科技活動、課程設(shè)計(jì)、賽前培訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

通過參考《模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)大綱，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排如表1所示，層次分類如表2所示。

表1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容安排

序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)時1單級共射放大電路驗(yàn)證42差動放大電路驗(yàn)證43集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用綜合24多級負(fù)反饋放大電路綜合2

(續(xù)表)

序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)學(xué)時5集成運(yùn)算放大器的其他應(yīng)用綜合46低頻功率放大電路驗(yàn)證27整流、濾波電路驗(yàn)證28函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)49溫度控制器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)410直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)4

表1中，通過單級共射放大電路和差動放大電路的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生掌握靜態(tài)工作點(diǎn)的測試和調(diào)整方法，學(xué)會測量放大器的放大倍數(shù)、輸入/輸出電阻及幅頻特性等，并體會差動放大電路是如何抑制“零點(diǎn)漂移”等問題；集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用，要求學(xué)生掌握由集成運(yùn)算放大器組成的比例、加法、減法電路的功能、并結(jié)合積分和微分運(yùn)算電路做比較；在多級負(fù)反饋放大電路中，研究負(fù)反饋對放大器非線性失真的改善作用及付出的代價，掌握負(fù)反饋放大器性能指標(biāo)的測試方法并觀察負(fù)反饋對；集成運(yùn)算放大器的其他應(yīng)用，旨在進(jìn)一步學(xué)習(xí)運(yùn)算放大器對信號處理、變換和產(chǎn)生等方面的應(yīng)用，為綜合應(yīng)用奠定基礎(chǔ)；低頻功率放大電路，要求掌握集成功率放大器的使用及主要性能指標(biāo)的測試；最后，通過對整流、濾波電路的學(xué)習(xí)，掌握單相半波和單相全波整流電路的工作原理與測試方法。

表2按層次分類

層次分類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)學(xué)時入門層單級共射放大電路4差動放大電路4基礎(chǔ)層集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用2多級負(fù)反饋放大電路2低頻功率放大電路2拓展層集成運(yùn)算放大器的其他應(yīng)用4整流、濾波電路2提高層函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)4溫度控制器的設(shè)計(jì)4直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)4

通過以上實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)生已完成了表2中的入門層、基礎(chǔ)層和拓展層實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具備了模擬電子技術(shù)的基本實(shí)驗(yàn)技能。在此基礎(chǔ)上，我們通過增加3個設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為具有扎實(shí)基礎(chǔ)背景和較強(qiáng)動手能力的學(xué)生提供更廣闊的發(fā)揮空間。通過實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)和綜合應(yīng)用素質(zhì)。具體為以下3個方面內(nèi)容。

1)通過函數(shù)發(fā)生器的制作，學(xué)生自行設(shè)計(jì)能輸出方波—三角波—正弦波的信號發(fā)生器，并學(xué)會安裝與調(diào)試由多級單元、運(yùn)算放大器組成的電子線路。

2)溫度控制器包含測溫和控溫電路，通過該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作，進(jìn)一步熟悉集成運(yùn)算放大器的線性和非線性應(yīng)用。

3)通過對直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，熟悉變壓器、整流二極管和濾波電容的實(shí)際特性并了解集成穩(wěn)壓器的工作原理。

通過以上實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的安排，目的是提高學(xué)生在電子技術(shù)領(lǐng)域的工程實(shí)踐能力和理論創(chuàng)新能力?；谝陨显趯?shí)踐和理論兩方面的全面培養(yǎng)，為提高學(xué)生素養(yǎng)，達(dá)到人才培養(yǎng)的目標(biāo)提供了有力支撐。

2.2 教學(xué)模式

針對傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)帶來的弊端，我們新增“模擬電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”，將原來的實(shí)驗(yàn)學(xué)時由16調(diào)整為32，給予學(xué)生足夠的時間去設(shè)計(jì)和搭建電路，系統(tǒng)地、分層次地提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

第一層，入門層。采用由教師在講臺演示，學(xué)生跟著老師一步步完成實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生快速掌握測量方法、測量原理、測量步驟和常用儀器使用方法及注意事項(xiàng)等，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)初期不會連線、不知實(shí)驗(yàn)如何下手等問題，這一步也可借助于虛擬儀器，微課等教學(xué)手段進(jìn)行[11]。

第二層，基礎(chǔ)層。采用在掌握測量方法的基礎(chǔ)上，以教師指導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立完成為主。實(shí)驗(yàn)學(xué)時的增加，為學(xué)生在面包板上自行搭建并調(diào)試電路提供了可能性。避免了學(xué)生在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板上機(jī)械地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書接線、測量和記錄數(shù)據(jù)等固定呆板的教學(xué)形式。

第三層，拓展層。采用教師制定題目，給出具體的實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，由學(xué)生獨(dú)立完成。這一層應(yīng)充分利用EDA等仿真軟件進(jìn)行模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這樣不僅彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)儀器和元器件短缺等對學(xué)生的客觀限制，還能充分利用軟件中提供的各種分析方法，輔助學(xué)生更快、更透徹地掌握教學(xué)內(nèi)容。更重要的是，這極大地調(diào)動了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)積極性，且進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對電路的設(shè)計(jì)能力。

第四層，提高層。為了滿足這一層次內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)室配置了30套電子探索者開發(fā)板(electronics explorer board，EE Board)。該開發(fā)板囊括了各種模擬及數(shù)字電路所需的測試和測量設(shè)備，通過基于PC的WaveForms軟件，即可對模擬或數(shù)字信號進(jìn)行獲取、存儲、分析、產(chǎn)生和重用，系統(tǒng)地形成了虛擬與實(shí)物相結(jié)合的多元化實(shí)驗(yàn)平臺。

該層采用在教師指導(dǎo)下，學(xué)生利用EE Board，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)和調(diào)試的教學(xué)方法。EE Board表面為一塊無焊面包板，集示波器、波形發(fā)生器、電源、電壓表、參考電壓發(fā)生器，以及可做邏輯分析儀的32路數(shù)字信號接口于一體，所有的設(shè)備只需通過簡單的連線即可與面包板上搭建的電路相連。由于其整合了所有在設(shè)計(jì)和測試電路需要使用的設(shè)備，學(xué)生通過它可以完成、測試并分析一個真實(shí)的電路，且該工作并不局限于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成，即任何場所都可以成為一個設(shè)備齊全的24小時開放實(shí)驗(yàn)室。這為學(xué)生帶來了極大的便利，可以激勵學(xué)生合理安排和利用自己的業(yè)余時間，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生在綜合、創(chuàng)造和研究能力等方面的訓(xùn)練。

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校教學(xué)體系的重要組成部分，同時也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13]。作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的核心——實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的改革，如何科學(xué)合理地設(shè)置實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，是確保實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的的重要保證。

模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)不僅僅在于培養(yǎng)學(xué)生對模擬電路的分析和計(jì)算能力，更重要的還體現(xiàn)在培養(yǎng)學(xué)生如何應(yīng)用模擬電子技術(shù)理論，解決實(shí)際問題的能力[14]。因此，作為實(shí)驗(yàn)課教師，我們除了研究課程的理論知識，還應(yīng)充分探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特性，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)，科學(xué)合理的重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[15]。

在新開設(shè)的“模擬電路設(shè)計(jì)”課程中，我們面向全校提供菜單式的實(shí)踐教學(xué)服務(wù)，包括入門、基礎(chǔ)、拓展和提高4個層次的教學(xué)內(nèi)容，各院系可根據(jù)學(xué)科和專業(yè)的需求，在各層次教學(xué)模塊中相應(yīng)選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過制定具有學(xué)科專業(yè)特色的實(shí)踐教學(xué)套餐，構(gòu)成了適合于不同學(xué)科、專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程體系和實(shí)踐教學(xué)計(jì)劃。在今后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們將把培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和提高學(xué)生綜合素質(zhì)作為中心永恒的發(fā)展目標(biāo)。

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