智能科學與技術專業(yè)模擬電子技術實驗教學改革

李 暉，潘 凡

（1.武漢工程大學 計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2. 武漢工程大學 郵電與信息工程學院，湖北 武漢 430073）

0 引 言

最近，谷歌（Google）公司在大獲成功的阿法狗1.0版本之上，推出了基于深度學習的新一代阿法狗2.0版本，為人工智能熱度再添了一把火[1]。在人工智能大火的今天，智能科學與技術專業(yè)也備受關注[2,3]。國內(nèi)各個高校（包含地方高校）都爭先恐后發(fā)展智能專業(yè)，以應對時代的需求。這對國內(nèi)各個高校的智能專業(yè)建設提出了更高的要求。眾所周知，一個專業(yè)的建設，關鍵在于人才的培養(yǎng)[4]。而為培養(yǎng)學生創(chuàng)新性工程意識，增強學生動手能力，實驗教學則是必不可少的一個環(huán)節(jié)。模擬電子技術是電子與信息類專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎課程，同時也是該類本科生后續(xù)高年級硬件課程的基礎，其理論性和工程性均較強[5,6]。

模擬電子技術課程在電子與信息類專業(yè)的本科專業(yè)課程中，屬于較難的課程，一直以來都存在教師教授困難、學生也學習困難的問題。但是，該課程作為一門承上啟下的關鍵基礎課程，在智能專業(yè)人才的培養(yǎng)環(huán)節(jié)中極為重要。一個成功的智能系統(tǒng)不僅僅由軟件系統(tǒng)構(gòu)成，還需要相應的硬件系統(tǒng)配合軟件系統(tǒng)，才能夠達到最佳工作狀態(tài)。這就要求本專業(yè)的學生不僅要熟練掌握軟件開發(fā)流程，還需要對硬件開發(fā)具有一定程度的了解。各個地方高校的模擬電子技術課程在人才培養(yǎng)計劃中的目標，就是希望學生通過本課程的學習，掌握電子系統(tǒng)的開發(fā)能力，能夠針對具體工程問題設計出相應的模擬電路。

1 當前模擬電子技術實驗教學現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的模擬電子技術實驗教學，都是針對課程知識點，對應設置分立電子元件、常用電子儀器使用方法等內(nèi)容，較為瑣碎和分散。當前，各個高校尤其是地方高校，模擬電子技術課程實驗的學時數(shù)一般壓縮至16學時左右。實驗按對應課程知識點來編排，強調(diào)的是對理論知識的解釋，以驗證理論為主要目的[7,8]。一般各個高校會提前給學生下發(fā)編寫好的實驗教程或?qū)嶒炛v義，多數(shù)學生只需要根據(jù)教程或講義上編寫的內(nèi)容，逐步進行操作即可完成實驗。這種教學方式和方法不足以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性工程意識。近年來，雖然各個高校對于模擬電子技術實驗教學開展了許多教學改革實踐，在綜合性實驗、設計性實驗方面也取得了一些成果和進展，但是仍舊存在以下問題。

首先，實驗教程或?qū)嶒炛v義設計上沒有涉及分層教學的理念，學生對實驗教程或?qū)嶒炛v義依賴性較大。學生在傳統(tǒng)的模擬電子技術實驗教學前，很少提前準備或預習，直到上課時才對照實驗教程或?qū)嶒炛v義開展實驗，實驗之中沒有自我思考，僅僅是依葫蘆畫瓢，這樣導致實驗效果不理想。預習實驗報告對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性工程意識非常重要，而很多學生對其重視程度不夠，導致實驗很難達到預期效果，具體有兩類情況：有一定數(shù)量的學生在實驗之前基本沒有進行任何預習或準備，這類學生實驗效果較差，基本上沒有達到實驗教學的目的；還有部分學生，在實驗之前，僅僅將實驗教程或?qū)嶒炛v義上的相關內(nèi)容照搬至預習報告上面，沒有主動查閱相關資料并思考如何實驗，這類學生創(chuàng)新性工程意識沒有得到有效訓練。

其次，缺乏完整項目式的綜合性或設計性實驗，當前實驗教程或?qū)嶒炛v義，多以理論知識為主線，整套實驗均以驗證性為主。傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容多以電容、電感、電阻、二極管、三極管等分立元器件進行編排；此外，當前的實驗教學還強化了各類常用電子儀器的原理及使用方法[7,8]。這樣雖然可以加強學生對模擬電子技術基礎知識的理解，但是不利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性工程意識，與期待的培養(yǎng)目標相差甚遠。

再者，傳統(tǒng)實驗涉及的電路多以標準教科書的式樣呈現(xiàn)，學生對實際工程電路仍舊缺乏認知，不利于學生實際動手能力的培養(yǎng)。當前的實驗教程或?qū)嶒炛v義中，多以參數(shù)簡單的電路為例，基本沒有器件參數(shù)選擇，學生在實驗中思考較少；而且所呈現(xiàn)的電路較為簡單，一般很少在工程實際中采用。

模擬電子技術實驗一直是電子與信息類實驗教學的難點，不僅實驗內(nèi)容繁雜，而且知識點眾多，學生難以記憶、理解。國內(nèi)眾多高校，尤其是地方高校的智能專業(yè)，都將智能專業(yè)設置在計算機學院，這進一步增加了學生學習模擬電子技術課程的難度。這也使得模擬電子技術實驗教學改革迫在眉睫，勢在必行。

2 模擬電子技術實驗教學改革思路

針對實驗教學中已經(jīng)存在的問題，根據(jù)地方高校的實際情況，重新編排了實驗教學內(nèi)容，并進行了教學方式和方法的改革。以武漢工程大學智能專業(yè)模擬電子技術實驗課程為例，闡述改革思路。

2.1 分層教學、強化預習實驗效果

傳統(tǒng)模擬電子技術實驗一般分為基礎性、綜合性實驗，以基礎性實驗為主、輔以綜合性實驗[5,6]。本次教學改革在考慮覆蓋最大范圍學生的前提下，適當調(diào)整基礎性實驗的比例，增加綜合性實驗內(nèi)容，將兩者的比例設置約為6：4。具體教學方式和方法調(diào)整為分層教學、強化預習實驗報告制度。

分層教學目的是讓所有參與實驗的學生均能夠在實驗后，進一步加深對模擬電子技術基礎知識的理解程度。在基礎性實驗設置中，除了強化了基本元件以及基本電子儀器使用的教學外，還將傳統(tǒng)的瑣碎、分散的實驗教學精選精練。例如，將原本分開的二極管、三極管的實驗對照同時進行，讓學生加深對半導體中關鍵知識點PN結(jié)的認知，使其對兩個典型元件的基本性能及工作原理有更為深入的認知。此外，給學生對電路元件的選擇空間。傳統(tǒng)實驗教學中，每次實驗所需要的各類電路元件均固定，學生無需選擇，只需要根據(jù)實驗教程或?qū)嶒炛v義上面的指導內(nèi)容，逐步操作即可順利完成相關實驗。分層教學就改變了這種現(xiàn)狀。在保證大多數(shù)學生實驗正常進行前提之下，讓學有余力的學生自行選擇電路元件以及電子元件的參數(shù)。例如，讓學有余力的學生自行查閱廠家的產(chǎn)品手冊，自行設定放大電路的靜態(tài)工作點，自行選擇反饋電阻的大小，經(jīng)過多組實驗查看改變后對最終放大電路增益的影響。這樣可以讓學有余力的學生根據(jù)實際電路問題，選擇最合適的電路元件及參數(shù)完成實驗。

強化預習實驗報告制度。有科研經(jīng)歷的研究人員都知道，每次實驗成敗的關鍵在于實驗之前的準備工作。準備工作做得越細致，實驗成功的概率也就越大。為了讓學生在本科學習階段就養(yǎng)成這種良好的科研習慣，強制性要求學生完成預習實驗報告。如果學生沒有按時按要求完成報告，就無法進入實驗室參加實驗，直至及時完成預習實驗報告為止。而對于預習實驗報告的內(nèi)容也提出要求：對于基礎性實驗，學生不僅要根據(jù)實驗教程或?qū)嶒炛v義撰寫出預習實驗報告，還需要根據(jù)實驗內(nèi)容自行在網(wǎng)上查閱相應的電路元件及參數(shù)指標；對于綜合性實驗，需要完成實驗老師預先下發(fā)的思考題，以備老師在實驗中進行抽查。預習實驗報告制度，可以讓學生進一步深入了解課程中講解的知識點，并在針對性問題的指引下，學習如何使用網(wǎng)絡資源完成相應的資料收集、整理工作。充分的準備，將為學生成功完成實驗提供強而有力的支持。

2.2 以完整項目式設計綜合性實驗

將模擬電子技術綜合性實驗進行項目化設計，讓學生自己動手設計并實現(xiàn)一個完整的電子工程項目。該綜合性實驗設計包含了模擬電子技術課程內(nèi)重要的知識點，即基本運算放大電路、反饋放大電路以及集成運算放大電路等；同時也包含了常用電子儀器使用、模擬電子電路焊接以及調(diào)試等內(nèi)容[7,8]。

選擇調(diào)頻式收音機設計制作、溫度檢測與控制器設計制作等完整的項目作為綜合性實驗內(nèi)容，以調(diào)頻式收音機設計制作為例，將其分為5個模塊：輸入調(diào)諧電路模塊，變頻電路模塊，中頻放大電路模塊，檢波、自動增益控制電路模塊，功率放大電路模塊。例如，讓學生學習使用二極管與濾波電容構(gòu)成檢波電路，利用該電路將調(diào)幅信號包絡解調(diào)，獲得調(diào)制前的音頻信號?；蛘咦寣W生自行選擇中頻放大電路中反饋電阻的數(shù)值，經(jīng)過多組實驗對比，查看使用不同數(shù)值的電阻對于中放增益的影響。

調(diào)頻式收音機綜合性實驗分3次實驗課，每次2個學時。第1次實驗課，學習認知并選擇基本電子元件，重點掌握如何辨認色環(huán)電阻，還需要掌握常用儀器的使用，如萬用表、示波器等，以及學習讀懂工程電路圖；第2次實驗課，學習使用晶體管構(gòu)成負反饋放大電路，以及學習采用振蕩線圈構(gòu)成中頻變壓器，掌握實用放大電路的設計能力，初步實現(xiàn)收音機的調(diào)頻功能，在整個實驗當中允許學生自行選擇相關電子元件及參數(shù)；第3次實驗課，學習使用常用儀器，對焊接好的調(diào)頻式收音機安裝聯(lián)調(diào)，并收集、整理實驗資料準備完成實驗報告。整個綜合性實驗，以項目式開發(fā)為導向，積極引導學生借助各類資源設計并制作一個完整電子項目，讓每位參與實驗的學生均能夠動手、動腦完成實驗。

3 模擬電子技術實驗教學實踐

武漢工程大學的模擬電子技術實驗教學改革從2016年起至今已經(jīng)開展了一段時間，取得了顯著的效果，學生對于模擬電子技術課程的興趣有較大幅度的提升。改革前，實驗課程教學完成后，基本上無人向上課老師咨詢?nèi)魏涡畔ⅲ桓母锖?，一些學生在完成實驗后，積極向老師咨詢各種問題。此外，最為可喜的是，在改革后，學生對于每次實驗內(nèi)容都了解得非常清晰，實驗目標認知明確，較改革之前無人預習的情況，有較大幅度改善。在完成調(diào)頻式收音機綜合性實驗后，有相當一部分學生對模擬電路開發(fā)與設計表現(xiàn)出較大興趣；還有不少學生在順利完成實驗后，在原有基礎上進行了許多有意義的新嘗試；更有學生積極聯(lián)系相關老師，參加各類電子設計大賽。近兩年來，我校智能專業(yè)本科生，尤其是高年級學生，積極參加各類課外科技活動，在“智能機器人湖北省重點實驗室”等各類科研項目、“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、FIRA國際機器人足球聯(lián)盟世界杯比賽以及“挑戰(zhàn)杯”比賽中都取得了優(yōu)異成績。本次實驗改革培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新性工程意識，增強了學生的動手能力，為學生參加后續(xù)的科技活動奠定了堅實的基礎。

4 結(jié) 語

實踐表明，所采取的改革措施能夠較為有效地提升智能專業(yè)學生對于模擬電子技術實驗課程學習的積極性；對于學有余力的學生來說，其創(chuàng)新性工程意識、動手能力等綜合素質(zhì)得到較為明顯的提升。本文實驗教學改革的探討，可以為各個地方高校智能科學與技術專業(yè)模擬電子技術實驗教學提供一條有效的改革路徑，并為本專業(yè)學生后續(xù)高年級專業(yè)素質(zhì)、科研素質(zhì)的培養(yǎng)奠定較為扎實的基礎。