電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目設(shè)計(jì)型教學(xué)方法初探究

曹 磊， 張亞楠， 史敬灼

(河南科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課是為培養(yǎng)工程應(yīng)用能力而設(shè)置的訓(xùn)練課程。課程以培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、拓展創(chuàng)新思維和培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)為目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不僅要驗(yàn)證理論課的知識(shí)點(diǎn)，還要著重培養(yǎng)學(xué)生的電子技術(shù)測(cè)試技能和設(shè)計(jì)電路、調(diào)試電路的能力，以及應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，把理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐的能力[1～2]。我校電氣工程學(xué)院經(jīng)過(guò)幾年的探索與實(shí)踐，初步構(gòu)建了以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)新模式。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

以前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)，是讓學(xué)生先熟悉儀器的使用方法，再通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證理論課的知識(shí)點(diǎn)。雖然也設(shè)置一些綜合設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，但內(nèi)容多側(cè)重于課程中多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用。無(wú)論是驗(yàn)證性還是綜合設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容和步驟都是事先擬定好的，在內(nèi)容的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的組織上，沒(méi)有多少讓學(xué)生思考和發(fā)揮的空間[3]。導(dǎo)致學(xué)生的參與積極性不高，主動(dòng)性不強(qiáng)，課后能讓學(xué)生記住的東西也不多，在培養(yǎng)學(xué)生綜合靈活的運(yùn)用知識(shí)，訓(xùn)練操作技能，啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)上還是略顯不足。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)追求通用性，在儀器的測(cè)試范圍、精度和測(cè)試方法上就有所弱化。在實(shí)驗(yàn)中，一些電路的特征現(xiàn)象難以突出展現(xiàn)。有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備為了方便操作，把元件隱藏在箱體內(nèi)，只在面板上引出電路的接口，學(xué)生在操作中往往感性認(rèn)識(shí)不足，甚至不認(rèn)識(shí)電子元器件。

電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，電子材料及元件的封裝形式不斷推陳出新，仿真軟件的版本、元件庫(kù)等不斷升級(jí)，會(huì)帶來(lái)操作界面的豐富和變化。實(shí)驗(yàn)不能跟上這些變化，甚至不接觸實(shí)際電路，就會(huì)使學(xué)習(xí)的知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)。

2 總體構(gòu)想

電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目設(shè)計(jì)型教學(xué)的指導(dǎo)思想，是以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力為目標(biāo)。合理增加課程難度、拓展課程深度，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，擴(kuò)大課程的可選擇性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和專業(yè)志趣。利用現(xiàn)代教育手段打破空間和時(shí)間的限制，開(kāi)展開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

(1)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)過(guò)程中的角色。讓學(xué)生主導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程，把以老師為主導(dǎo)的教學(xué)形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)形式。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，給學(xué)生提出具體要求，由學(xué)生自己擬定實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)電路，自己組織實(shí)施實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生學(xué)，教師教授學(xué)習(xí)方法，給學(xué)生最大的學(xué)習(xí)自主權(quán)[5]。

(2)知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系工程應(yīng)用。讓學(xué)生明白學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)能解決什么工程實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)學(xué)以致用，來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)模擬電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的過(guò)程，最大可能的接近實(shí)際。按照應(yīng)用需求設(shè)計(jì)電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)做出調(diào)整，出現(xiàn)問(wèn)題想辦法，多種方案選最優(yōu)的模式，組織實(shí)施參與式教學(xué)。

(4)在深入了解實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的情況下，力求取得創(chuàng)新。

3 教學(xué)方法的探索和實(shí)施

2014年以來(lái)，我們針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，按照專業(yè)認(rèn)證體系和陳寶生部長(zhǎng)“推進(jìn)四個(gè)回歸”的要求[4]，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行了大幅度的調(diào)整。把傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試改成了用元器件在面包板上插接電路的形式，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為主導(dǎo)，把不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目作為總體設(shè)計(jì)的相關(guān)模塊，然后一步步關(guān)聯(lián)起來(lái)，最終完成一個(gè)項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)方式更接近實(shí)際生產(chǎn)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的參與熱情很高。

3.1 實(shí)驗(yàn)室配置

電路實(shí)驗(yàn)室每組配備電路綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字示波器、計(jì)算機(jī)、萬(wàn)用表和工具盒。計(jì)算機(jī)安裝Multisim、Pspice軟件。

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)配備計(jì)算機(jī)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字毫伏表、數(shù)字雙蹤示波器、數(shù)字萬(wàn)用表和工具盒。其中計(jì)算機(jī)安裝Multisim、Pspice、Protues、Quartus II等軟件。

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA(Electronics Design Automation)實(shí)驗(yàn)室配置計(jì)算機(jī)和EDA實(shí)驗(yàn)箱。計(jì)算機(jī)安裝軟件和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室相同。

實(shí)驗(yàn)插接板(面包板組)學(xué)生每人一套，可以隨身攜帶，電路實(shí)驗(yàn)室和電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室配備電子元件盒和基本元器件。

3.2 課內(nèi)教學(xué)

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置上，按照從易到難、逐步深入的原則組織教學(xué)。如在電路實(shí)驗(yàn)中，一部分認(rèn)知性的實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)方法測(cè)試驗(yàn)證，選取“二階電路的響應(yīng)”和“雙口網(wǎng)絡(luò)”等項(xiàng)目，采用基于電子元件的單元電路設(shè)計(jì)，完成電路實(shí)物的組裝和測(cè)量，實(shí)施設(shè)計(jì)性教學(xué)。

指導(dǎo)教師課前布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，提出設(shè)計(jì)要求，限定元件的選取范圍，要求學(xué)生完成電路設(shè)計(jì)。學(xué)生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，先使用Multisim或者Pspice工具進(jìn)行電路仿真調(diào)試，列出元件清單。接下來(lái)自取元件，在面包板上插接電路，測(cè)量記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，分析數(shù)據(jù)做出總結(jié)。

通過(guò)對(duì)電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試，學(xué)生掌握了參數(shù)的計(jì)算方法和測(cè)量技術(shù)，還通過(guò)組裝實(shí)際電路，認(rèn)識(shí)了電阻、電容、電感等電子元件，學(xué)會(huì)了元件參數(shù)的識(shí)別方法和連接電路的基本技巧[5]。學(xué)生了解了電路設(shè)計(jì)的基本方法和一般過(guò)程，熟悉了直流電源、示波器等儀器的使用方法，為后續(xù)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。

表1 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置

在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置和學(xué)時(shí)分配如表1所示。在做“晶體管放大電路”實(shí)驗(yàn)時(shí)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)阻容耦合的單級(jí)共射極放大電路，具有靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定特性，UCC=12V，RL=10KΩ，ICQ≈1.5mA，3V

“搶答器電路的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)中，教師課前提出電路要實(shí)現(xiàn)的功能和參數(shù)等設(shè)計(jì)要求，可選擇的邏輯芯片、儀器設(shè)備以及時(shí)間限制。學(xué)生在課余時(shí)間設(shè)計(jì)電路，統(tǒng)一進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室組裝電路并測(cè)試。學(xué)生分步完成組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、譯碼顯示及發(fā)聲電路的設(shè)計(jì)和組裝，利用低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供的脈沖信號(hào)測(cè)試電路。在后續(xù)的“時(shí)基電路設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)中，再按照搶答器電路的需要，設(shè)計(jì)不同頻率的脈沖發(fā)生電路和搶答器電路相連，從而完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

“可編程邏輯電路設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)，按要求設(shè)計(jì)一個(gè)彩燈控制電路或者小汽車尾燈控制電路，也可以學(xué)生的興趣設(shè)計(jì)其它電路。電路在課前完成草圖設(shè)計(jì)后，進(jìn)入EDA實(shí)驗(yàn)室，指導(dǎo)教師先以一個(gè)簡(jiǎn)單電路為范例講解QuartusII軟件的操作方法。學(xué)生邊聽(tīng)邊做，按步驟完成電路的輸入、仿真、可編程芯片的引腳定義、編譯下載，最后在EDA實(shí)驗(yàn)箱上測(cè)試驗(yàn)證。接下來(lái)學(xué)生應(yīng)用該設(shè)計(jì)環(huán)境完成自己的電路設(shè)計(jì)和芯片測(cè)試。通過(guò)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化的手段和可編程邏輯芯片的設(shè)計(jì)應(yīng)用方法。

3.3 開(kāi)放教學(xué)

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，由于學(xué)生的個(gè)體差異和設(shè)計(jì)方案不同，還有根據(jù)自己的興趣增加的內(nèi)容，使得對(duì)時(shí)間的要求差別很大，通常會(huì)出現(xiàn)課內(nèi)時(shí)間不夠用的問(wèn)題，利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放可以作為很好的補(bǔ)充。不能在課內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)的，可以利用課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室在課余時(shí)間開(kāi)放。利用裝在保護(hù)盒里隨身攜帶的實(shí)驗(yàn)插接板，學(xué)生不限時(shí)間和空間，可以利用課余時(shí)間組裝電路，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和記錄數(shù)據(jù)。

電路設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，學(xué)生除了和指導(dǎo)教師交流外，更多的是通過(guò)訪問(wèn)慕課平臺(tái)、雨課堂、百度文庫(kù)、微信群交流等方式主動(dòng)尋求答案，學(xué)生成為了學(xué)習(xí)活動(dòng)中的主角。將現(xiàn)代信息技術(shù)深度融入教育教學(xué)，利用智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)施精準(zhǔn)教育，提升教學(xué)效果。

學(xué)生的思想活躍，在深刻理解和學(xué)會(huì)應(yīng)用一些知識(shí)點(diǎn)后，總會(huì)產(chǎn)生很多想法，加上在實(shí)驗(yàn)中的一些發(fā)現(xiàn)和遇到的困惑，就會(huì)迫使他們靜下心來(lái)認(rèn)真思考。他們利用網(wǎng)絡(luò)、圖書(shū)館尋覓答案，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)求證解惑，從而使學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室形成習(xí)慣。以此來(lái)引導(dǎo)學(xué)生求真學(xué)問(wèn)、練真本領(lǐng)，成為有理想、有學(xué)問(wèn)、有才干的實(shí)干家。

4 質(zhì)量跟蹤與成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)

在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)校建立了校院兩級(jí)督導(dǎo)聽(tīng)課和學(xué)生評(píng)教制度，督導(dǎo)和評(píng)教成績(jī)與教師的利益關(guān)聯(lián)。電工電子實(shí)驗(yàn)中心的教師每月至少聽(tīng)課一次，要求認(rèn)真記錄聽(tīng)課內(nèi)容，同時(shí)提出中肯建議。堅(jiān)持周四教學(xué)研討例會(huì)，把教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題和好的做法集中交流。

緊密跟蹤教指委組織的高水平教學(xué)研討活動(dòng)，選派骨干教師參與學(xué)習(xí)交流，持續(xù)提升教學(xué)藝術(shù)，善于運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，提升改造學(xué)習(xí)、改造課堂的能力。

按照培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生的表現(xiàn)，可以把合格以上的成績(jī)分為三個(gè)層次。第一層次，是要學(xué)生學(xué)會(huì)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，清楚相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，能解決簡(jiǎn)單問(wèn)題；第二層次是在掌握知識(shí)點(diǎn)的前提下，激起興趣，產(chǎn)生想法，并嘗試用各種方法去探索；第三層次是還要學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真的習(xí)慣，具有良好的專業(yè)素養(yǎng)。專業(yè)素養(yǎng)包含敬業(yè)精神和合作態(tài)度，比如實(shí)驗(yàn)中是否按規(guī)范接線，桌面是否整潔有序，實(shí)驗(yàn)后設(shè)備和測(cè)試線是否歸置整齊，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的畫(huà)圖和標(biāo)注是否規(guī)范，數(shù)據(jù)分析是否嚴(yán)謹(jǐn)?shù)萚6]。

在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，指導(dǎo)教師認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)情況登記表，詳細(xì)記錄每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告做出綜合評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

工程教育的目標(biāo)是培養(yǎng)應(yīng)用型工程技術(shù)人才，實(shí)踐能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。把專業(yè)技術(shù)知識(shí)學(xué)以致用，緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐，正是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效手段。以學(xué)生學(xué)習(xí)為主，教師指導(dǎo)為輔，把學(xué)生領(lǐng)進(jìn)來(lái)，以興趣作引導(dǎo)，是學(xué)生加深理解，萌生創(chuàng)新意識(shí)的有效途徑[7]。給學(xué)生提供想象的空間，并以此開(kāi)拓思維、啟發(fā)創(chuàng)新，才能實(shí)現(xiàn)因材施教，培養(yǎng)個(gè)性化工程技術(shù)人才，工程教育回歸工程的初衷。