模擬電子技術層進式實踐教學體系探討

劉曉娣　張靜　孫艷麗　汪興海

[摘 要]模擬電子技術是高等院校電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，具有很強的工程性和實踐性。為加強學生電子實踐應用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，基于認知學習理論，課題組設計了“工程實例—便攜實物—虛實實驗—項目實作”層進式實踐教學體系，將實踐與理論教學有機融合、貫穿于整個教學過程，使學生在實踐中實現(xiàn)模擬電路知識的認知、理解、應用、綜合、創(chuàng)新，循序漸進地激發(fā)學生的興趣與能動性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新實踐能力。實踐證明此實踐教學模式效果良好。

[關鍵詞]模擬電子技術;實踐教學;層進式;認知學習理論

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）08-0076-03

模擬電子技術是電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課程，具有很強的工程性和實踐性[1]。在傳統(tǒng)的教學中重理論輕實踐、實踐與理論教學結合不緊密、基礎性實驗多研究創(chuàng)新性實驗少等現(xiàn)象不同程度地存在。

加強實踐教學，強化電子實踐應用和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是多年來國內外高校電子類課程教學改革的共同點[2]。美國的賓夕法尼亞大學通過專題講座、認知實驗和項目設計三個層次培養(yǎng)本科生的實踐能力和創(chuàng)新能力[3]。美國的麻省理工學院采用“實踐—理論—實踐”的模式強化創(chuàng)新能力培養(yǎng)[4]。國內也有很多院校對模擬電子技術（或電子技術）課程的實驗教學進行了改革，如采用項目化教學[5-6]、研究性教學模式[7]，綜合論文的方式[8]和虛實結合的形式[9-10]等，對學生的實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)起到了一定的效果。

在已有教學研究的基礎上，基于認知學習理論，課題組設計了模擬電子技術層進式實踐教學體系，將實踐與理論教學有機融合，破解課程理論抽象難懂的問題，同時使學生在實踐中循序漸進地激發(fā)興趣與主觀能動性，培養(yǎng)創(chuàng)新實踐能力。實踐證明此實踐教學模式效果良好。

一、認知學習理論視角下的實踐教學體系設計

認知學習理論[11-12]認為人作為學習的主體對外界的信息進行感知、注意和理解，是具有主動選擇性的，因此學習的質量取決于選擇的主動程度。要提高模擬電子技術課程的教學效果，關鍵是激發(fā)學生興趣，發(fā)揮學生的主觀能動性。深入分析模擬電子技術的內容發(fā)現(xiàn)，雖然課程的理論性強，涉及的概念、電路和分析方法多且抽象，但是這些理論是在一定的工程背景和應用需求下經過實踐得到的?；诖耍鶕?jù)認知的一般規(guī)律，課題組構建了“工程實例—便攜實物—虛實實驗—項目實作”層進式實踐教學體系（如圖1所示），將實踐貫穿于課程的整個教學過程，結合實踐知識學習器件、電路與分析方法，并通過實踐綜合運用。

在該實踐教學體系中，首先用工程實例使學生了解概念與電路，建立“用”的意識，拉近與電路的距離，激發(fā)學習的興趣;其次通過便攜實物，使書本中的器件、電路、現(xiàn)象看得見、摸得著，增強學生的直觀認知與理解;然后由虛實實驗加深學生對原理的理解，提高應用能力和實踐動手能力;最后通過項目實作，將理論知識與技能綜合應用于實際，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。其中工程實例、便攜實物以及虛實實驗部分融入課堂教學，硬件電路實驗與項目實作部分在實驗室開展，實現(xiàn)理實一體、虛實結合。

二、實踐教學體系實施

根據(jù)實踐教學設計，課題組從“工程實例—便攜實物—虛實實驗—項目實作”四個層次逐步開展實踐教學，使學生在實踐中完成模擬電路知識的了解、認知、理解、應用、綜合、創(chuàng)新。

（一）從工程實例中了解電路

模擬電子技術介紹模擬電路的概念、電路和分析方法，如放大電路、濾波電路、運算電路等，輸入信號往往以電壓源或電流源符號描述，輸出信號往往以負載電阻來描述。如果教學中僅限于這些符號電路，學生并不知道這些器件電路有什么用，這會讓學生感到枯燥乏味。因此，應借助工程應用背景講授概念與電路，為每個知識模塊選取典型工程實例，建立案例庫。例如教學基本放大電路部分選取飛機語音通信系統(tǒng)、校園廣播系統(tǒng)等案例，教學放大電路中的反饋部分選取飛行控制系統(tǒng)、智能避障小車等案例，教學信號運算部分選取氣壓計、空調智能溫度控制等案例，教學電壓比較器部分選取煙霧報警器、無線電高度表高度告警等案例，教學直流穩(wěn)壓電源部分選取手機充電器、飛機電源系統(tǒng)等案例。

在教學實施中，可由工程實例開啟課堂教學，激發(fā)學生的學習興趣，同時結合工程實例拋出問題，觸發(fā)學生的好奇心，調動其學習的主動性。例如在講解基本放大電路時，首先通過校園廣播系統(tǒng)這一應用實例，讓學生切身感受放大電路的作用，并且認識到放大電路就在我們身邊，與我們的生活息息相關。然后在實例分析過程中拋出問題：放大電路是怎樣組成的？如何進行放大的？如何分析放大電路？帶著這些問題開啟基本放大電路的學習，學生興趣濃厚。

（二）從便攜實物中認知電路

學生在課堂上學習元器件、電路時，見到的僅是符號或是文字描述，非常抽象。為搭建學生對電路符號和實物之間的認知橋梁，課題組研制元器件認知板、功能電路板等便攜式實物配發(fā)給學生。在課堂教學中，教師結合便攜式電路實物，講解器件與電路知識，使學生直觀看到器件的樣子，感受到電路的作用，使書本上的符號與實物相對應，所學即所見，增強了學生對電路的直觀認知，提高了學習效果。例如，在二極管學習時，學生僅從符號、圖片難以形成器件的完整認知，對于二極管的單向導電性也是抽象記憶。為此，我們設計了二極管認知電路模塊（如圖2所示），使學生在學習二極管符號的同時能直觀看到實物，建立直觀認知：由Ⅰ區(qū)的半導體數(shù)碼管使學生看到二極管的應用，進而聯(lián)想到電子表、電子廣告屏等應用場景;由Ⅲ區(qū)的紅綠藍三色發(fā)光二極管，學生很快能聯(lián)想到日用的LED燈、五顏六色的節(jié)日彩燈等;運用Ⅱ區(qū)的電路可分析二極管的單向導電性，電路中兩個蜂鳴器分別正反連接兩個二極管，通電后一個蜂鳴器發(fā)聲，另一個不發(fā)聲，使學生理解二極管在外加正向電壓時導通、外加反向電壓時截止，同時觀察普通二極管外殼上陰陽兩極的差異，從而使學生學會通過外形識別二極管的極性。再如介紹基本放大電路時，學生很難想象放大電路的樣子、電信號被放大的效果。為此我們設計了簡易音頻放大電路（如圖3所示），使學生直觀看到由三極管、電阻、電容組成的放大電路;然后教師將手機連接至音頻輸入端，給放大電路輸入信號，在輸出端連接小音箱，作為放大電路的負載，播放一段音樂，使學生直觀體驗放大電路的作用。

（三）在虛實實驗中理解應用

模擬電子技術課內實驗主要分為基礎性、綜合性和設計性三類。傳統(tǒng)的硬件電路實驗貼近實際，能有效鍛煉學生的動手實踐技能，但受設備損耗、時間和空間條件限制;虛擬仿真實驗便捷高效、不受空間限制，但脫離真實操作環(huán)境，不利于培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力。綜合考慮條件約束與教學效果，我們在模擬電子技術教學中采用虛實結合的實驗方式，充分發(fā)揮虛擬仿真和硬件電路實驗的優(yōu)勢。在整個實驗教學中，既有充足的基礎性實驗配合理論教學，加深學生對理論知識的理解吸收，又有合適的綜合設計性實驗，提高學生對知識的應用能力和動手實踐能力。

基礎性實驗以虛擬仿真為主、硬件電路為輔。虛擬仿真平臺讓實驗進入教室成為現(xiàn)實。針對課程中的重點與難點問題，課題組設計了20個虛擬仿真實驗，例如二極管應用電路分析、基本共射放大電路的工作原理分析、溫度對靜態(tài)工作點的影響分析、頻率對放大電路性能的影響等。在課堂教學中，我們運用Multisim軟件進行仿真、計算分析，完成電路演示和理論驗證，化解理論抽象難懂的問題。為彌補虛擬仿真實驗的不足，我們設置了1～2個基礎性實驗，用硬件電路完成，使學生熟悉基本儀器儀表的使用，掌握基本的電子線路實驗操作方法。虛擬仿真與硬件電路相結合，可以較好地達成基礎性實驗的教學目標。

綜合設計性實驗以硬件電路為主、虛擬仿真為輔。綜合設計性實驗往往需要知識的綜合應用和一定的分析設計才能完成，如果直接進行實物電路操作，需要實驗環(huán)境、器材保障，而且費時，很多學生在一次實驗課內很難完成。為此，可將實驗過程分為兩個環(huán)節(jié)：課下利用虛擬仿真實驗輔助電路的設計和測試、課上完成硬件電路的搭建和調試。借助虛擬仿真實驗進行電路結構調整、器件參數(shù)調節(jié)等，可使操作便捷，而且減少了元器件、實驗箱的損耗;可讓學生在硬件電路實驗中將更多的精力投入真實環(huán)境中的故障診斷和誤差分析。

（四）在項目實作中綜合創(chuàng)新

模擬電子技術的課內實驗項目往往針對某個知識點設置且相對獨立，學生在學習完本門課程之后難以建立電子系統(tǒng)的整體框架，形成系統(tǒng)概念。為加強課程的系統(tǒng)性、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力和工程素養(yǎng)，課題組在課內實驗的基礎上設置了課外實作項目——設計制作一個電子系統(tǒng)，如音頻放大器、可調直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號發(fā)生器、煙霧報警器等。項目實作分組實施，每組根據(jù)興趣特長自主設定實作項目和內容，從方案選定、電路設計、電路焊接以及調試都由小組成員集體完成，最后進行作品展示和匯報答辯。以設計制作音頻放大器為例，具體教學實施過程如下：

在方案選定階段，學生查找音頻放大器的相關資料，包括差分放大器、共射放大器、功率放大器、NE5532集成運放、LM386集成運放等，然后進行組內討論、分析論證，選定要采用的方案。在該階段，學生根據(jù)項目需求運用已有基礎知識進行資料收集分析，提高了綜合分析的能力。

在電路設計階段，學生設計電路原理圖，選定合適的器件參數(shù)，并利用Multisim軟件進行仿真測試與參數(shù)調整。教師對原理電路、仿真電路及測試結果進行核查，確保設計的合理性。在該階段，學生自主設計，培養(yǎng)了學生的綜合創(chuàng)新能力。

在電路焊接調試階段，學生根據(jù)設計的電路，列出元器件清單，設計元器件布局，然后在面包板上搭建測試電路，測量實際電路性能并調試，最后在萬用板上進行焊接、調整和測量。在該階段，學生自主制作，鍛煉了學生的動手實踐能力和團隊協(xié)作能力。

在匯報展示階段，學生首先匯報作品的設計思路、電路性能、設計制作過程中遇到的問題和解決辦法以及個人感悟，然后展示作品并現(xiàn)場回答教師和同學的提問，最后由教師和學生雙方進行評價。在該階段，學生對整個項目制作進行總結展示，鍛煉了學生的邏輯思維和表達能力。

在整個項目實作過程中，學生發(fā)揮主體作用，從實際應用出發(fā)，綜合運用所學知識分析問題、解決問題，實現(xiàn)綜合創(chuàng)新、學以致用。

三、改革效果

模擬電子技術課程層進式實踐教學改革取得了一定的成效，學生的學習興趣與個人能力都有了較大提高。改革前，很多學生反映模擬電子技術課程枯燥乏味、理論抽象難懂、課堂氣氛沉悶，在實驗課中基本是按照操作步驟操作完成實驗，遇到的問題主要涉及設備和連線，對于各個單元電路的作用也不了解。改革后，理論教學中融入工程背景與實際案例，學生興趣濃厚;理論講解與電路實物、虛擬仿真實驗相結合，激發(fā)越來越多的學生在隨堂實踐中主動發(fā)現(xiàn)問題、討論交流，課堂氣氛活躍;課內實驗與課外實作的結合，使學生經歷從基本單元電路實驗到電子系統(tǒng)的設計制作，獲得極大的成就感，提高了學生的積極性和主動性。以我校2017級導航工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)學生為對象進行調查，從調查問卷和后續(xù)課程反饋意見來看，85%的學生認為模擬電子技術課程有吸引力、愿意學，80%的學生認為自己的實踐創(chuàng)新能力得到了較大提高。而且后續(xù)課程反饋：學生對模擬電子線路的基本理論掌握較為扎實，電路分析能力較強，能夠熟練運用Multisim軟件進行電路仿真，動手實踐能力較強。

四、結語

實踐教學是模擬電子技術課程教學的重要部分，應貫穿于整個課程的始終。課題組開展“工程實例—便攜實物—虛實實驗—項目實作”的層進式實踐教學改革，使學生在實踐中完成模擬電路知識的了解、認知、理解、應用、綜合、創(chuàng)新。模擬電子技術課程改革取得了顯著成效，提高了學生對本課程的興趣和學習的主觀能動性，培養(yǎng)了學生的實踐應用和創(chuàng)新能力。

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[責任編輯：鐘 嵐]