“新工科”背景下《電路分析》實(shí)踐教學(xué)方式的探索

尚建華 華一村 鄧開連 孫嘉曈 陳根龍 白慧

摘? 要：針對(duì)新一輪技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革對(duì)高校教育提出的挑戰(zhàn)，國(guó)家提出了“新工科”的建設(shè)理念，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性和復(fù)合性的教育理念和人才培養(yǎng)模式。新的人才培養(yǎng)模式對(duì)于實(shí)踐教學(xué)提出了新的要求。現(xiàn)以電子信息與電氣工程類專業(yè)為例，通過對(duì)《電路分析》理論課課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)課程、創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目等環(huán)節(jié)的分析研究，探索實(shí)踐教學(xué)方法和方式的改革和創(chuàng)新。具體實(shí)踐表明，上述實(shí)踐教學(xué)方案對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才具有較好的效果。

關(guān)鍵詞：新工科? 人才培養(yǎng)模式? 電路分析? 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）06（a）-0144-04

Research on the Practical Education of Electric Circuit Analysis under the background of "new

Engineering"

SHANG Jianhua? HUA Yicun? DENG Kailian? SUN Jiatong? CHEN Genlong? BAI Hui

（Engineering Research Center of Digitized Textile & Apparel Technology， College of Information Science and Technology， Donghua University， Shanghai， 201620? China）

Abstract：In view of the challenges posed by the new round of technological revolution and industrial reform to higher education， the state puts forward the construction concept of "new engineering"， emphasizing innovative and compound education concept and talent training mode. The new talent training mode puts forward new requirements for practical teaching. Taking Electronic Information and Electrical Engineering specialty as an example， this paper explores the reform and innovation of practical teaching methods and methods through the analysis and research of experiments， cognitive practice， experimental courses and innovative practical projects in the theoretical course of Electric Circuit Analysis. The specific practice shows that the above practical teaching scheme has a good effect on cultivating innovative and applied talents.

Key Words：New engineering; Talent cultivation model; Electric Circuit Analysis; Practical education

為了應(yīng)對(duì)第四次科技革命以及產(chǎn)業(yè)升級(jí)變革對(duì)高校工程人才培養(yǎng)提出的新挑戰(zhàn)，教育部提出了“新工科”建設(shè)理念[1-3]，各高校也相繼開展了“新工科”背景下的教學(xué)研究，意在探索“新工科”建設(shè)模式，進(jìn)而形成中國(guó)特色、世界一流的工程教育體系，有力支撐國(guó)家的創(chuàng)新發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

東華大學(xué)電子信息與電氣工程類專業(yè)包含自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化、通信工程和電子信息工程4個(gè)本科專業(yè)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在自動(dòng)控制等領(lǐng)域形成了自己的特色和優(yōu)勢(shì)[4]。上述4個(gè)專業(yè)的學(xué)生通過強(qiáng)電和弱電、軟件和硬件以及元件與系統(tǒng)等知識(shí)的學(xué)習(xí)，獲得電子技術(shù)、電氣控制、自動(dòng)化、通信以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的基本技能，培養(yǎng)分析和解決信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，進(jìn)而成為自動(dòng)化、電氣工程、信息技術(shù)等領(lǐng)域的寬口徑、復(fù)合型高級(jí)工程技術(shù)人才。

在電子信息與電氣工程類專業(yè)的課程體系中，《電路分析》是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論嚴(yán)謹(jǐn)、邏輯性強(qiáng)，且具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐要求[5-6]。課程的教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生扎實(shí)掌握電路的基本理論知識(shí)、電路的基本分析方法和初步的實(shí)驗(yàn)研究技能，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，為電類專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備必要的電路知識(shí)，并為深入研究電路理論奠定基礎(chǔ)。然而，《電路分析》要求學(xué)生在掌握電阻電路分析、相量法及交流電路、動(dòng)態(tài)電路的復(fù)頻域分析和二端口網(wǎng)絡(luò)等理論知識(shí)的同時(shí)，還需在16學(xué)時(shí)內(nèi)完成配套的電路實(shí)驗(yàn)課程，這對(duì)于初學(xué)電路、缺乏經(jīng)驗(yàn)的二年級(jí)學(xué)生而言，不僅學(xué)習(xí)難度較大，而且實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)也非常有限，很難達(dá)到通過實(shí)踐操作促進(jìn)理論內(nèi)容學(xué)習(xí)的目的。傳統(tǒng)的《電路分析》的實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容僅是對(duì)經(jīng)典的電路理論進(jìn)行驗(yàn)證，缺乏有關(guān)電路分析方法的實(shí)踐以及實(shí)用化電子線路的設(shè)計(jì)與調(diào)試，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力以及解決實(shí)際問題的動(dòng)手能力等方面略顯不足。因此，認(rèn)真思考和研究理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的開展模式，不僅可以有效解決學(xué)時(shí)有限和內(nèi)容廣泛之間的矛盾，還能合理兼顧傳授知識(shí)與培養(yǎng)能力的需求;所培養(yǎng)的學(xué)生也將具備更好的實(shí)踐動(dòng)手能力以及分析問題和解決問題的能力，更加符合新時(shí)期應(yīng)用型人才的需求。下面以東華大學(xué)電子信息與電氣工程類專業(yè)為例，從5個(gè)方面探討“新工科”背景下《電路分析》實(shí)踐課程的改革和發(fā)展，以進(jìn)一步提升理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的效果，使實(shí)踐課程能夠更加緊密地結(jié)合行業(yè)的發(fā)展，滿足國(guó)家產(chǎn)業(yè)提升的人才需求[7]。

1? 認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)

《電路分析》是電子信息與電氣工程類專業(yè)學(xué)生的第一門專業(yè)課程，在此之前，學(xué)生沒有任何電學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)。因此，在《電路分析》開課之初，同期開展認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)活動(dòng)，其教學(xué)目標(biāo)不同于專業(yè)實(shí)習(xí)。認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)旨在借助技能訓(xùn)練幫助學(xué)生掌握后續(xù)專業(yè)課程（理論課程和實(shí)踐課程）所需的基礎(chǔ)實(shí)踐技能，提高學(xué)生的動(dòng)手能力和專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，為將來從事相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)研究工作奠定基礎(chǔ)。

認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)共計(jì)5周，主要內(nèi)容包括規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作和用電安全、元器件的認(rèn)識(shí)和測(cè)量、常用儀器儀表的正確使用、焊接和裝配技術(shù)以及電子仿真工具M(jìn)ultisim的使用[7-9]。其中，Multisim仿真軟件是一個(gè)集電路原理設(shè)計(jì)和電路功能測(cè)試于一體的虛擬仿真軟件，是用軟件的方法虛擬電工、電子元器件及各種儀器、儀表，并通過圖形界面將元器件構(gòu)成的電路和所需的虛擬儀器、儀表集合為一體的。與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)方法相比，Multisim包含的元器件及測(cè)試儀器和儀表十分齊全，可完成各種類型的電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，無需消耗實(shí)際的元器件，因此，實(shí)驗(yàn)成本低、效率高;其次，基于Multisim的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以同步進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)，電路的修改調(diào)試、參數(shù)的測(cè)試分析以及數(shù)據(jù)的記錄和輸出均十分方便。另外，Multisim具有強(qiáng)大的電路分析功能，包括直流工作點(diǎn)分析、穩(wěn)態(tài)分析以及瞬態(tài)分析等多種電路分析功能，這非常有利于拓展電路實(shí)驗(yàn)的廣度和深度，也便于學(xué)生隨時(shí)隨地開展電路的設(shè)計(jì)和分析。

通過5周的學(xué)習(xí)和動(dòng)手操作，學(xué)生能夠識(shí)別和選用常用的電子元器件，能夠初步了解常用的電工電子測(cè)量?jī)x器和儀表的使用方法、電路搭建和調(diào)試的基本思路以及印制電路板的制作流程，并能利用Multisim仿真軟件進(jìn)行基本電路的仿真和測(cè)量。

2? 電路實(shí)驗(yàn)課程

與《電路分析》理論課相對(duì)應(yīng)的電路實(shí)驗(yàn)課程共計(jì)16學(xué)時(shí)，主要教學(xué)內(nèi)容包括疊加定理和戴維南定理實(shí)驗(yàn)、電源的外特性和電源的等效變換實(shí)驗(yàn)、含有受控源的直流電路實(shí)驗(yàn)、交流阻抗參數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)、電路功率因數(shù)的提高實(shí)驗(yàn)、串聯(lián)諧振電路實(shí)驗(yàn)、一階電路和二階電路的響應(yīng)等。上述電路實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，旨在幫助學(xué)生通過實(shí)踐操作進(jìn)一步加深鞏固電路理論知識(shí)，逐步掌握電路設(shè)計(jì)和調(diào)試等科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能以及常用電子儀器、儀表的正確使用方法。

電路實(shí)驗(yàn)課程是《電路分析》理論教學(xué)的配套實(shí)踐課程，基礎(chǔ)性較強(qiáng)，主要偏向于原理驗(yàn)證。每次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生首先需要明確每個(gè)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)，準(zhǔn)確理解電路原理圖，然后搭建電路并熟練使用各類電子儀器觀察和分析電路的性能，按步驟、按要求逐步完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象;調(diào)試過程中，需要學(xué)生合理分析并解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，強(qiáng)調(diào)獨(dú)立思考;最后，準(zhǔn)確處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析和解釋，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，電路實(shí)驗(yàn)課程還提供了拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以期更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性，提高學(xué)生的自我探究能力。

3? 基于Multisim仿真的《電路分析》課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

電路實(shí)驗(yàn)在《電路分析》的教學(xué)環(huán)節(jié)中扮演著重要的角色，在培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新人才和全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)等方面具有不可替代的地位和作用。然而，電路實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)時(shí)有限，只能在一定程度范圍內(nèi)豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)感知。為了幫助學(xué)生理解和鞏固電路理論知識(shí)，任課教師在《電路分析》理論教學(xué)環(huán)節(jié)中增加Multisim仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，不僅可以對(duì)電路實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行延伸和拓展，還能將教學(xué)難點(diǎn)的講解融于直觀形象的演示和介紹中[10-11]。課上，任課教師根據(jù)課程進(jìn)度，借助Multisim仿真軟件平臺(tái)建立驗(yàn)證基爾霍夫定律、電阻電路等效變換、替代定理等基本定律定理的仿真電路，然后結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果及理論推導(dǎo)講解相關(guān)知識(shí)點(diǎn);課下，每個(gè)學(xué)生需要自行設(shè)計(jì)搭建仿真電路，學(xué)習(xí)使用常用電子儀器和儀表分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測(cè)試結(jié)果并排除故障，完成電路參數(shù)的測(cè)量。

另外，學(xué)生還需以團(tuán)隊(duì)的形式完成一次課程大作業(yè)[12-13]，大作業(yè)的內(nèi)容較為綜合且具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。例如，在講解“含有運(yùn)算放大器的電阻電路”這一章節(jié)之后，任課教師會(huì)圍繞“濾波器的設(shè)計(jì)”布置大作業(yè)。首先，任課教師給出電路的具體參數(shù)設(shè)計(jì)要求和大體思路，以便學(xué)生能夠有針對(duì)性地進(jìn)行技術(shù)調(diào)研和方案設(shè)計(jì)。在確定設(shè)計(jì)任務(wù)之后，學(xué)生組隊(duì)并根據(jù)個(gè)人興趣和專長(zhǎng)進(jìn)行任務(wù)分工，包括相關(guān)技術(shù)的發(fā)展調(diào)研、原理仿真、電路設(shè)計(jì)和仿真、誤差分析以及報(bào)告的撰寫和展示。在完成大作業(yè)的過程中，如遇到問題，學(xué)生可進(jìn)行組內(nèi)討論，也可以與任課教師討論。最后，每個(gè)團(tuán)隊(duì)需對(duì)工作進(jìn)行匯報(bào)和總結(jié)。

經(jīng)過幾個(gè)學(xué)期的實(shí)踐，基于Multisim仿真平臺(tái)的拓展實(shí)踐環(huán)節(jié)取得了較為明顯的效果，選課學(xué)生給出了很多積極的反饋。學(xué)生不僅建立了實(shí)際電路模型化的概念，掌握了簡(jiǎn)單電路模型化的處理原則，還初步具備了搭建實(shí)際電路的能力，為后續(xù)小規(guī)模、綜合型電路實(shí)驗(yàn)以及數(shù)模電課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的順利開展奠定了較好的基礎(chǔ)。更為重要的是，自主、合作、探究的學(xué)習(xí)過程讓學(xué)生真正成為了課堂的主人，學(xué)生不再是被動(dòng)地接受和學(xué)習(xí)，而是自信、自主、快樂、滿足地學(xué)習(xí)和探索。

4? 創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目

“新工科”建設(shè)理念更為強(qiáng)調(diào)應(yīng)用型、創(chuàng)新型和復(fù)合型的人才培養(yǎng)模式，單一模式的培養(yǎng)方案已無法滿足社會(huì)發(fā)展的需求，為此，《電路分析》的任課教師結(jié)合自身的科研方向，每年提供1～3個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐題目供學(xué)生團(tuán)隊(duì)選擇。學(xué)生團(tuán)隊(duì)可根據(jù)自身特長(zhǎng)和興趣進(jìn)行選題，并在教師的指導(dǎo)和協(xié)助下自主完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件的準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施、數(shù)據(jù)處理與分析、報(bào)告撰寫以及成果交流等工作。

例如，在創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目《語音信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)功能單元的設(shè)計(jì)》中，首先，學(xué)生需查閱科技文獻(xiàn)，理解基于激光多普勒振動(dòng)測(cè)量原理的語音信號(hào)遠(yuǎn)距離、非接觸、實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理，明確激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)輸出信號(hào)的特征，細(xì)化并完善研究方案，制訂項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃;然后，依據(jù)真實(shí)環(huán)境中語音信號(hào)探測(cè)的實(shí)際情況，開展實(shí)時(shí)重構(gòu)電路的功能仿真和降噪濾波器等模塊的配置參數(shù)模擬。其次，建立實(shí)時(shí)重構(gòu)電路的Multisim仿真模型，進(jìn)而獲得最優(yōu)化的配置參數(shù);在此基礎(chǔ)上，再借助Protel DXP軟件設(shè)計(jì)完成硬件電路并制板。最后，購(gòu)買相關(guān)元器件并完成板級(jí)調(diào)試，再與激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而得到原始語音信息，實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的探測(cè)。在完成項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容之后，學(xué)生還需對(duì)研究成果進(jìn)行總結(jié)、展示并提交結(jié)題報(bào)告。

創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目為期一年，它是以科研項(xiàng)目為導(dǎo)向，幫助學(xué)生從科學(xué)問題出發(fā)，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面進(jìn)行項(xiàng)目研究和探索。這種以創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目為牽引的課外培養(yǎng)模式，不僅可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力，還可進(jìn)一步調(diào)動(dòng)本科生開展科研的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，激發(fā)學(xué)生積極主動(dòng)獲取新知識(shí)和新技能的興趣，這對(duì)倡導(dǎo)以啟發(fā)探索和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為核心的研究式學(xué)習(xí)起著積極的促進(jìn)作用[14-16]。

此外，創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目可以幫助學(xué)生形成良好的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，學(xué)會(huì)有效溝通和協(xié)同互助，為后續(xù)參加大學(xué)生電子競(jìng)賽、挑戰(zhàn)杯賽等競(jìng)賽積累項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

5? 生產(chǎn)實(shí)習(xí)

首先，生產(chǎn)實(shí)習(xí)可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電子信息與電氣工程類專業(yè)的感性認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生了解相關(guān)技術(shù)在工程企業(yè)中的應(yīng)用以及專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)是如何與實(shí)際工程相結(jié)合的;其次，生產(chǎn)實(shí)習(xí)還可以讓學(xué)生盡早體驗(yàn)真實(shí)的職場(chǎng)環(huán)境，有利于學(xué)生在工作后盡快完成從學(xué)校到職場(chǎng)、從學(xué)生到員工的角色轉(zhuǎn)變[17]，盡快進(jìn)入工作狀態(tài)。

相對(duì)于以前在某一時(shí)間集體到大型國(guó)企實(shí)習(xí)的方式而言，現(xiàn)在的生產(chǎn)實(shí)習(xí)多采用分散式、自主式的方式進(jìn)行。對(duì)于電子信息與電氣工程類專業(yè)的學(xué)生，學(xué)院會(huì)提供測(cè)試、通信、電力、控制等行業(yè)的龍頭企業(yè)作為實(shí)習(xí)基地，鼓勵(lì)學(xué)生走出去，學(xué)生則可根據(jù)自身專業(yè)和未來就業(yè)意向選擇其一進(jìn)行實(shí)習(xí)。實(shí)習(xí)階段，校內(nèi)有相關(guān)研究方向的教師給予指導(dǎo)，校外企業(yè)則會(huì)安排企業(yè)導(dǎo)師及時(shí)跟進(jìn)并提供幫助;此外，各專業(yè)還會(huì)邀請(qǐng)相關(guān)企業(yè)導(dǎo)師到校做講座和報(bào)告，分享工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過校企合作這種實(shí)習(xí)模式，學(xué)生能夠清楚地了解自己的特長(zhǎng)和不足，并能在實(shí)際操作中不斷改進(jìn)和提高、豐富自己的社會(huì)經(jīng)驗(yàn)，在職場(chǎng)上少走彎路，找到更加適合自己的工作。

6? 結(jié)語

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，要求高校的人才培養(yǎng)模式要不斷探索和更新。該文以東華大學(xué)《電路分析》課程為例，在分析課程特點(diǎn)和難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)課程、創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目以及生產(chǎn)實(shí)習(xí)等多種實(shí)踐教學(xué)方式對(duì)提升學(xué)生綜合能力的作用。研究及實(shí)踐結(jié)果表明，多種實(shí)踐教學(xué)方式的綜合運(yùn)用，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力，能夠有效縮短學(xué)生從學(xué)校走向工作崗位的磨合期，與“新工科”的創(chuàng)新型、復(fù)合型人才的培養(yǎng)理念也非常匹配。

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