成果導(dǎo)向理念下的電子信息類專業(yè)電路分析實(shí)驗(yàn)課程體系探索

梁燕，盧振洲(通信作者)

(杭州電子科技大學(xué) 電工電子國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018)

0 引言

在信息科技發(fā)展突飛猛進(jìn)的今天，知識(shí)總量呈現(xiàn)爆炸性增長趨勢，為了響應(yīng)社會(huì)對(duì)綜合性人才的要求，越來越多的高校采取大類招生的方式[1][2]。電路分析實(shí)驗(yàn)作為電子信息大類專業(yè)學(xué)生接觸到的第一門專業(yè)實(shí)踐課程顯得尤為重要，而傳統(tǒng)電路分析實(shí)驗(yàn)基本沿用科學(xué)教育模式，關(guān)注基礎(chǔ)知識(shí)及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。電路分析基本知識(shí)點(diǎn)具有分散抽象等特點(diǎn)，學(xué)生容易脫離實(shí)際應(yīng)用，不利于對(duì)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣、復(fù)雜工程問題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。

作為一種先進(jìn)的教學(xué)理念，成果導(dǎo)向教育(Outcome based education，簡稱OBE)自1981年提出后很快得到了人們的重視與認(rèn)可。2013年6月，我國成為《華盛頓協(xié)議》成員，標(biāo)志著工程教育認(rèn)證在我國已經(jīng)拉開帷幕[3]。工程教育認(rèn)證理念對(duì)引導(dǎo)和促進(jìn)專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革、保障和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。其內(nèi)涵更接近工程實(shí)踐，貼近社會(huì)對(duì)人才的需求，必須從專業(yè)課程體系和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行改革[4]。針對(duì)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系[5-7]和專業(yè)核心實(shí)踐課程[8-10]，國內(nèi)眾多院校進(jìn)行了教學(xué)改革。

我校電路分析實(shí)驗(yàn)課程組遵循三個(gè)基本理念（成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進(jìn)），確定電子信息類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，重構(gòu)了適用于專業(yè)學(xué)生的《電路分析實(shí)驗(yàn)》課程體系，設(shè)計(jì)涵蓋多知識(shí)點(diǎn)的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、虛擬仿真技術(shù)、遠(yuǎn)程實(shí)境等實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段解決傳統(tǒng)長學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)時(shí)間和空間的要求。完善了電路基本理論知識(shí)，將憶阻器融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中。

1 電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

我校電工電子實(shí)驗(yàn)中心自2006年被批準(zhǔn)為國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心來，面向全校多個(gè)專業(yè)承擔(dān)電路分析實(shí)驗(yàn)課程，現(xiàn)在主要存在以下問題：

(1) 電路分析實(shí)驗(yàn)作為電子信息類的基礎(chǔ)課，具有龐大的知識(shí)體系，掌握電路知識(shí)是這些專業(yè)學(xué)生的基本素養(yǎng)。而電子信息類專業(yè)學(xué)生需要花費(fèi)大量的時(shí)間去修讀電路分析課程，涉及知識(shí)點(diǎn)跨度大。這又與電子信息類專業(yè)學(xué)生對(duì)信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析等知識(shí)旺盛的需求相矛盾[11]；

(2)電路分析實(shí)驗(yàn)主要包括課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)多以演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)則大多是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。但是由于課時(shí)限制，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)獨(dú)立，缺少前后的聯(lián)系[12]；

(3)早在1971年，蔡少棠教授便根據(jù)電路理論的完備性提出了第四種電路元件-憶阻器的概念[13]。直到2008年，HP實(shí)驗(yàn)室首次采用納米尺度無源器件（由兩個(gè)鉑金屬極和TiOx金屬氧化物薄膜材料組成）給出了憶阻器的物理實(shí)現(xiàn)[14]，才引起研究者足夠的重視。但是由于憶阻器尚未商業(yè)化，電路分析實(shí)踐課程尚未增加這部分內(nèi)容，無法支撐學(xué)生學(xué)習(xí)電路理論體系完備的目標(biāo)。

2 課程教學(xué)改革方案

■2.1 課程培養(yǎng)目標(biāo)確定

傳統(tǒng)教育是學(xué)科導(dǎo)向的，教學(xué)設(shè)計(jì)注重學(xué)科的需求，一定程度上會(huì)忽視專業(yè)的需求。而OBE則是從需求開始，由需求來決定培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，在由畢業(yè)要求來確定課程體系[15-16]。最終學(xué)習(xí)成果既是OBE的終點(diǎn)，也是其起點(diǎn)。電路分析實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識(shí)和基本理論的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是第一門專業(yè)實(shí)踐課程，是后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)的必備基礎(chǔ)，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要達(dá)到以下兩個(gè)學(xué)習(xí)目標(biāo)：

(1) 能夠運(yùn)用數(shù)理和工程基礎(chǔ)知識(shí)和基礎(chǔ)原理，掌握電路基本理論、定律，會(huì)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及硬件組裝調(diào)測，對(duì)電子信息領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和設(shè)計(jì)并進(jìn)行簡單的調(diào)試，獲得有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(2) 常用的電子測量儀器的正確使用方法，了解儀器的校準(zhǔn)、精度等基本概念，了解設(shè)備使用的局限性及可能產(chǎn)生的誤差。培養(yǎng)獨(dú)立思維和解決實(shí)際問題的能力。熟悉使用仿真工具進(jìn)行電路分析與設(shè)計(jì)的基本方法，提高學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代仿真設(shè)計(jì)工具進(jìn)行簡單的輔助電子電路設(shè)計(jì)的能力。培養(yǎng)基礎(chǔ)的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思想，為后續(xù)課程和今后從事電子信息工程等方面的工作打好基礎(chǔ)。

課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成代表了一種能力結(jié)構(gòu)，而這種能力結(jié)構(gòu)主要通過教學(xué)的實(shí)施來實(shí)現(xiàn)。

■2.2 專業(yè)知識(shí)體系重構(gòu)

電路理論知識(shí)可以分為代數(shù)方程描述的電阻電路和微分方程表述的動(dòng)態(tài)電路兩部分。對(duì)于電阻電路，輸出是輸入的即時(shí)響應(yīng)，屬于無記憶電路的特征。而對(duì)于動(dòng)態(tài)電路，由于電路中有電容、電感等動(dòng)態(tài)元件，輸出不再是輸入的即時(shí)反應(yīng)，具有動(dòng)態(tài)的響應(yīng)過程。電阻電路的分析方法是動(dòng)態(tài)電路分析的基礎(chǔ)，所以電阻電路部分在課程中占比例較大。將正弦穩(wěn)態(tài)交流電路、動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)均劃入微分方程表述的動(dòng)態(tài)電路范疇。將電路基本定律和基本分析方法知識(shí)點(diǎn)都融入電阻電路的實(shí)驗(yàn)案例中，不再單獨(dú)設(shè)置基本測量、電路基本定理驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用虛實(shí)結(jié)合的方式對(duì)比理解。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施及效果

■3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施

雖然驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)的鞏固和學(xué)習(xí)有著重要的作用，但是根據(jù)工程教育理念，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目還應(yīng)該涵蓋通過電路基本定律和基本方法來解決電子信息領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題。課程組根據(jù)重構(gòu)的知識(shí)體系，以電子信息類專業(yè)學(xué)生為中心，將電路分析實(shí)驗(yàn)課程分為：電阻電路綜合性實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)和新型記憶元件創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)模塊。

3.1.1 電阻電路綜合性實(shí)驗(yàn)

課程組遵循工程教育以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向的理念，教學(xué)形式采用項(xiàng)目式教學(xué)，設(shè)置電阻電路綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)習(xí)模式以研究探索為主，充分利用基本電路理論知識(shí)去分析和解決問題。指導(dǎo)老師對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的合理性和可行性進(jìn)行評(píng)估，建立合理的考核機(jī)制。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生處于主導(dǎo)地位，有效培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.1.2 動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

動(dòng)態(tài)電路與電阻電路最大的區(qū)別在于電路的響應(yīng)需要時(shí)間，過渡的時(shí)間雖然短暫，但在電子信息領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。課程組在成果理念導(dǎo)向思想的引導(dǎo)下采用555計(jì)時(shí)器電路實(shí)現(xiàn)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器作為動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)實(shí)驗(yàn)部分，實(shí)施過程如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)的實(shí)施過程

該實(shí)驗(yàn)案例從應(yīng)用的角度出發(fā)，提出實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案和設(shè)計(jì)指標(biāo)，學(xué)生自主參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證后完成實(shí)驗(yàn)電路連接，使用儀器觀測分析設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)波形和仿真結(jié)果，充分認(rèn)識(shí)理論與實(shí)際存在的差別，使用動(dòng)態(tài)電路及其響應(yīng)的電路理論知識(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及誤差產(chǎn)生的原因。

3.1.3 新型記憶元件創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

電阻R、電容C和電感L是三大基本電路元件，而電壓v、電流i、磁通φ和電荷q是四個(gè)基本電路變量。四個(gè)基本電路變量兩兩之間存在六種組合關(guān)系，其中R=v/i, C=q/v,L=φ/i, v=dφ/dt, i=dq/dt這五種關(guān)系已經(jīng)確定。蔡少棠教授根據(jù)電路理論的完備性提出憶阻器的概念，它反應(yīng)了磁通量和電荷之間的關(guān)系[13]。而憶阻器現(xiàn)在仍然沒有商業(yè)化，將憶阻器仿真器加入至電路分析實(shí)驗(yàn)課程中有助于學(xué)生理解電路理論的完備性，區(qū)分線性電阻、非線性電路，理解記憶性和非記憶性。了解科學(xué)研究前沿動(dòng)態(tài)發(fā)展，為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

憶阻器是一種非線性二端電路元件，流過憶阻器的電流和兩端的電壓不再滿足同相位的關(guān)系。課程組采用了基本電路元件搭建仿真器來模擬憶阻器的這些特性，將仿真器兩端施加正弦激信號(hào)，觀測憶阻器仿真器的伏安特性曲線，如圖2所示為憶阻器伏安特性測試過程。

圖2 憶阻器伏安特性測試過程

■3.2 多樣化教學(xué)模式

傳統(tǒng)電路分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式一般是利用實(shí)驗(yàn)室電路分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、電路搭建以及參數(shù)測量，課后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和報(bào)告撰寫，缺乏靈活性，特別是對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，這種弊端顯現(xiàn)的更加明顯。因此課程組借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)、虛擬仿真技術(shù)、遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段，形成了多樣化教學(xué)模式。

(1) 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。為了與學(xué)生建立起充分的聯(lián)系和溝通，共享教學(xué)資源，及時(shí)查看實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)項(xiàng)目和反饋實(shí)驗(yàn)報(bào)告，建立了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。建立了教師和學(xué)生的閉環(huán)聯(lián)系，持續(xù)改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)能力目標(biāo)的達(dá)成。

(2)虛擬仿真技術(shù)。調(diào)整教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)中的虛擬仿真技術(shù)環(huán)節(jié)，不限制虛擬仿真軟件，也不再獨(dú)立設(shè)置獨(dú)立虛擬仿真課，將常用仿真軟件操作手冊(cè)等發(fā)布至教學(xué)平臺(tái)供學(xué)生自學(xué)。在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求使用虛擬仿真技術(shù)對(duì)電路選取和參數(shù)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)總結(jié)中，引入了對(duì)比的教學(xué)理念，通過分析仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分理解理想和實(shí)際的差別，加強(qiáng)相對(duì)和絕對(duì)誤差概念的掌握，逐步培養(yǎng)工程理念。

(3)遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)手段。課程組依托遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)中心，采用5G技術(shù)，解決了多并發(fā)、長延時(shí)等技術(shù)難題，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備搬到云端，分時(shí)復(fù)用，完成綜合性實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)施方案是將元器件、電路板等發(fā)給學(xué)生，實(shí)驗(yàn)調(diào)試等仍然需要來到實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室場地受限。而遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)手段，學(xué)生通過預(yù)約的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)不受限制。如圖3所示為電路分析遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)。

圖3 電路分析遠(yuǎn)程實(shí)境實(shí)驗(yàn)

■3.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施效果

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，課程組從電子信息工程專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)技能以及工程素養(yǎng)等方面考慮，建立了合理的評(píng)價(jià)機(jī)制，細(xì)化平時(shí)成績記錄冊(cè)，每個(gè)分項(xiàng)成績支撐相應(yīng)的課程目標(biāo)。通過多樣化的教學(xué)模式，學(xué)生分析和解決復(fù)雜電路工程問題的能力得到了很大的提高。

4 結(jié)語

經(jīng)過對(duì)電路分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)存在著知識(shí)體系不合理、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獨(dú)立以及電路理論知識(shí)不完備等缺點(diǎn)。在工程教育理念成果導(dǎo)向理念的啟發(fā)下，以學(xué)生為中心，確定了課程的培養(yǎng)目標(biāo)，依據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，并將科研熱點(diǎn)憶阻器等融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，重構(gòu)該課程的知識(shí)框架，開發(fā)了符合教育部要求的創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度的實(shí)驗(yàn)案例，基本電路理論知識(shí)點(diǎn)采用虛實(shí)結(jié)合的方式對(duì)比理解；設(shè)計(jì)涵蓋多個(gè)知識(shí)點(diǎn)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)克服傳統(tǒng)長學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和空間的限制，加強(qiáng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力；并入科研熱點(diǎn)，增加第四種基本電路元件—憶阻器，完善知識(shí)體系，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。