“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程在線教學(xué)設(shè)計(jì)與探索

孫亞飛 潘學(xué)偉 吳屏

摘 要：“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程是電類專業(yè)的基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)課程，該課程的開展是十分必要的。文章針對(duì)模擬電子技術(shù)線上實(shí)驗(yàn)課程的開展，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）電工與電子教學(xué)中心對(duì)該課程的教學(xué)模式進(jìn)行了深入的探索，與深圳易星標(biāo)技術(shù)有限公司展開合作，利用他們提供的在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行整合和優(yōu)化。對(duì)于單管交流放大電路、射極跟隨器、集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用、波形發(fā)生電路等驗(yàn)證性和設(shè)計(jì)性電路，學(xué)生利用在線遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)、電路的搭建，數(shù)據(jù)調(diào)試以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的處理，讓學(xué)生的動(dòng)手能力在疫情期間也能得到很大的提高。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù);在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng);在線教學(xué)設(shè)計(jì)

0? ? 引言

“模擬電子技術(shù)”是電類專業(yè)最為重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，“模擬電子技術(shù)”實(shí)驗(yàn)是“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”的配套課程，該課程對(duì)實(shí)踐環(huán)境的要求相對(duì)較高，不能用軟件仿真實(shí)驗(yàn)代替[1]。為了實(shí)現(xiàn)線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）和深圳易星標(biāo)技術(shù)有限公司開展合作，利用易星標(biāo)提供的在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行改革，讓學(xué)生足不出戶就可以感受“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”帶給他們的動(dòng)手之樂[2]。

1? ? 在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)

在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)（Elf-LAB）是深圳易星標(biāo)技術(shù)有限公司基于產(chǎn)出導(dǎo)向教學(xué)理念，為改進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提供大數(shù)據(jù)支撐而開發(fā)的實(shí)踐管理閉環(huán)系統(tǒng)。在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)如圖1所示。

1.1? 在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)可以打破時(shí)域限制，實(shí)現(xiàn)資源的共享，同時(shí)也可以提高教學(xué)效率，讓學(xué)有余力的同學(xué)可以將更多的時(shí)間投入實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)[1，3-4]。同時(shí)Elf-LAB系統(tǒng)可以感知物理器件、真實(shí)電路布線引入的偏差，學(xué)生可以通過調(diào)參數(shù)、改走線，體驗(yàn)真實(shí)物理器件引入的偏差，利用工程思維思考問題。這個(gè)過程可以讓學(xué)生對(duì)理論知識(shí)有更加深入的認(rèn)識(shí)和理解。尤為重要的是這個(gè)系統(tǒng)比仿真更能接近真實(shí)研發(fā)環(huán)境，工程人員通過該系統(tǒng)的仿真更容易發(fā)掘工程實(shí)際問題。最后，老師可以通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)關(guān)注學(xué)生的完成情況，根據(jù)后臺(tái)的數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)學(xué)生的薄弱點(diǎn)，課下老師根據(jù)統(tǒng)計(jì)的情況再針對(duì)性的進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量的改進(jìn)[1，5]，在線真實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖2所示。

1.2? 系統(tǒng)的核心功能

（1）可以打破僵化的電路設(shè)計(jì)，不同于簡(jiǎn)單的固定連線，給學(xué)生最大的自由發(fā)揮空間，變被動(dòng)為主動(dòng)。

（2）開放接口，支持自主設(shè)計(jì)模塊，根據(jù)教學(xué)計(jì)劃完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的核心功能介紹如圖3所示。

1.3? 最全實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析界面包括16項(xiàng)過程數(shù)據(jù)采集和? ? ? ?15個(gè)維度學(xué)情分析，其中，16項(xiàng)過程數(shù)據(jù)采集包括：每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一次上傳數(shù)據(jù)錯(cuò)誤數(shù)量（個(gè)人及班級(jí)）、錯(cuò)誤率、監(jiān)測(cè)點(diǎn)試錯(cuò)次數(shù)、提交時(shí)間、最后一次提交正確數(shù)量、正確率等;15個(gè)維度學(xué)情分析包括：全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一次上傳數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率分布、全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最后一次上傳數(shù)據(jù)正確率分布、試錯(cuò)因素分布、速度因素分布、操作成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)等。

1.4? 個(gè)性化學(xué)習(xí)建議

個(gè)性化學(xué)習(xí)建議流程如圖4所示。在流程圖中主要涉及兩個(gè)核心關(guān)聯(lián)，其中，關(guān)聯(lián)1是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置;關(guān)聯(lián)2是內(nèi)容推送。

2? ? 基于在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行的模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式探索

目前，許多高校針對(duì)模電實(shí)驗(yàn)都采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即老師發(fā)布相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求完成預(yù)習(xí)報(bào)告，老師課上講解相關(guān)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容并檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟完成實(shí)驗(yàn)，課上檢查學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有問題的學(xué)生還需重新做。學(xué)生根據(jù)課上獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，模電實(shí)驗(yàn)都需要在線下完成。針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟獲得數(shù)據(jù)大同小異，老師并不能真實(shí)獲得學(xué)生對(duì)課程的反饋[4-5]。而通過在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，老師可以在后臺(tái)查看學(xué)生的數(shù)據(jù)，真實(shí)掌握學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的情況，以及學(xué)生易發(fā)生錯(cuò)誤的點(diǎn)，這些信息都有利于老師今后對(duì)教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)支持線上完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，不需學(xué)生再手寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，節(jié)省了學(xué)生大量的時(shí)間，可以讓學(xué)有余力的同學(xué)把更多的時(shí)間投入創(chuàng)新型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[6]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）利用在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)進(jìn)行“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”線上教學(xué)的過程如圖5所示。

老師需要在在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)發(fā)布實(shí)驗(yàn)任務(wù)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)電路的搭建、數(shù)據(jù)采集和分析以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的處理和線上提交，老師根據(jù)學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告以及后臺(tái)相關(guān)的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)情分析，結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)的狀況、內(nèi)容、方法和效果的統(tǒng)計(jì)，針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)質(zhì)量的完善，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，使之形成一個(gè)正向的反饋環(huán)。以上的過程都是可以線上進(jìn)行，老師和學(xué)生的交互不再受時(shí)空約束[1，4]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”共? ? ? ? ?24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有二極管和三極管的功能測(cè)試、單管交流放大電路、射極跟隨器、帶負(fù)反饋的兩級(jí)交流電壓放大電路、有源濾波電路的研究、集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用、波形發(fā)生電路、直流穩(wěn)壓電路等。其中帶負(fù)反饋的兩級(jí)交流電壓放大電路、有源濾波電路的研究、直流穩(wěn)壓電路都是通過軟件仿真進(jìn)行，占12學(xué)時(shí)[6]。二極管和三極管的功能測(cè)試是第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，主要是讓大家掌握在線真實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)的使用。單管交流放大電路、射極跟隨器、集成運(yùn)放的線性和非線性實(shí)驗(yàn)都為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路圖并結(jié)合在線真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行搭建，獲取相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并保存相關(guān)的截圖。學(xué)生可以直接在在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)上處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告。由于波形發(fā)生電路是一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，需要同學(xué)結(jié)合理論知識(shí)進(jìn)行相關(guān)電路圖的設(shè)計(jì)。電路圖設(shè)計(jì)的過程中，相關(guān)器件參數(shù)的設(shè)置要考慮在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)有的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行。除此之外，學(xué)生還可以通過此平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電路實(shí)驗(yàn)、信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、電子競(jìng)賽以及綜合性電路設(shè)計(jì)及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

2.1? 在線真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在模電驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

2020春季學(xué)期，利用在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)共發(fā)布5個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別為二極管和三極管的功能測(cè)試、單管交流放大電路、射極跟隨器、集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用、波形發(fā)生電路。其中二極管功能測(cè)試、單管交流放大電路、射極跟隨器實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，波形發(fā)生電路是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，三極管的功能測(cè)試和集成運(yùn)放的線性和非線性應(yīng)用是綜合性實(shí)驗(yàn)。

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)就以單管交流放大電路為例，單管交流放大電路是模電實(shí)驗(yàn)中比較經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，非常具有代表性，是學(xué)好模電必備的基礎(chǔ)知識(shí)[4]。要想做好單管交流放大電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們需要掌握放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)以及調(diào)整方法，掌握放大器放大倍數(shù)的測(cè)量方法，深入理解放大器靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大器工作狀態(tài)的影響，同時(shí)也要對(duì)示波器、低頻信號(hào)發(fā)生器的使用非常熟悉。利用在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)室外具備網(wǎng)絡(luò)條件的任何地方，通過計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程控制智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)物電路和測(cè)量?jī)x表，實(shí)現(xiàn)如同在現(xiàn)場(chǎng)操作一樣的電路元件調(diào)整效果和測(cè)量結(jié)果。完整的實(shí)驗(yàn)流程如下：學(xué)生登錄在線真實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程系統(tǒng)，選擇空閑的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)入選定的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，選擇需要做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，點(diǎn)擊“掃描”按鈕，將放置在在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)的模塊掃描到客戶端軟件上，點(diǎn)擊“找儀器”，尋找與在線真實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)連接的測(cè)量?jī)x器，并點(diǎn)擊“攝像頭”，實(shí)時(shí)觀察在線真試驗(yàn)管理系統(tǒng)的平臺(tái)實(shí)際情況。準(zhǔn)備工作就緒后，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的原理圖進(jìn)行電路的搭建，下發(fā)電路。下發(fā)成功后，調(diào)節(jié)信號(hào)源、示波器、數(shù)字電位器，保證最終的測(cè)量結(jié)果。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，所有的數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)上傳后臺(tái)，老師可以真實(shí)了解每個(gè)學(xué)生的完成情況。

2.2? 在線真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在模電綜合性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，包括驗(yàn)證和設(shè)計(jì)，也有創(chuàng)新部分。以波形發(fā)生電路實(shí)驗(yàn)為例，老師只給出實(shí)驗(yàn)題目以及要求的相關(guān)參數(shù)。對(duì)于電路圖的繪制以及參數(shù)的選取由學(xué)生自己定義。電路是有兩級(jí)電路組合而成，前級(jí)電路為方波發(fā)生器，要求產(chǎn)生的幅值，占空比以及信號(hào)的頻率固定，后級(jí)電路是一個(gè)積分電路，將方波電壓轉(zhuǎn)換成三角波，后級(jí)電路的參數(shù)要求幅值是一定的。學(xué)生自行選擇自己所需要的參數(shù)，繪制電路圖，利用仿真軟件先進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)果，最后在在線真實(shí)驗(yàn)遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)上搭建電路，進(jìn)行電路的調(diào)試，得到較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4]。完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生對(duì)理論知識(shí)既要有一定的掌握，又要求學(xué)生有一定的仿真能力，最重要的是要求學(xué)生有動(dòng)手實(shí)踐能力。整個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生全方位得到鍛煉[7]。

3? ? 結(jié)語

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中，教師在實(shí)驗(yàn)課前審閱預(yù)習(xí)報(bào)告的時(shí)間和強(qiáng)度壓力比較大。學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中只做文字抄錄，不做深入思考的淺預(yù)習(xí)。尤為嚴(yán)重的是，學(xué)生無論準(zhǔn)備是否充分都可以做實(shí)驗(yàn)。很多學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，獲得數(shù)據(jù)大同小異，對(duì)于每個(gè)學(xué)生的真實(shí)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)無法跟蹤，因此對(duì)每個(gè)學(xué)生的實(shí)際操作水平?jīng)]辦法做出客觀評(píng)價(jià)。對(duì)于一些班級(jí)人數(shù)較多的情況，每個(gè)人的掌握情況不盡相同，無法因材施教。實(shí)驗(yàn)課程缺乏閉環(huán)評(píng)價(jià)機(jī)制，課程質(zhì)量無法得到持續(xù)改進(jìn)。從課堂上學(xué)生的反饋以及課下課程的評(píng)價(jià)來看，在線實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)可以有效促使學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)。老師可以在線進(jìn)行預(yù)習(xí)檢測(cè)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備以及預(yù)習(xí)情況有非常全面的了解。同時(shí)也能跟蹤每個(gè)學(xué)生的具體操作過程以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況。老師也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況制定個(gè)性化學(xué)習(xí)方案，學(xué)生也可以對(duì)老師的教學(xué)情況進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，雙向的互動(dòng)切切實(shí)實(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量，學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性也得到了很大的提高。

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（編輯 傅金睿）

Design and exploration of online teaching of “Analog

Rlectronic Technology Experiment” course

Sun Yafei， Pan Xuewei， Wu Ping

（Experiment and Innovation Education Center， Harbin Institute of Technology （Shenzhen）， Shenzhen 518055， China）

Abstract：The course of “Analog Electronic Technology Experiment” is the basic professional experimental course of electrical specialty， the development of this course is very necessary. The development of the online experiment for “Analog Electronic Technology Experiment” course， the Harbin Institute of Technology （Shenzhen） center for electrical and electronic teaching of the course teaching mode has carried on the thorough exploration， and Easing Standard Technology （Shenzhen） Co.， Ltd.， use the online experiment management system， they provide the existing experimental curriculum integration and optimization. For single pipe ac amplifying circuit， emitter follower， linear and nonlinear application of integrated operational amplifier， waveform generating circuit and the verification and design circuit， students use online remote experiment system for the experiment of preparation， the construction of the circuit， debugging and test report data processing， lets the student beginning ability during the outbreak could be greatly improved.

Key words：analog electronic technology; online real experiment management system; online teaching design