高校模電課程新工科背景下的教學(xué)改革探究

王 彤 高 楠

（蘭州城市學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

信息通信技術(shù)推動了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)的崛起，加快了人類進入智能化時代的步伐，同時也帶來了很多的機遇與挑戰(zhàn)，國家信息化進程也對ICT產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求。為了適應(yīng)環(huán)境對人才需求的變化，各高校響應(yīng)教育部的號召，積極建設(shè)與發(fā)展“新工科”，順應(yīng)新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)的形勢，注重學(xué)科間的交叉融合，深化工程教育改革[1]。

模擬電子技術(shù)課程作為通信類本科專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強的理論性、實踐性和工程性，在“新工科”人才培養(yǎng)方案中具有承上啟下的重要地位。而模擬電路的設(shè)計除了需要學(xué)生有扎實的電路理論基礎(chǔ)，更重要的是學(xué)生的分析能力和工程實踐素養(yǎng)。學(xué)生在實際教學(xué)過程中往往缺乏搭建電路實物的能力，通常會出現(xiàn)分析能力與手動能力不匹配的情況，也有很多學(xué)生會因為畏難情緒失去對該課程的學(xué)習(xí)興趣。因此，如何使用合理的教學(xué)模式，將課程的理論教學(xué)環(huán)節(jié)與實踐技能訓(xùn)練進行有機地整合，既調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加理論教學(xué)的效果，又有效地鍛煉和提升學(xué)生的工程應(yīng)用與實踐創(chuàng)新能力，是教師在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革過程中亟待思考和解決的問題。

1 現(xiàn)階段教學(xué)中存在的問題

新工科教育改革創(chuàng)新的關(guān)鍵在于教育教學(xué)質(zhì)量培養(yǎng)體系的構(gòu)建與實踐，現(xiàn)階段模擬電子技術(shù)課程在教學(xué)中存在以下4個方面的問題：1）學(xué)生被動式學(xué)習(xí)現(xiàn)象嚴重。各高校模擬電子技術(shù)課程授課學(xué)時數(shù)均有所壓縮，原教學(xué)體系中涉及的知識內(nèi)容繁多，從而使傳統(tǒng)授課內(nèi)容與學(xué)時數(shù)壓縮之間產(chǎn)生沖突。課程內(nèi)容沒有很好地與專業(yè)背景結(jié)合，也缺乏與日常社會生活的聯(lián)系，學(xué)生被動式學(xué)習(xí)，目標性不強，對課程知識的參與度低，缺乏工程應(yīng)用能力的鍛煉以及對創(chuàng)新思想的啟迪。2）實驗課機械式照搬嚴重。模擬電子技術(shù)大多配有實驗課程，補充理論教學(xué)內(nèi)容。但由于實踐教學(xué)資源、教學(xué)場地的限制，設(shè)備單一且固定，很多實驗器具都是模塊化的電路板。在做實驗時，學(xué)生往往機械式照搬實驗指導(dǎo)書預(yù)定的步驟和參數(shù)去進行數(shù)據(jù)的測量，所做的實驗大部分是驗證性實驗，限制了學(xué)生在實踐過程中技能訓(xùn)練和自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，使抽象難以理解的模擬電路理論知識得不到有效地拓展和延伸。3）考核模式粗放單一。傳統(tǒng)的應(yīng)試模式注重對理論知識點的考核，學(xué)生較容易在考前押題式復(fù)習(xí)，造成學(xué)習(xí)中存有僥幸心理從而懈怠平時的學(xué)習(xí)過程，得不到持久的學(xué)習(xí)興趣與動力，對電路的知識點也是不求甚解，難以融會貫通。4）課程思政深度不夠。傳統(tǒng)教學(xué)模式?jīng)]有很好地與思政教育相結(jié)合，專業(yè)知識與核心價值觀、立德樹人、工匠精神等珍貴的科學(xué)人文素養(yǎng)之間沒有得到很好的融合，缺乏對學(xué)生個人理想與社會責(zé)任感的激發(fā)，在專業(yè)知識能力與思想道德水平同時提升的過程中缺少緊密聯(lián)系。

2 課程教學(xué)改革思路

模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)改革中，以教師授課為主體的傳統(tǒng)教學(xué)方式應(yīng)逐步被轉(zhuǎn)變，課程改革方案具備多元化、多思路、多模式等特點。該文從教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式2個層面進行改革研討。

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革

2.1.1 教學(xué)內(nèi)容模塊化

現(xiàn)有教材大多注重經(jīng)典理論的講解，應(yīng)用型本科教學(xué)注重產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與人才需求間的不斷變化，模塊化教學(xué)的目的也是為了使學(xué)生具備日后與工作需求相對應(yīng)的能力，能夠?qū)φn程所涉及的問題具體應(yīng)對、深入思考，不斷開拓學(xué)生的思維及提高學(xué)生實踐能力。將教學(xué)內(nèi)容進行分類并實現(xiàn)模塊化，從而推動教學(xué)的優(yōu)化過程。在設(shè)計教學(xué)模塊時，把模塊化的理念體現(xiàn)在教學(xué)的準備、實施、考核和反饋的所有階段。根據(jù)知識點之間的共性有效地進行系統(tǒng)性設(shè)計，既考慮教學(xué)模塊間的獨立性，也要保持它們之間密切的聯(lián)系。課程內(nèi)容將分為4個模塊，如圖1所示。

圖1 模擬電子技術(shù)課程結(jié)構(gòu)

2.1.2 融入課程思政

為提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，在教授的過程中結(jié)合課程思政內(nèi)容。如模塊一教學(xué)內(nèi)容的先后次序揭示了部分與整體的關(guān)系，半導(dǎo)體器件是構(gòu)成模擬電路的基礎(chǔ)元素，它們相互依存，以對方的存在作為前提。它們互相影響，部分元件的狀態(tài)和變化會影響到整體的性能及變化（例如溫度對半導(dǎo)體器件參數(shù)的影響會改變模擬電路的工作性能）。分立元器件構(gòu)成的基本放大電路體積大、功耗高、處理速度慢，不適合電子器件小型化、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能更強的發(fā)展方向，事物的內(nèi)部矛盾推動了模擬電路的發(fā)展，電路參數(shù)不斷積累的量變過程決定了質(zhì)變的飛躍，電路產(chǎn)生改變，集成電路誕生。而放大電路中雖然器件繁多，但影響電路放大倍數(shù)的僅由幾個元器件決定，在分析問題時須分清主要矛盾和次要矛盾，抓牢主要矛盾。在教學(xué)過程中，關(guān)注人文科學(xué)的培養(yǎng)，可以加深對模擬電路理論的理解，在更高層次上把握科學(xué)問題的辯證關(guān)系[2]。

2.1.3 項目式教學(xué)

模擬電路具有很強的實踐性，實踐項目的穿插有利于增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。模塊三為信號的處理與發(fā)生電路，正弦波振蕩電路、非正弦波發(fā)生電路、有源濾波電路可以與實踐項目函數(shù)信號發(fā)生器很好地結(jié)合起來。函數(shù)信號發(fā)生器是實驗室中經(jīng)常使用的實驗儀器，對常見物體的原理進行探究，通常會增加學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。有源濾波電路對通信專業(yè)背景的學(xué)生來說是重點也是難點，是后續(xù)課程知識的基礎(chǔ)。這部分知識可以與專業(yè)知識相結(jié)合，增加一些專業(yè)延伸內(nèi)容，使學(xué)生及時了解一些專業(yè)新技術(shù)的發(fā)展。也可以做一些音箱分頻器、心電信號放大器等實踐項目，使學(xué)生加深對這部分內(nèi)容的理解[3]。

2.2 教學(xué)模式的改革

將線下課程教學(xué)環(huán)節(jié)與線上資源共享途徑有機整合，為學(xué)生提供靈活而廣泛的學(xué)習(xí)空間。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺與學(xué)生加強實時互動，把學(xué)生對知識點的掌握情況及時反饋于教學(xué)過程，后臺生成的統(tǒng)計報表也計入課程的過程考核成績中。

構(gòu)建虛擬仿真實驗環(huán)境，進行工程實踐改革。Multisim是美國國家虛擬儀器（NI）公司推出的基于Windows平臺的仿真工具，操作過程簡單直觀[4]。使用Multisim電路開發(fā)和仿真工具，可將實踐教學(xué)項目中電路原理圖的輸入、仿真和分析緊密結(jié)合。綜合利用虛擬儀器儀表，使學(xué)生更好地觀察在不同參數(shù)下電路性能的變化，幫助學(xué)生構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)和實踐之間的聯(lián)系，促使學(xué)生會看、能算與會調(diào)等綜合能力的提升。通過實踐環(huán)節(jié)的改革，鍛煉學(xué)生能夠綜合考慮多種因素，在設(shè)計環(huán)節(jié)中掌握基本的創(chuàng)新方法。

參與學(xué)科競賽，豐富教學(xué)資源。每兩年一屆的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽與模擬電子技術(shù)課程內(nèi)容密切貼合。根據(jù)大賽提供的資源，結(jié)合課堂教學(xué)目標，構(gòu)建工程案例，布置、指導(dǎo)學(xué)生完成題目的設(shè)計思路和仿真，包括對方案的論證與比較、理論分析和估算、電路制作和調(diào)試、設(shè)計報告的撰寫等。

3 虛擬仿真環(huán)境下的工程實踐教學(xué)示例

在原有教學(xué)過程中加入Multisim虛擬仿真環(huán)節(jié)，有效地促進了理論與實踐的有機結(jié)合，可以降低虛擬環(huán)節(jié)與實體實驗匹配的誤差。下面以矩形波發(fā)生電路作為示例，介紹Multisim虛擬仿真環(huán)境下的工程實踐教學(xué)舉措。

占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路仿真如圖2所示，電路右下方是限流電阻R4和穩(wěn)壓管DZ限幅輸出的反相輸入滯回電壓比較器，輸出只有2種暫態(tài)，即高電平+UZ和低電平-UZ。電路中將電阻R1和電阻R2組成的正反饋環(huán)節(jié)，作為輸出從某一暫態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一暫態(tài)的條件。輸出電壓極性由電容電壓uc和UT的比較結(jié)果決定。電阻R3、R5和電容C1構(gòu)成具有定時作用的充放電回路，控制暫態(tài)維持的時間，決定矩形波的振蕩頻率f為1/（2R3+R5）C1ln（1+2R1/R2）。矩形波在高電平持續(xù)的時間與振蕩周期的比值稱為占空比[5]。電路中利用二極管D1、D2引導(dǎo)電流流經(jīng)不同的通路，使充放電回路參數(shù)不同，通過調(diào)節(jié)電位器滑動端使輸出電阻R6改變電容的充、放電時間常數(shù)可以改變占空比，占空比為（R3+R6）/（2R3+R5）。為了擁有一個比較寬的占空比調(diào)節(jié)范圍，通常R3的選值比R5的選值小一些。在電路仿真過程中，應(yīng)先調(diào)整R2與R1選擇出合適的振蕩周期，再調(diào)整R5選擇占空比，輸出波形如圖3所示。觀察波形輸出過程與理論分析完全一致。

圖2 矩形波發(fā)生電路仿真圖

圖3 占空比可調(diào)矩形波發(fā)生電路輸出波形圖

為增強學(xué)生動手能力，用實際元器件取代Multisim的仿真元件，搭建好的實物電路如圖4所示。以UA741為核心的簡單波形產(chǎn)生電路，在頻段的最小值或最大值附近（可調(diào)電位器的邊緣地帶）出現(xiàn)較大誤差，其余指標符合參數(shù)要求。在電路設(shè)計過程中，可以借助軟件實現(xiàn)技術(shù)參數(shù)的模擬，也要通過搭建實際電路對理論和實際進行對比，分析結(jié)果重新反饋于仿真設(shè)計模型，就會加強仿真結(jié)果的真實性。最終撰寫報告，利用課余時間，也可自主開展一些研究型實驗。

圖4 實物電路測試圖

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)課程對學(xué)生來說是以被知識灌輸為主要目的，教學(xué)方式主要以教師課堂講授形式為主體，這種填鴨式教學(xué)法讓教師教得辛苦且效果不盡人意，學(xué)生學(xué)得無趣并且費力，由此，該校模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)改革一直持續(xù)進行。為了適應(yīng)“新工科”背景下的人才需求，模擬電子技術(shù)教學(xué)的改革以學(xué)生工程實踐能力和科學(xué)人文素養(yǎng)的培養(yǎng)為核心，根據(jù)工程教育認證的要求尋求適合通信工程專業(yè)特點的教學(xué)方法和教學(xué)模式，將教學(xué)與多途徑實踐融合，把線上線下的“互聯(lián)網(wǎng)+”形式帶入課堂。通過混合式教學(xué)方法讓學(xué)生對自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)有正確的認識，能夠識別、描述和分析復(fù)雜工程問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、工程能力和個性化發(fā)展，實現(xiàn)課程教學(xué)改革的目標。