模擬電子電路實驗線上線下相融合的教學模式改革與實踐

黃慧春， 堵國樑， 鄭 磊

（東南大學國家級電工電子實驗教學示范中心，南京 211189）

0 引 言

實驗教學是將理論知識和實踐活動、間接經(jīng)驗和直接經(jīng)驗相結合的一個重要教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生動手能力、創(chuàng)新能力和獨立工作能力的基礎，是高校教學的重要組成部分，有著理論教學不可替代的重要作用［1-2］。模擬電子電路是電氣、電子信息類專業(yè)的一門重要的學科基礎課程，是一門應用性、實踐性很強的課程，利用實驗教學環(huán)節(jié)，不僅能驗證理論知識的正確性、加深對理論知識的理解和掌握，而且可以培養(yǎng)學生電子電路基本的實驗技能，提高學生分析問題和解決實際問題的能力，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎。

根據(jù)《模擬電子電路實驗》課程特點，立足于以學生為中心，教師為主導，充分利用網(wǎng)絡課程教學平臺、將線上與線下實驗課程有機融合，依托互聯(lián)網(wǎng)技術提出了構建線上與線下、虛擬與現(xiàn)實、課內與課外、基礎與創(chuàng)新相融合的實驗教學模式［3-7］。

2015 年制定的“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動計劃中提到［8］：“鼓勵學校利用數(shù)字教育資源及教育服務平臺，對接線上線下教育資源，探索教育的新方式”，給高等教育的探索提供了新的政策導向。經(jīng)過5 年的線上線下教育資源的建立，不斷地研究與探索，到2020 年國家發(fā)展改革委等多部門聯(lián)合發(fā)布《關于支持新業(yè)態(tài)新模式健康發(fā)展激活消費市場帶動擴大就業(yè)的意見》中明確指出［9］：“構建線上線下教育常態(tài)化融合發(fā)展機制，形成良性互動格局”時，更是堅定了這5 年的探索之路是正確的，線上線下融合OMO（Online-Merge-Offline）模式，“融合”是教學改革和發(fā)展的要點。

1 構建豐富的線上資源

1.1 在線實驗課程的建設

依托多年的實踐教學經(jīng)驗并結合在線教學的特點，設計制作了“模擬電子電路實驗”在線課程，并于2018年在中國大學MOOC 上開課。在線實驗基本覆蓋了模擬電子電路的重要知識點，每個實驗安排約15min的視頻講解，通過介紹實驗目的、實驗原理、實驗過程操作舉例以及自主實驗的要求，以案例講解引導學生，在理解基本原理的基礎上，掌握實驗的基本操作規(guī)范。課程在2020 年被評為國家級首批一流在線課程。

1.2 多種仿真軟件的集成

集成了電子電路設計與分析、電子制作測試等不同層次的軟件工具，學習者通過遠程桌面訪問，可以進行不同層面的“虛擬實驗”，根據(jù)仿真分析結果對電路結構與元件參數(shù)進行優(yōu)化調整，掌握實驗原理，提高實驗效率。

1.3 在線實境實驗平臺的構建

構建了“在線實境實驗”環(huán)境，后臺配置了與工程現(xiàn)實相同，可以遠程操控的儀器設備及實驗裝置［10］。學生在自己的計算機上訪問實驗平臺，選擇不同的實驗內容進行自主實驗，可以按自主實驗要求完成各項實驗內容，遠程操控測量儀器測量參數(shù)、記錄信號波形，實現(xiàn)電路的功能及性能指標；學生也可以控制現(xiàn)場聲、光、溫度、距離、速度、重量等環(huán)境條件，通過視頻可以在線觀察各個物理量的變化。

經(jīng)過幾年的連續(xù)建設，構建了豐富的線上教學資源。文本資料、電子教案、數(shù)據(jù)手冊、動畫演示、視頻資料、實踐范例與工程項目案例等，用這些立體化形式幫助學生自主研習、拓展知識視野，授予學生實踐知識方法技能，培養(yǎng)學生自主學習、自主設計完成全新的實驗等綜合能力。豐富的線上資源，可以不受時間地點束縛，反復多次學習，對學生的學習提供了很好的幫助。但是無論是“虛擬實驗”還是“在線實境實驗”，學生接觸不到真實的元器件及儀器設備，缺少實物感。所以線下面對面的交流必不可缺，學生個性化問題也需要面對面的交流與指導。

2 線上線下相融合的教學模式

由于實驗的特殊性，如何解決線上與線下實驗之間的相互“融合”是一個難題。互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展使網(wǎng)絡教學成為可能，我們也構建了多種多樣的網(wǎng)絡資源，但實驗教學和一般的理論教學不同，不能像理論教學一樣把教學內容簡單地搬移到網(wǎng)絡上開展［11-13］。

雖然有部分內容可以采用虛擬的方式開展實驗，但也僅僅能作為實驗教學的補充，或者是一些難以開展真實實驗的較好方式；雖然利用“在線實境實驗”，也實現(xiàn)了把真實實驗移植到網(wǎng)絡上，但是只有在真實實驗中才能體會的模擬電子電路實驗中抗干擾、消自激等現(xiàn)實問題。必須把“虛擬實驗”“在線實境實驗”的線上實驗方式和在實驗室進行真實的線下實驗有機融合，才能給學生創(chuàng)造多種形態(tài)的實驗方式，提高學生的實踐能力。

經(jīng)過幾年的探索與實踐，建立了縱橫推進、并行兼顧高質量的融合式教學體系，建立了有韌性的融合式教學模式，充分利用軟硬件環(huán)境和教學設計，使得遠程與現(xiàn)場的學習能夠充分“融合”，凸顯出師生交互和生生交互的核心地位。

2.1 構建線上線下相融合的實驗教學課程體系

根據(jù)不同專業(yè)學生的培養(yǎng)計劃要求、學生的認知規(guī)律、實驗內容的難易程度及對實驗條件的需求，充分利用網(wǎng)絡在線教學資源和實驗室教學條件，構建線上線下緊密融合的課程教學體系，如圖1 所示，充分體現(xiàn)了體現(xiàn)縱橫推進、并行兼顧的教學要求。

圖1 課程教學體系

2.2 以實驗內容為支撐，提升學生的綜合實踐能力

實驗教學的關鍵之一是實驗項目的構建，通過實驗項目的開展，引導學生掌握知識、運用知識，提高分析問題解決問題的能力。以線上課程為基礎，重新創(chuàng)建線下實驗項目，既要兼顧線上教學內容不被重復，又要在此基礎上有所提高，實現(xiàn)“基礎—提高—創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)目標。特別是引導學生利用已經(jīng)學到的知識點，自己提出創(chuàng)新性實驗，而不是局限在固定的實驗項目上，激發(fā)學生學習興趣，啟迪智慧，培養(yǎng)好奇心、想象力和批判性思維。做到知識傳授、素質提升、能力培養(yǎng)、精神追求，強調科學知識、方法、思想、精神的協(xié)調統(tǒng)一。如圖2 為電子專業(yè)學生的線下實驗與在線實驗的相融合的實驗項目，2 年的實踐效果表明，這種循序漸進的項目，能培養(yǎng)學生扎實的基礎，從而一步一步走向創(chuàng)新。

圖2 線上、線下相融合的實驗項目

如可控增益放大電路設計綜合實驗，需要先利用在線實驗完成簡單的比例放大電路、比較器電路等相關實驗，在此基礎上，利用數(shù)字電路的一些知識，綜合設計完成具有實際工程意義的可控增益放大電路。

2.3 以“兩性一度”為指導，設計具有工程應用背景的綜合實驗

線上實驗、線下實驗的相互關系，是由基礎練習到拓展應用再到創(chuàng)新實踐的過程，也是實驗過程循序漸進的一種體現(xiàn)。隨著課程知識講解的深化，兩種類型實驗也是交替進行，互為支撐。線上實驗以基礎驗證型單元模塊實驗為主，仿真設計實驗和在線實境實驗內容都要為后續(xù)線下綜合實驗打好基礎，做好鋪墊，開展幾個線上實驗后就可以開展線下綜合實驗，所以線下綜合實驗項目的設計就顯得尤為重要，要以高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度為指導，既要具有工程應用背景，又要把原有基礎實驗有效結合，既要注重設計性、綜合性和開放性，也要具有一定的實用性和趣味性［14］。

如光強測量顯示電路設計，實驗任務是：利用光敏電阻、運算放大器、定時器及計數(shù)器等模擬和數(shù)字電路中常用器件，設計一個光線強弱測量顯示電路，要求能自動測量光線的強弱值，并按要求的方式顯示測量結果。實驗的具體要求為：

（1）研究光敏電阻性能，以光敏電阻為傳感器，設計一個放大電路，要求輸出電壓能隨光線的強弱變化而變化。根據(jù)給定的光強變化范圍，用萬用表顯示輸出電壓值。

（2）設計一個輸入光強分檔顯示電路，當光照度從260 lx到8 000 lx變化范圍內，分4 檔，用發(fā)光二極管顯示對應光照度的范圍并列表表示他們的關系。

（3）設計一個矩形波發(fā)生器，要求其輸出波形的高電平脈沖寬度隨控制電壓的變化而變化，控制電壓就是在實驗要求（1）中已經(jīng)設計完成的隨輸入光強變化的輸出電壓值。

（4）利用固定時鐘信號，對實驗要求（3）中可變輸出矩形波的高電平脈沖寬度進行計數(shù)，并用數(shù)碼管顯示所計數(shù)值。列表給出顯示的數(shù)值和光強的對應關系。

（5）利用數(shù)字系統(tǒng)綜合設計中FPGA或單片機最小系統(tǒng)構建AD采集模塊，實現(xiàn)光強的測量并顯示。

實驗給出的系統(tǒng)設計框圖如圖3 所示。由圖可見：本實驗系統(tǒng)包括信號獲取、信號放大、信號轉換、信號處理以及光強顯示電路等幾個部分。其中信號放大部分在在線實驗中做過比例放大電路和運算電路實驗，信號轉換部分在在線實驗中做過施密特比較器和555 定時器控制端對電路性能的影響實驗，計數(shù)鎖存電路是在數(shù)字電路實驗中做過的實驗，除此以外，也可以自學一下新的知識，如利用A/D、MCU、FPGA 等完成實驗功能，整個實驗包含了模擬電路知識、數(shù)字電路知識，也有需要自學的知識；既有基礎知識，又有拓展提高，根據(jù)不同學生的學習能力，完成相應的實驗內容，真正做到因材施教，循序漸進。

圖3 光線強弱測量顯示電路的設計實驗系統(tǒng)框圖

2.4 以多元化考核為抓手，培養(yǎng)學生注重學習過程的良好習慣

以考核機制的變革為切入點［15］，研究了線上課程和線下實驗課程的考核方式和成績評定方法，并且把兩者有機結合，構建一套針對不同學習對象的課程成績考評方式：既要鼓勵學生完成教學計劃規(guī)定的線上線下教學要求，又要合理引導學生合理利用課內課外學習時間，在盡量不增加學生的學習負擔的基礎上，提高學習效果，取得理想成績。如表1 所示為線上線下融合的考核成績評定比例，16 個MOOC 實驗中，學生自主完成8 個，另8 個由教師驗收評定。

表1 線上線下融合的考核成績評定

3 結 語

采用線上線下相融合的實驗教學方式，教學效果和教學質量得到了提升。通過對學生的問卷調查結果分析得知，學生對這一教改舉措普遍認可：認為在線實驗對線下綜合實驗的設計、調試，以及問題的分析解決有很大幫助的達到了92%以上。

模擬電子電路實驗方式方法的改革，以及實驗模式、實驗內容的精心設計，激發(fā)了學生學習模擬電子電路的興趣和積極性，克服了模擬電子電路感到難學的心理，學生的學習成績也得到普遍提高；同時也激發(fā)了學生參加實踐創(chuàng)新活動的內動力，許多同學在課程開設的同時申請了各級各類大學生創(chuàng)新實踐項目，參加全國大學生電子設計競賽的積極性也得到普遍提高，競賽成績也是越來越好：自2015 年開始的近3 屆全國大學生電子設計競賽中，我校取得了全國一等獎數(shù)2次全國并列第一和1 次全國第二的優(yōu)異成績。