“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用

李然　余萍　韓東升　賈惠彬　李星蓉

關(guān)鍵詞：通信電子電路實(shí)驗(yàn)；積木式；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；全過程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0133-03

“通信電子電路實(shí)驗(yàn)”課程是普通高校通信、電子類專業(yè)的必修實(shí)踐課程，它不僅使學(xué)生加深對(duì)通信電子電路基本理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和建立系統(tǒng)工程概念[1-3]。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中涉及大量的高頻電路，所以學(xué)生普遍感覺課程難學(xué)、實(shí)驗(yàn)操作調(diào)試?yán)щy[4-5]。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置和合理的實(shí)驗(yàn)方法不僅使學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)的基本概念和基本理論得到反饋，還可有效培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和科研能力。簡單針對(duì)固定實(shí)驗(yàn)板或?qū)嶒?yàn)箱的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對(duì)固定單一的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑炔贿m應(yīng)課程的特點(diǎn)，也無法使學(xué)生真正弄懂通信電子電路設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，對(duì)學(xué)生真正掌握課程知識(shí)的綜合運(yùn)用和實(shí)際工程應(yīng)用存在明顯的差距[5-6]。因此，根據(jù)課程特點(diǎn)，探索和研究可激發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路、拓展學(xué)生思維的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法尤為重要。

本文從提高學(xué)生開展設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的積極性出發(fā)，提出“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改革方案，將通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)按功能細(xì)分為子模塊電路，選擇不同的子模塊可組合成具有一定功能的通信系統(tǒng)。同時(shí)為保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，教學(xué)實(shí)踐中對(duì)教學(xué)活動(dòng)的全過程進(jìn)行監(jiān)控，引入“全過程監(jiān)控”教學(xué)模式[7-8]和過程評(píng)價(jià)體系。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革可促使學(xué)生將課程學(xué)習(xí)的抽象概念和實(shí)驗(yàn)任務(wù)緊密結(jié)合，幫助學(xué)生將課程學(xué)習(xí)的基本理論和工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，有效培養(yǎng)學(xué)生自主開展設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的意識(shí)，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)課堂。

1“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的通信電子電路實(shí)驗(yàn)多為單個(gè)功能電路的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，如“高頻小信號(hào)放大電路實(shí)驗(yàn)”“高頻功率放大電路實(shí)驗(yàn)”和“中頻放大電路實(shí)驗(yàn)”等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)單一獨(dú)立，較少考慮由單個(gè)功能電路拓展到整個(gè)通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。因此，很難通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生熟悉通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)成，做到理論知識(shí)學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)施的有機(jī)融合，不能有效地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課對(duì)基本理論學(xué)習(xí)的反饋彌補(bǔ)作用。通過通信電子電路實(shí)驗(yàn)使學(xué)生自主完成收發(fā)系統(tǒng)的搭建，從而建立通信電子電路的系統(tǒng)整機(jī)概念，才能使學(xué)生真正掌握通信電子電路系統(tǒng)的基本內(nèi)涵[9-10]。

為在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中充分體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，真正引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，課程組對(duì)通信電子電路課程內(nèi)容進(jìn)行了梳理和凝練，其中涉及的功能模塊電路包含濾波器、選頻放大器、混頻器、振蕩器、調(diào)制與解調(diào)器、高頻諧振功放、鎖相環(huán)、頻率合成器等，將每個(gè)功能模塊制成獨(dú)立電路作為“積木”式功能電路單元，在其上設(shè)置輸入輸出端口，以此替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)板，形成更加靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將19個(gè)“積木”單元按功能和布局分布在五塊實(shí)驗(yàn)板上，每塊實(shí)驗(yàn)板都配備一個(gè)直流供電模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中每個(gè)“積木”單元都可完成功能獨(dú)立的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作，

使學(xué)生熟悉每個(gè)“積木”單元電路的功能，并且和課堂學(xué)到的基本知識(shí)點(diǎn)建立聯(lián)系，同時(shí)熟練儀器使用和電路調(diào)試測量方法，為通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)的搭建打下基礎(chǔ)。圖1中的每個(gè)“積木”單元都引出標(biāo)準(zhǔn)接口可和其他單元互聯(lián)組合，將不同的“積木”單元按系統(tǒng)構(gòu)成原理互聯(lián)即可構(gòu)建通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)。

“積木”單元電路的部分核心元件還設(shè)置一些空白，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需從更為基本的“積木”式元件庫中選擇合適的元件以搭建一完整的功能電路，如圖2所示。學(xué)生通過自主梳理功能電路基本理論，完成核心元件的選擇，進(jìn)一步加深對(duì)基本電路的認(rèn)識(shí)和理解，為后續(xù)的系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)做好充分的知識(shí)儲(chǔ)備。

2“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)實(shí)踐

我校于2017年開始對(duì)通信電子電路實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行改革，開展“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用。在教學(xué)實(shí)施過程中，以通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成為主線，按需靈活選擇合適的電路模塊“積木”搭建能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的實(shí)用系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)任務(wù)由基本任務(wù)和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)任務(wù)構(gòu)成，施行以必做任務(wù)為基礎(chǔ)的任務(wù)不封頂實(shí)驗(yàn)制度。改革后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更具層次性，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面更為廣泛，不僅有利于學(xué)生建立通信電子電路的大系統(tǒng)概念，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本理論的理解，而且可有效激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，構(gòu)建靈活多樣的通信電路系統(tǒng)，充分發(fā)揮學(xué)生潛能。新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ皆趯W(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)方面較以往都有很大的改變，教學(xué)實(shí)踐過程中都做了相應(yīng)的改革。

2.1“全過程監(jiān)控”教學(xué)模式的構(gòu)建

由“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展的實(shí)驗(yàn)更具靈活性，傳統(tǒng)的教師示范式的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲辉龠m合，因此引入“全過程監(jiān)控”的教學(xué)模式。教學(xué)過程是教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”兩方面活動(dòng)的一種特殊形式，是教學(xué)活動(dòng)的啟發(fā)、發(fā)展、變化和結(jié)束在時(shí)間上連續(xù)展開的程序結(jié)構(gòu)[11]。教學(xué)全過程監(jiān)控注重學(xué)生學(xué)習(xí)的過程，通過針對(duì)新的教學(xué)內(nèi)容開展一種全新的學(xué)習(xí)方式，豐富和加強(qiáng)通信電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)載體，實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ哪康摹Ｈ^程監(jiān)控教學(xué)模式下，教師的“教”與學(xué)生的“學(xué)”不僅限于課堂，還包括課前和課后的相關(guān)活動(dòng)，如圖3所示。

由圖3可知，教學(xué)全過程監(jiān)控框架下，教學(xué)貫穿于課前預(yù)習(xí)、課中實(shí)驗(yàn)和課后的結(jié)果整理全過程，因此為實(shí)現(xiàn)有效的過程監(jiān)控，除了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作過程指導(dǎo)，將“課堂派”等現(xiàn)代化教學(xué)平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中[12-13]。課前預(yù)習(xí)階段教師通過平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)任務(wù)和練習(xí)，根據(jù)學(xué)生的完成情況，集中針對(duì)共性問題做進(jìn)一步的指導(dǎo)。學(xué)生通過平臺(tái)和指導(dǎo)教師進(jìn)行一對(duì)一交流，解決預(yù)習(xí)過程中遇到的困惑和難點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行。教學(xué)平臺(tái)引入的多種交互方式，打破了實(shí)驗(yàn)課時(shí)間和空間的限制，避免了傳統(tǒng)模式下進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室才能修正實(shí)驗(yàn)方案的問題，及時(shí)解決了學(xué)生的預(yù)習(xí)疑難。

實(shí)驗(yàn)課程中，指導(dǎo)教師集中介紹實(shí)驗(yàn)任務(wù)、實(shí)驗(yàn)形式和基本要求之后，學(xué)生將預(yù)習(xí)階段與教師溝通或小組協(xié)商制定的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方案交由指導(dǎo)教師審核，審核合格的實(shí)驗(yàn)小組方可領(lǐng)取“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作過程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的使用和“積木”實(shí)體電路模塊的調(diào)試，指導(dǎo)教師對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度做總體把握，不干預(yù)學(xué)生具體操作，將傳統(tǒng)被動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。學(xué)生在操作中遇到的電路調(diào)試和測試問題可向指導(dǎo)教師咨詢，教師給予指導(dǎo)和提示。學(xué)生除完成獨(dú)立“積木”單元的實(shí)驗(yàn)，還需自主將“積木”單元組合成通信電子電路收發(fā)系統(tǒng)形成最終結(jié)果。獨(dú)立“積木”單元實(shí)驗(yàn)和綜合性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都經(jīng)由指導(dǎo)教師驗(yàn)收后，給出評(píng)價(jià)，以備最終的實(shí)驗(yàn)評(píng)定參考。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制曲線，并做實(shí)驗(yàn)過程總結(jié)，撰寫一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師綜合驗(yàn)收結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量給出學(xué)生個(gè)體評(píng)價(jià)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)共性問題分析總結(jié)形成下屆學(xué)生實(shí)驗(yàn)任務(wù)布置的儲(chǔ)備資料。

“全過程監(jiān)控”的教學(xué)模式，教學(xué)活動(dòng)不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室，而是將教學(xué)平臺(tái)指導(dǎo)、操作面對(duì)面指導(dǎo)和課后評(píng)價(jià)總結(jié)緊密結(jié)合起來，形成一個(gè)閉合環(huán)，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，明顯改善了實(shí)驗(yàn)效果，避免了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生被動(dòng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)度慢，效率低的問題。

2.2 過程評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

配合“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)行任務(wù)上不封頂?shù)膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，并?duì)應(yīng)“全過程監(jiān)控”的教學(xué)模式，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)體系由單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果考評(píng)向?qū)嶒?yàn)全過程評(píng)價(jià)的模式轉(zhuǎn)變，如表1所示。

（1）課前預(yù)習(xí)

學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，教師通過教學(xué)平臺(tái)發(fā)布實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)、預(yù)習(xí)要求和實(shí)驗(yàn)操作思考題等相關(guān)資料。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)完成預(yù)習(xí)題目解答和預(yù)習(xí)報(bào)告，并按要求將結(jié)果提交到平臺(tái)，教師通過分析學(xué)生答題情況和預(yù)習(xí)報(bào)告的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃制定給出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績。通過平臺(tái)教師和學(xué)生之間可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的指導(dǎo)，幫助學(xué)生做好進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前的準(zhǔn)備工作，確保后續(xù)實(shí)驗(yàn)過程的有效開展。

（2）實(shí)驗(yàn)過程

依照課前制定好并由指導(dǎo)教師審核的預(yù)習(xí)報(bào)告，學(xué)生自主選擇“積木”單元和元件庫中的元件搭建實(shí)驗(yàn)電路，完成一個(gè)獨(dú)立功能的電路即可向指導(dǎo)教師提出對(duì)該功能電路的驗(yàn)收，教師根據(jù)電路連接、實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果記錄給出成績。該過程中特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)電路故障的排查能力，由實(shí)驗(yàn)電路自身故障導(dǎo)致的結(jié)果偏差，若學(xué)生能給出導(dǎo)致偏差的原因則不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)成績，并且可依照故障排查能力適當(dāng)加分。這樣可有效避免學(xué)生過分追求和理論結(jié)果的一致性，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。

除了搭建實(shí)驗(yàn)電路完成測試，由“積木”單元構(gòu)成無線收發(fā)整機(jī)系統(tǒng)后，還增加了實(shí)驗(yàn)考試環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)考試采用考試機(jī)，考核主要包括兩個(gè)方面：一是由學(xué)生獨(dú)立操作將和硬件實(shí)體“積木”單元基本一致的模塊組成系統(tǒng)，以此考查學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的宏觀認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)概念的建立情況；二是教師設(shè)置故障點(diǎn)，學(xué)生通過測試獨(dú)立完成故障排查，再次強(qiáng)化學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。學(xué)生操作結(jié)束后，監(jiān)考教師依據(jù)學(xué)生的整機(jī)連接是否正確、故障排除的準(zhǔn)確性和速度給出成績。

（3）課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告整理

實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對(duì)“積木”單元電路和通信電子電路收發(fā)整機(jī)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)記錄進(jìn)行整理，同時(shí)對(duì)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)中遇到的問題進(jìn)行分析，解答問題并寫出心得體會(huì)，最終形成一份內(nèi)容豐富的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。教師翻看學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，依據(jù)報(bào)告各個(gè)內(nèi)容的完成質(zhì)量給出成績。

3“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐效果

華北電力大學(xué)于2017年開展基于“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合實(shí)驗(yàn)，獲得的實(shí)踐效果如下：

（1）設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)容量加大

與以往的實(shí)驗(yàn)板、實(shí)驗(yàn)箱固定不變的設(shè)定型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不指定“積木”單元的組合方式，完全由學(xué)生自主設(shè)計(jì)選擇元件庫中的元件并構(gòu)建整機(jī)系統(tǒng)。測試內(nèi)容的制定和測試點(diǎn)的選擇完全由學(xué)生依據(jù)電路所實(shí)現(xiàn)的功能自主完成，不僅增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)性和綜合性，更有利于培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)際系統(tǒng)的角度分析問題和解決問題。

（2）形成分層次、個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?/p>

在完成基本實(shí)驗(yàn)任務(wù)的基礎(chǔ)上，采取任務(wù)上不封頂?shù)膶?shí)驗(yàn)要求，學(xué)生可根據(jù)自己的進(jìn)度和能力完成擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)任務(wù)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置更加適應(yīng)不同程度和不同需求的學(xué)生。

（3）學(xué)生的主體地位得到強(qiáng)化

“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，采取全過程監(jiān)控，保證了學(xué)生在教師引導(dǎo)下自主設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)全過程，徹底改變了以往“教師演示，學(xué)生仿照”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生自主運(yùn)用課程學(xué)習(xí)的基本理論制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中分析問題和解決問題的能力，同時(shí)使學(xué)生加深對(duì)基本理論的理解。

4結(jié)語

“積木”式通信電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)注重培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)的能力，不僅僅開拓了學(xué)生的思維，有效幫助學(xué)生鞏固課程學(xué)習(xí)的基本理論，促使學(xué)生將理論應(yīng)用于實(shí)際工程，同時(shí)融入對(duì)學(xué)生個(gè)性化、差異化的培養(yǎng)，滿足學(xué)生開展探索性、研究性學(xué)習(xí)的需求。結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建“全過程監(jiān)控”教學(xué)模式和過程評(píng)價(jià)體系，將教學(xué)活動(dòng)延伸到課前和課后，幫助學(xué)生在課中高效完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)任務(wù)，積極開展拓展實(shí)驗(yàn)，強(qiáng)化通信電子電路系統(tǒng)的整體概念，建立完善的知識(shí)體系，進(jìn)而提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。