新工科背景下基于項目學習方法的高頻電子線路課程改革研究

陳劍培，范 菁，豐繼華，邢傳璽

(云南民族大學 電氣信息工程學院，云南 昆明 650500)

自2017年教育部提出新工科建設(shè)以來，符合工程教育的工程類院校開始積極開展新工科研究與實踐.工程教育是針對工程類專業(yè)開展的培養(yǎng)知識能力、實踐能力、工程能力的一種教育項目，是大學本科教育體系中重要的組織部分[1].

為了評價工程教育的效果，ABET認證標準為工程教育提供了理論支撐.其中關(guān)于學生產(chǎn)出給出了11條規(guī)定.其中第1條“應(yīng)用數(shù)學、科學和工程知識的能力”、第5條“培養(yǎng)學生識別、制定和解決工程問題的能力”和第11條“運用技術(shù)、技能和現(xiàn)代工程工具進行工程實踐的能力”，給出了學生工程能力培養(yǎng)的基本要求[2].

《高頻電子線路》課程是電子信息類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是一門工程性、實踐性很強的課程.學生通過課程學習，不但應(yīng)掌握基礎(chǔ)理論知識，還應(yīng)在分析問題、解決問題和實際動手等工程能力方面得到鍛煉和提高.

目前本課程的教學學生考試心態(tài)嚴重，工程能力得不到較好地提高，因此，本項目對照ABET工程認證標準，對課程教學方法——基于項目學習進行了研究、改革實踐，在課程教學中加入了2個基于項目學習的環(huán)節(jié)——“調(diào)頻調(diào)幅收音機電路制作”和“基于高頻仿真軟件HFSS的天線/濾波器的電路設(shè)計仿真”.本文中介紹基于項目學習的教學方法在電子電氣類專業(yè)中的研究現(xiàn)狀，并對基于于項目學習的調(diào)頻調(diào)幅收音機電路制作進行了詳細的項目設(shè)計、實施，通過3年的項目實施，分析了學生產(chǎn)出.

1 基于項目學習的教學方法

基于項目學習(project-based learning，PBL)的教學方法來源于美國教育學家John Dewey的實用主義教學思想[3]，以問題激勵為中心，使學生處于教學和學習活動的核心，還使他們有能力將所學的科學知識轉(zhuǎn)化為工業(yè)實踐.

過去20年P(guān)BL教學方法已經(jīng)作為一種很受歡迎的教學方法，用于改善電子電氣工程專業(yè)的工程教育質(zhì)量[4-8].Zhang等[4]在丹麥技術(shù)大學電力電子課程中，對“模式電源切換”知識進行PBL教學，并混合了protest方式和同行評審，提高了學生的學習積極性和成績.Martinez等[5]同樣在電力電子課程中采用了PBL方法開展了直流/交流轉(zhuǎn)換器的工程問題教學，并混合使用了Jigsaw、合作學習和Assessment Rubrics等教學方法，提高了教學產(chǎn)出和學生滿意度.Luis等[6]提出了基于光學無線音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計的2個PBL項目，用于通信工程專業(yè)的課程設(shè)計.為了提高PBL教學方法的適用性，Bruno等[7]研究了一種多角色的PBL項目方法，適用于所有的STEM課程.該方法圍繞一個原則，將項目學習視為基于學習項目和工程項目的2個項目，并在法國高等教育機構(gòu)中應(yīng)用，結(jié)果表明，學生建立了密切的團隊協(xié)作，獲得了技術(shù)和非技術(shù)知識，達到了較高的滿意度.

通過對以上基于項目的教學方法分析發(fā)現(xiàn)，第1，該教學方法大多數(shù)針對的是大學中高年級的專業(yè)課程，學生具備了一定的專業(yè)基礎(chǔ)知識，面對就業(yè)的需要；第2，該教學方法充分考慮以能力培養(yǎng)為目標，并且以知識點掌握為基礎(chǔ)；第3，該教學方法的實施周期長，通常為5周以上，甚至1個學期，實施周期中都考慮了監(jiān)督機制.

2 基于項目學習的調(diào)頻調(diào)幅收音機電路制作的教學設(shè)計

基于項目學習的教學，除課程知識點以外，學生還需要自學高年級的知識、交叉學科的知識、學術(shù)寫作知識、仿真軟件和文檔處理軟件等.本項目將通過培養(yǎng)學生的問題分析能力、任務(wù)分配能力、自我學習能力、團隊合作能力、溝通交流能力、結(jié)果和數(shù)據(jù)分析能力等，從而實現(xiàn)工程能力的培養(yǎng).

根據(jù)前面文獻[5]給出的項目設(shè)計流程，結(jié)合高頻電子線路課程的教學內(nèi)容，針對第1章的模擬調(diào)幅通信系統(tǒng)中的“超外差接收機”知識點進行教學設(shè)計.當學生完成了超外差接收機的基本原理、功能模塊的學習后，將進行基于項目學習的調(diào)頻調(diào)幅收音機電路制作的教學.

2.1 預(yù)期結(jié)果

針對基于項目學習的調(diào)頻調(diào)幅收音機電路制作的教學設(shè)計，預(yù)期結(jié)果包括：

1) 提高學生電工技能、收音機電路知識；

2) 提高學生在期末考試中關(guān)于超外差接收機電路知識點的得分；

3) 使學生了解項目的實施流程；

4) 提高學生的問題分析、任務(wù)分配、自我學習、團隊合作和數(shù)據(jù)分析能力；

5) 提高學生對本學科領(lǐng)域的興趣和課程滿意度.

2.2 教學設(shè)計

2.2.1 項目內(nèi)容

在網(wǎng)上購買調(diào)頻/調(diào)幅收音機教學套件(包括電路元件、收音機盒子和電烙鐵等)，焊接組裝收音機，并形成課程設(shè)計報告(包括設(shè)計題目、設(shè)計目的、工作分工、設(shè)計內(nèi)容、設(shè)計結(jié)果、設(shè)計總結(jié))，進行課上答辯.

項目要求：

1) 以團隊形式完成任務(wù)，團隊人數(shù)2～3人，工作分工必須明確；

2) 團隊名稱為“No.xx-團隊名”，并將團隊名刻在收音機后機蓋；

3) 焊接組裝收音機的照片、調(diào)諧視頻等作為設(shè)計結(jié)果；

4) 掌握收音機的電路原理圖的元件作用和功能模塊；

5) 形成一篇學術(shù)報告，格式參考學術(shù)論文格式.

項目的評審準則列出具體標準，包括寫作質(zhì)量、方法、內(nèi)容、關(guān)鍵分析和圖形，并為每項給出了質(zhì)量標準和評分標準.

項目內(nèi)容與預(yù)期結(jié)果的映射關(guān)系為表1所示.

表1 項目內(nèi)容與預(yù)期結(jié)果的映射關(guān)系

2.1.2 項目進度安排

該項目設(shè)計5周時間，由學生在課下完成、課上答辯.項目布置時間為超外差接收機知識點后，具體的進度安排如下表2所示.

表2 項目進度安排

2.2.3 考核

對于項目的考核分為3部分.

1) 教師評審(60%)，由考核由收音機調(diào)試(根據(jù)收音機調(diào)試臺的數(shù)目為標準，4個臺以上為滿分)、課程設(shè)計報告(對課程設(shè)計報告內(nèi)容、格式等進行評分)、答辯(教師對小組所有成員進行提問，如果一個學生回答錯誤，整個小組答辯分數(shù)為零)3部分組成，各占20%.

2) 學生互審(30%)，由其他小組為參加答辯的小組打分.

3) 參與度和積極性(10%),由老師通過平時指導(dǎo)和學生問問題的情況觀察得到此分數(shù).

2.3 項目執(zhí)行結(jié)果

高頻電子線路的PBL項目在2017—2018學年、2018—2019學年、2019—2020學年執(zhí)行了3次.本節(jié)從項目實施與監(jiān)督機制、項目完成情況、期末相關(guān)知識點得分提高和問卷調(diào)查4方面介紹了項目執(zhí)行情況.

1) 項目實施與監(jiān)督機制 為了保證PBL項目執(zhí)行，我們在項目實施過程中進行了教師監(jiān)督的機制.首先時開始階段的報備式監(jiān)督.第4周開始進行項目時，學生需要分組并向任課教師報備；第5周的分工情況也應(yīng)以作業(yè)形式進行報備，如組員人數(shù)過多或分工不合理，教師將提出修改指導(dǎo).以上監(jiān)督機制保證了學生的組員安排、分工合理.

接著在6～7周的電路焊接、收音機調(diào)試、科技報告形成階段，采取的監(jiān)督機制是在課上對工作進度的隨機抽查.每周理論課堂上，利用課間休息時間，抽取2～3組同學，對每組中的組員進行抽查問答.以上監(jiān)督機制保證了項目能按進度安排中的按時進行，保證項目能夠按時完成，并且還能為學生答疑.

2) 項目完成情況 3個學年的項目執(zhí)行完成情況較理想，如表3所示.

表3 項目執(zhí)行完成情況

從上表3可以看出，在收音機完成度上，每年都在提高；而課程設(shè)計報告除第1次實施外，其他2018—2019和2019—2020學年完成質(zhì)量相似；答辯情況每年都在提高.

3) 期末相關(guān)知識點得分提高 通過3年的課程改革實踐，學生在對超外差接收機的知識點得分方面得到了提高，具體表現(xiàn)在：①對接收機功能框圖更加清楚；②對AM/FM的中頻頻率及工作頻段范圍更加清晰；③可以清楚辨別對通信電子電路的高頻元件如高頻扼流圈、旁路電容等.

4) 問卷調(diào)查 通過課上問卷調(diào)查，95%以上的同學學習滿意度較高.學生認為基于項目學習的環(huán)節(jié)加深了對本課程的電子電路知識的掌握程度，提高了自學能力、團隊協(xié)作、項目執(zhí)行方面的能力.

3 結(jié)語

文中采用基于項目學習的教學方法對高頻電子線路課程進行了改革研究，旨在提高學生的問題分析能力、自我學習能力、團隊合作能力等，從而實現(xiàn)工程能力的培養(yǎng).通過3個學年的項目實施，結(jié)果表明學生產(chǎn)出得到了提高.