模擬電子技術(shù)課程培養(yǎng)工程師文化的探索與實(shí)踐

楊成林

摘要：現(xiàn)代工程師文化的核心元素是熱愛創(chuàng)造、善用工具、工程思維、目標(biāo)導(dǎo)向、團(tuán)隊(duì)協(xié)作。模擬電子技術(shù)作為通信工程專業(yè)學(xué)生所接觸到的第一門工程性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是完成工程師文化、思維啟蒙的最佳載體。結(jié)合模擬電子技術(shù)的課程目標(biāo)和當(dāng)前教學(xué)過程中存在的問題，通過工程近似法融入教學(xué)、問題驅(qū)動(dòng)式課堂教學(xué)、以產(chǎn)品為載體項(xiàng)目化教學(xué)、打造開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境四個(gè)方面改進(jìn)教學(xué)過程，塑造工程師文化，為培養(yǎng)現(xiàn)代工程師人才打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程師文化；模擬電子技術(shù)；工程近似；問題驅(qū)動(dòng)；項(xiàng)目化教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）27-0178-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

現(xiàn)代工程師的培養(yǎng)絕不是孤立單純的知識(shí)和技能教育，還需要工程思維和文化的培養(yǎng)，二者是相互融合、相輔相成的關(guān)系。近現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展史表明，其不斷前進(jìn)的內(nèi)生動(dòng)力，凝聚著歷代工程師們的特定思維方式和核心價(jià)值觀，它的內(nèi)涵沉淀出了厚重的工程師文化[1]。這種文化的核心就是熱愛創(chuàng)造、善用工具、工程思維、目標(biāo)導(dǎo)向、團(tuán)隊(duì)協(xié)作。

模擬電子技術(shù)（以下簡稱模電）課程作為通信工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，具有很強(qiáng)的工程性、實(shí)踐性和系統(tǒng)性[2]，在電子工程技術(shù)人才培養(yǎng)方案中，占有十分重要的地位。它的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生掌握模擬電子電路的基本設(shè)計(jì)理念、基本方法；培養(yǎng)學(xué)生熟練使用電子儀器、設(shè)備，分析問題和解決問題的能力；培養(yǎng)具有工程實(shí)踐技能，工程思維和職業(yè)素養(yǎng)，能在通信工程領(lǐng)域解決問題和有所創(chuàng)新的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

作為通信工程專業(yè)學(xué)生所接觸到的第一門工程性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生在模電中第一次接觸非線性電路，因而模電課程是完成工程師文化、思維啟蒙的最佳載體。而且目前模電教學(xué)過程中，存在：缺失工程思維導(dǎo)致畏懼復(fù)雜電路、缺乏目標(biāo)導(dǎo)向理念導(dǎo)致無法應(yīng)用知識(shí)、缺少團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)和方法導(dǎo)致無法應(yīng)對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目、缺乏對(duì)元器件、工具、儀器熟練使用度導(dǎo)致創(chuàng)造力不足等問題，亟需通過改變教學(xué)方法及手段等方式，補(bǔ)齊工程師文化短板，帶動(dòng)知識(shí)、技能教育共同進(jìn)步，從而達(dá)到模電的教學(xué)目標(biāo)，培育合格的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

問題的具體形式表現(xiàn)如下：

1）學(xué)生工程思維尚未建立。大多數(shù)學(xué)生延續(xù)中學(xué)學(xué)習(xí)方法，習(xí)慣線性思維模式，注重嚴(yán)格的理論分析及公式推導(dǎo)，缺乏工程近似估算理念。不善于從工程的角度思處理問題，把握主要的物理特性和電路規(guī)律，對(duì)復(fù)雜的非線性電路望而生畏。

2）知識(shí)灌輸型教學(xué)方法造成學(xué)用分離。傳統(tǒng)“滿堂灌、填鴨式”教學(xué)方法，強(qiáng)制學(xué)生與抽象的知識(shí)直接發(fā)生關(guān)系，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)，缺乏獨(dú)立思考，不但難于激活學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，也不利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際工程問題能力[3]。

3）實(shí)踐教學(xué)載體脫離工程實(shí)際。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，多數(shù)只涉及一個(gè)基礎(chǔ)型電路，但實(shí)際的工程項(xiàng)目卻是多個(gè)電路模塊的系統(tǒng)組合。導(dǎo)致學(xué)生分工協(xié)作搭建、制作實(shí)際電路產(chǎn)品的綜合能力得不到訓(xùn)練，難以應(yīng)對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目。

4）缺少提供學(xué)生綜合使用電子儀器與工具的開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境。目前模電實(shí)驗(yàn)室設(shè)備大多為固定的實(shí)驗(yàn)箱、實(shí)驗(yàn)板，且實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦袒瘑我?，學(xué)生并不能自由改變參數(shù)或者完成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。不利于培養(yǎng)學(xué)生熟練使用儀器和自主創(chuàng)新的能力。

為此，本文嘗試從以下四個(gè)方面改進(jìn)模電教學(xué)過程，塑造工程師文化，為培養(yǎng)現(xiàn)代工程師人才打下基礎(chǔ)。

1 工程近似法融入教學(xué)，培養(yǎng)工程思維模式

模電是一門技術(shù)，而非純理論，具有較強(qiáng)的工程性，因此需要引導(dǎo)學(xué)生，不要沉迷于晦澀的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而更應(yīng)該以工程的角度去處理電路問題。實(shí)際工程中，在滿足基本性能指標(biāo)的前提下會(huì)容許存在一定的誤差范圍，那么根據(jù)實(shí)際情況，可在誤差允許的范圍內(nèi)對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型合理地近似。要善于抓住器件和電路的主要特性進(jìn)行定性分析和實(shí)踐應(yīng)用[2]。“抓主要矛盾，簡化電路分析”，建立工程思維，可以采用簡單有效的方案解決復(fù)雜問題。

縱觀模電課程，工程近似法的應(yīng)用貫穿始終，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建立正確的思維方式，會(huì)讓學(xué)生不被非線性電路的復(fù)雜表象欺騙，產(chǎn)生畏難情緒，也會(huì)讓學(xué)習(xí)效率事半功倍。

例如在分析含有晶體管的基本放大電路時(shí)，雖然由于半導(dǎo)體材料的非線性及溫度敏感特性，導(dǎo)致由其組成的電路分析過程復(fù)雜。但可以針對(duì)小信號(hào)（即誤差允許的范圍內(nèi)），建立微變等效電路模型，將非線性電路轉(zhuǎn)化為線性電路，利用線性電路理論知識(shí)分析問題。但是對(duì)于深度負(fù)反饋放大電路的分析，如果還是采用微變等效電路進(jìn)行計(jì)算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，卻會(huì)變得很復(fù)雜。而如果根據(jù)深度負(fù)反饋的條件（開環(huán)放大倍數(shù)A很高）做一個(gè)[Xi≈Xf]（輸入量≈反饋量）的近似，閉環(huán)增益的求解便會(huì)迎刃而解。同樣的，對(duì)集成運(yùn)算放大器的運(yùn)算，如果將集成運(yùn)放近似成理想集成運(yùn)放，根據(jù)其工作在線性區(qū)的條件，得出“虛短”和“虛斷”的條件，會(huì)讓集成運(yùn)算電路的分析大大簡化。

工程思維的培養(yǎng)可以幫助學(xué)生更好地掌握模電的理論知識(shí)，更長遠(yuǎn)的意義在于，培養(yǎng)抓主要矛盾的科學(xué)觀和化繁為簡的人生智慧，進(jìn)入社會(huì)能以工程思路解決作戰(zhàn)難題。

2 問題驅(qū)動(dòng)式課堂教學(xué)，培養(yǎng)目標(biāo)導(dǎo)向理念

問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)是反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，老師設(shè)計(jì)、設(shè)定目標(biāo)，經(jīng)過問題分解，串聯(lián)起知識(shí)點(diǎn)；學(xué)生經(jīng)問題驅(qū)動(dòng)，自主思考和探索，并通過生生、師生互動(dòng)，一步步解決問題、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，同時(shí)收獲知識(shí)。這樣，告別傳統(tǒng)的以知識(shí)為主線，而以問題為主線，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力和目標(biāo)導(dǎo)向理念，幫助從學(xué)生到工程師的轉(zhuǎn)型。

在問題驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法中，關(guān)鍵的步驟包括：目標(biāo)的設(shè)定、問題的設(shè)計(jì)、問題的引導(dǎo)、問題的解決等多個(gè)層面[4]。其中，目標(biāo)的設(shè)定需要考慮既與生活實(shí)際相關(guān)，又與學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備匹配，能吸引學(xué)生的注意力，也能激發(fā)學(xué)生自主探索；問題的設(shè)計(jì)要能將目標(biāo)化整為零，由淺入深，指引學(xué)生層層深入，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；問題的引導(dǎo)，需要借助討論、互動(dòng)等手段，在合適的時(shí)間拋出問題、引導(dǎo)分析，把握正確的解題方向和課堂節(jié)奏；問題的解決需要讓學(xué)生自己提出解決問題的方案，創(chuàng)造交流討論的環(huán)境，鼓勵(lì)提出不同的觀點(diǎn)和新問題。

例如，在共射放大電路課程設(shè)計(jì)時(shí)，以“搭建一個(gè)共射放大電路”為目標(biāo)，通過預(yù)設(shè)條件，將目標(biāo)分解為4個(gè)環(huán)環(huán)相扣的問題，引導(dǎo)學(xué)生自己尋找解決方案，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。圖1為問題驅(qū)動(dòng)下的共射放大電路演進(jìn)圖。

相比于傳統(tǒng)的模電教學(xué)，以目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)，由于電路的設(shè)計(jì)都是學(xué)生自己完成，對(duì)電路的掌握程度更高。同時(shí)，以目標(biāo)為導(dǎo)向、以問題為驅(qū)動(dòng)的教學(xué)能培養(yǎng)學(xué)生面對(duì)真實(shí)工程問題時(shí)的“解題指導(dǎo)思想”，培養(yǎng)會(huì)解決問題的合格工程師。

3 以產(chǎn)品為載體項(xiàng)目化教學(xué)，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神

為了培養(yǎng)與時(shí)代接軌的工程師人才，增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí)，嘗試以產(chǎn)品為載體的項(xiàng)目化教學(xué)方法。即以現(xiàn)實(shí)生活中或者實(shí)際工程中常見的電子產(chǎn)品為載體，將課程分為若干教學(xué)項(xiàng)目，每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目要求通過設(shè)計(jì)、組裝、焊接、調(diào)試，完成一個(gè)具體的、可視的作品[5]。每個(gè)項(xiàng)目又分解為若干教學(xué)模塊，每個(gè)模塊由一位同學(xué)負(fù)責(zé)，通過各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)調(diào)試，模塊與模塊間的對(duì)接，模塊與整體間的協(xié)調(diào)測試，最終組成一個(gè)完成的產(chǎn)品。在制作產(chǎn)品的過程中，既鍛煉學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向，解決問題的能力，又培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的精神。

以音頻功率放大器項(xiàng)目為例，組建項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。各個(gè)小組成員根據(jù)項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖（圖2）進(jìn)行分工：1名成員擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，承擔(dān)團(tuán)隊(duì)的組織協(xié)調(diào)工作；4名成員分別承擔(dān)1個(gè)模塊的設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)。團(tuán)隊(duì)成員之間的協(xié)作體現(xiàn)在：各子模塊之間需要聯(lián)調(diào)對(duì)接，上一級(jí)的輸出滿足下一級(jí)的輸入要求；并且子模塊功能服務(wù)于產(chǎn)品整體目標(biāo)，根據(jù)整體目標(biāo)隨時(shí)調(diào)整。

以產(chǎn)品為載體項(xiàng)目化教學(xué)，模擬真實(shí)的工程項(xiàng)目運(yùn)作方式和流程，通過一個(gè)團(tuán)隊(duì)共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目，可初步形成項(xiàng)目制的工程意識(shí)和分工協(xié)作的團(tuán)隊(duì)合作精神；項(xiàng)目化教學(xué)也進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生目標(biāo)導(dǎo)向以及解決問題的能力；同時(shí)，通過具體電子產(chǎn)品的產(chǎn)出，讓學(xué)生體會(huì)到工程師的自豪感，激發(fā)創(chuàng)新、創(chuàng)造熱情。

4 打造開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，引導(dǎo)熱愛工具和創(chuàng)造

1）建造開放式實(shí)驗(yàn)臺(tái)，幫助學(xué)生熟悉基本儀器。實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置通用電路插板，定制電路板。實(shí)驗(yàn)元件可以電路板上任意拼插組成實(shí)驗(yàn)電路，而不需要焊接電路。使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以大大減少電路焊接的時(shí)間，規(guī)避電路接錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，方便學(xué)生搭建簡單電路熟悉基本工具的主要技術(shù)指標(biāo)、性能及正確使用方法。

2）配備常用元件和設(shè)備，支持學(xué)生自主設(shè)計(jì)產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)室配置齊全的基本元器件、器材，基本儀器和常用設(shè)備工具，在學(xué)生通過仿真軟件完成設(shè)計(jì)、制板后，可以焊接完成電路進(jìn)行測試及調(diào)試。

3）增加實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間，打造“創(chuàng)新之家”。建立“誰在誰管理”的實(shí)驗(yàn)室管理制度，加強(qiáng)對(duì)使用者的安全培訓(xùn)、管理制度培訓(xùn)，打造12小時(shí)開放實(shí)驗(yàn)室，為愛創(chuàng)造的學(xué)生提供家一樣的支持[8]。

由于模電強(qiáng)實(shí)踐性的特點(diǎn)，它的創(chuàng)新離不開實(shí)驗(yàn)室硬件的支撐和實(shí)驗(yàn)室氛圍的營造。打造開放式實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于培養(yǎng)學(xué)生拿起工具改造世界的熱情和能力。

5 結(jié)語

在傳統(tǒng)的模電教學(xué)過程中，教師容易局限于培養(yǎng)知識(shí)能力和專業(yè)技能的“硬實(shí)力”，而往往忽視了培養(yǎng)學(xué)生的工程思維模式、職業(yè)素養(yǎng)、文化素質(zhì)的“軟實(shí)力”。如今，軟實(shí)力逐漸上升為核心競爭力，而且軟實(shí)力對(duì)硬實(shí)力的提升也有積極的作用。創(chuàng)造世界、改造世界是工程師的使命，立德樹人是教育的使命。模電在塑造工程師文化，提升工程師人才的軟實(shí)力，培育合格的現(xiàn)代工程師的路上，任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 陳軍波，周慧，楊丹丹，等.新工科背景下“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)改革探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（3）：41-44，48.

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[5] 張耀鋒.以電子產(chǎn)品為載體的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革[J].邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，37（4）：12-15，18.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】