工程認證背景下的“模擬電子技術(shù)”教學(xué)改革

夏益民 蔡述庭 楊 健 謝 云 陳梅云

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 集成電路學(xué)院， 廣州 510006)(2. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院， 廣州 510006)

自2016年6月加入了《華盛頓協(xié)議》以后，中國也開始了與國際實質(zhì)性等效的工程教育專業(yè)認證工作。傳統(tǒng)教育方式強調(diào)內(nèi)容驅(qū)動和投入導(dǎo)向。工程教育認證是對教育范式的革新，遵循三大基本理念：成果導(dǎo)向、學(xué)生為中心、持續(xù)改進[1]。這些理念對提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量、推動工程教育專業(yè)建設(shè)，具有很好的指導(dǎo)作用[2]。

近幾年工程教育專業(yè)認證，業(yè)界得出一個普遍共識：課堂教學(xué)是當前工程教育改革的“最后一公里軟肋”。全面展開課堂改革的過程，其實也就是準備專業(yè)認證的過程[3]。

“模擬電子技術(shù)”是電氣工程、自動化、電子等專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課。目前在該課程教學(xué)中存在以教師為中心、理論與實踐聯(lián)系不夠緊密、缺乏持續(xù)改進機制等問題。因此，作為以培養(yǎng)人才為主要職能的高校，在強調(diào)工程教育專業(yè)認證的大背景下，如何基于“模擬電子技術(shù)”課程，突出需求牽引，實現(xiàn)課程的綜合改革和持續(xù)改進以有效提升人才培養(yǎng)質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1 傳統(tǒng)“模擬電子技術(shù)”教學(xué)存在的問題

1.1 教學(xué)跟不上產(chǎn)業(yè)需求與技術(shù)發(fā)展

工程教育專業(yè)認證突出成果導(dǎo)向，采用以需求為導(dǎo)向決定人才培養(yǎng)目標的逆向設(shè)計，再根據(jù)目標設(shè)置畢業(yè)要求和課程體系[1]。行業(yè)與用人單位，對所聘用人才素質(zhì)能力的需求，很大程度上決定了專業(yè)教育的知識、能力和素質(zhì)結(jié)構(gòu)[4]。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不能適應(yīng)時代和科技的發(fā)展，“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)面臨著新的挑戰(zhàn)，存在著教學(xué)內(nèi)容脫離實際應(yīng)用、課時有限導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容難以拓展等問題[5]。針對上述問題，如何在教學(xué)工作中更好地對接產(chǎn)業(yè)需求，適應(yīng)技術(shù)發(fā)展；如何在有限的課時內(nèi)使學(xué)生不僅能夠掌握理論教學(xué)的根本和深度，而且能夠具備實踐和創(chuàng)新能力，已成為教學(xué)研究的重點[6]。

1.2 以教師為中心難以激發(fā)學(xué)生主動性

我國的工程教育專業(yè)認證通用標準，貫徹以學(xué)生為中心的理念，設(shè)置了學(xué)生、培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求、持續(xù)改進、課程體系、師資力量和支持條件等七個指標。其中學(xué)生是第一指標[7-8]。

學(xué)生對以教師為中心、講授為主的課堂學(xué)習興趣不高，影響課堂教學(xué)效果及教學(xué)質(zhì)量。同時，因為學(xué)時有限，為了鞏固課堂效果，教師只能布置大量作業(yè)，學(xué)生的大量時間浪費在分析、計算上。

傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)以基礎(chǔ)驗證性實驗為主，采取老師課堂講解演示、學(xué)生重復(fù)驗證的實驗方式，學(xué)生只需在實驗箱上完成規(guī)定實驗的線路連接、數(shù)據(jù)/波形測試，工程實踐能力沒有得到很好的培養(yǎng)[9]。

1.3 缺乏對學(xué)習過程的監(jiān)督與考核

根據(jù)《中國工程教育專業(yè)認證通用標準》，“持續(xù)改進”(第四節(jié))部分，要求建立教學(xué)過程質(zhì)量監(jiān)控機制，明確各主要教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求，并應(yīng)該定期評價課程質(zhì)量和課程體系設(shè)置。

以平時成績?yōu)檩o、閉卷考試成績?yōu)橹鞯膫鹘y(tǒng)考核方式，缺乏對過程進行有效檢測的機制。平時成績包括出勤和作業(yè)。出勤情況只能反映學(xué)生是否到堂上課，而不能反映他們是否認真聽講和思考問題。同樣，交上來的作業(yè)也很難反映學(xué)生是否認真解答。此外，以閉卷考試成績?yōu)橹鞯目己朔绞?，容易助長學(xué)生平時散漫考前突擊的風氣[6]。

這種以結(jié)果為中心的評價方式缺乏過程動態(tài)監(jiān)控，功利導(dǎo)向明顯。成績評價只重視學(xué)生對大綱要求知識點的掌握，知識與能力脫節(jié)，難以充分反映學(xué)生的實際能力情況[10]。

綜上所述，“模擬電子技術(shù)”課程傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和考核方式不能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習積極性，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，難以滿足工程教育專業(yè)認證的要求。因此，改革勢在必行。

2 實行成果導(dǎo)向改革教學(xué)內(nèi)容

2.1 適應(yīng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展及時更新教學(xué)內(nèi)容

“模擬電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容應(yīng)根據(jù)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展進行調(diào)整和優(yōu)化[6]。有必要：①減少由分立元件構(gòu)成的電路內(nèi)容。分立元件組成的單元電路是集成電路的基礎(chǔ)，在課時有限的情況下，課堂教學(xué)中可以刪減復(fù)雜的多級放大電路和電流源電路等內(nèi)容[11]。②補充實際集成運算放大器應(yīng)用知識。傳統(tǒng)教學(xué)中偏重于理想集成運放的應(yīng)用，與實際情況差異較大，需要補充相關(guān)知識。③調(diào)整三極管和場效應(yīng)管角色。場效應(yīng)管因其具有功耗小、容易集成等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。場效應(yīng)管逐漸取代或者至少處于不弱于三極管的位置，成為“模擬電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容的變化趨勢。

2.2 以課程思政建設(shè)增強專業(yè)自豪感

電子技術(shù)的發(fā)展是一個實踐不斷深化理論、理論持續(xù)引領(lǐng)實踐的科技創(chuàng)新發(fā)展歷程[6]。從1785年，庫侖確定了電荷間的相互作用力開始，到1975年，超大規(guī)模集成電路誕生。隨著集成電路的發(fā)展，我國的科技也取得輝煌的成果。北斗衛(wèi)星、神州航天、5G通信、高鐵、量子通信……都是中國的核心技術(shù)，這些科技成果都離不開電子技術(shù)的基礎(chǔ)。通過簡要介紹電子技術(shù)的發(fā)展歷程，適時講解科學(xué)家的奮斗故事，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲和進取心，并可以鼓勵學(xué)生的自信心和創(chuàng)新發(fā)明的興趣沖動。通過呈現(xiàn)一代又一代科學(xué)家的接力奮進，展示中國科技發(fā)展迄今取得的輝煌成就，鼓勵年輕一代肩負使命，致力于科技創(chuàng)新，為早日實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興作出貢獻[12]。

3 推動以學(xué)生為中心改革教學(xué)方法

3.1 運用多種教學(xué)手段實施翻轉(zhuǎn)課堂

圖1為混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。教師主導(dǎo)教學(xué)過程，課前在線推送視頻、預(yù)習要求等，課中讓教學(xué)活動更加有效，課后及時評價反饋學(xué)生學(xué)習情況。學(xué)生作為學(xué)習主體，課前需要完成相關(guān)預(yù)習要求，課上采取小組合作等方式積極主動探究問題，課后通過作業(yè)等對所學(xué)知識予以鞏固和提高[13]。

“模擬電子技術(shù)”課程應(yīng)根據(jù)不同內(nèi)容的特點，綜合采用多種形式的教學(xué)手段，以達到最佳效果。綜合運用慕課、雨教室等教學(xué)手段，實施翻轉(zhuǎn)課堂的過程如圖2所示。具體實施階段如下：

課前階段：教師通過雨課堂發(fā)布學(xué)習任務(wù)，并組織學(xué)生通過課程組制作的慕課自主預(yù)習。

圖1 混合式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

圖2 混合式教學(xué)組織實施過程

課中階段：保留部分時間作傳統(tǒng)講授式教學(xué)，對知識點中的重點、要點和難點進行講解，采用“提出問題→討論問題→給出結(jié)論”的啟發(fā)式互動教學(xué)方式。通過隨機提問和雨課堂發(fā)布課堂測試等方式，了解學(xué)生是否認真自學(xué)及對知識點的掌握情況，從而及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和進度。留出部分時間讓學(xué)生分組談?wù)?，各小組整合討論成果并與其它小組交流，最后由教師點評各小組匯報內(nèi)容。

課后階段：通過雨課堂發(fā)布課后作業(yè)和測試題，學(xué)生在線提交教師在線批改，學(xué)生根據(jù)結(jié)果對學(xué)習情況進行自我評價，教師根據(jù)完成情況進行評估和反思，相應(yīng)調(diào)整下一輪的教學(xué)安排。

綜合運用慕課、雨課堂等多種教學(xué)手段實施翻轉(zhuǎn)課堂，有利于實現(xiàn)從“以教導(dǎo)學(xué)”到“以學(xué)定教”的轉(zhuǎn)變，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習熱情和主動性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、創(chuàng)新能力以及合作能力[14]。

3.2 采用項目驅(qū)動教學(xué)法突出能力培養(yǎng)

項目驅(qū)動法是教師根據(jù)課程內(nèi)容和知識點提供項目任務(wù)，將知識點的學(xué)習與融會貫通整合到項目實施過程中。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下積極運用所學(xué)知識，開展理論與實踐相結(jié)合的學(xué)習實踐活動。

在“模擬電子技術(shù)”教學(xué)中，通過項目驅(qū)動法將課程拆解為若干學(xué)習單元。每個單元以項目為線索，綜合運用多種教學(xué)模式，將知識點整合到項目任務(wù)中。項目驅(qū)動法能夠拓展學(xué)生的知識面，提高學(xué)生的積極性，使學(xué)生的綜合能力得到較大提升。實施方案如圖3所示。以“模擬電子技術(shù)”中擴音機電路的制作項目為例：該項目包含前置放大、音調(diào)控制和功率放大等模塊。其中前置放大模塊包含多級放大電路的組成、耦合方式、動態(tài)分析、性能指標估算等知識點。音調(diào)控制模塊包含放大電路的頻率特性、負反饋等知識點；功率放大模塊包含互補對稱功率放大電路等知識點。除此之外，還涉及每一模塊的仿真、制作、調(diào)試和系統(tǒng)整體的制作調(diào)試。

圖3 項目法教學(xué)實施方案

3.3 改進實踐教學(xué)提高工程實踐能力

由于課內(nèi)學(xué)時有限，通過廣泛開展課外實踐活動的方式可以提高學(xué)生學(xué)以致用的設(shè)計能力和工程實踐能力。引入虛擬仿真、EDA技術(shù)到課外實踐項目中，利于學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)問題并加以改正，從而提高設(shè)計效率。但是理論與實際有明顯差別，需要將實際設(shè)計和計算機輔助設(shè)計結(jié)合起來，在虛擬設(shè)計的指導(dǎo)下結(jié)合現(xiàn)實因素，才能設(shè)計出性能優(yōu)良的電路。

以“模擬電子技術(shù)”課外項目實施為例，具體包含以下6個環(huán)節(jié)：

(1)自主組隊：2～3人一組，結(jié)合小組成員的興趣特長自主選題。

(2)方案論證：經(jīng)過小組內(nèi)部討論，設(shè)計系統(tǒng)方案，分析比較各種方案的優(yōu)缺點，畫出系統(tǒng)框圖。

(3)仿真設(shè)計：根據(jù)設(shè)計要求和性能指標，確定設(shè)計方案，利用Proteus、Multisim等軟件先設(shè)計和仿真單元電路，再繪制完整的電路圖并進行整體的仿真。

(4)組裝調(diào)試：根據(jù)仿真結(jié)果，利用Altium Designer畫PCB圖、制板，在自制的電路板上進行焊接、調(diào)試，并將實物的測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比和分析，分析判斷問題并排除。

(5)總結(jié)：電路測試結(jié)果是否滿足設(shè)計要求，總結(jié)電路特點、提出改進方向。

(6)撰寫報告、答辯：學(xué)生撰寫項目報告，準備答辯用的PPT、演示視頻等。教師針對項目存在的具體問題對組員提問，引導(dǎo)學(xué)生進行反思和總結(jié)。

4 圍繞學(xué)習成果產(chǎn)出改革考核評價體系

考核評價采取學(xué)習成果導(dǎo)向，實現(xiàn)評價的主體、內(nèi)容、過程、方式多元化，如圖4所示。

圖4 成果導(dǎo)向的多元課程評價方式設(shè)計

以學(xué)生學(xué)習成果為導(dǎo)向，設(shè)計多元課程評價方式，制定三維課程評價體系，加強對學(xué)生學(xué)習過程和綜合能力的考核，促進對學(xué)習成果全方位、多角度的評價。這些措施，不僅能更真實地體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習效果，而且能更好地促進學(xué)生積極學(xué)習、主動探索[16]。同時，有利于根據(jù)學(xué)習產(chǎn)出效果持續(xù)改進“模擬電子技術(shù)”課程。課程評價標準應(yīng)充分反映學(xué)生的學(xué)習主動性，注重對學(xué)習過程的形成性評價[17]。

圍繞“模擬電子技術(shù)”課程學(xué)生學(xué)習目標和學(xué)習過程對考核內(nèi)容和方式進行改革探索，改革后的考核內(nèi)容和方式具有“抓過程”“考能力”的特點，考核內(nèi)容如圖5所示，包括在線學(xué)習和測試、課堂答題、小組表現(xiàn)、筆頭作業(yè)、推送作業(yè)、仿真作業(yè)和項目設(shè)計。考核體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括基礎(chǔ)知識、電子電路分析、設(shè)計、工程實踐和綜合應(yīng)用。

圖5 考核內(nèi)容

抓過程：平時成績占總成績的50%，主要由課堂答題、小組討論、仿真作業(yè)、課外項目設(shè)計、在線學(xué)習等部分構(gòu)成。豐富的過程考核，一方面加強對課堂教學(xué)的過程管理，另一方面有利于引導(dǎo)學(xué)生主動學(xué)習、積極實踐。

考能力：期末考試采取理論閉卷的形式，占總成績的50%，重點考查學(xué)生對模擬電路進行分析、設(shè)計和應(yīng)用的能力，同時兼顧基本概念、基本原理和基本方法，考查學(xué)生綜合能力。

圖6 考核體系結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

針對“模擬電子技術(shù)”課程存在的問題，教學(xué)團隊進行了一系列改革。實踐證明，以預(yù)期學(xué)習產(chǎn)出為中心，采用混合教學(xué)模式組織和實施“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習熱情得以激發(fā)，學(xué)生由“被動的”學(xué)習者向“主動的”探索者轉(zhuǎn)變，自覺學(xué)習意識大大加強，課堂參與度明顯提升。突出成果導(dǎo)向，強調(diào)模擬電路的設(shè)計與應(yīng)用，學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力明顯提高，參加各類競賽和大學(xué)生創(chuàng)新項目的人數(shù)也大幅增加。圍繞學(xué)習成果產(chǎn)出改革考核內(nèi)容和方式，構(gòu)建立體化課程評價體系，問卷調(diào)查表明，學(xué)生普遍認為強化了仿真、設(shè)計和大作業(yè)等環(huán)節(jié)的考核方式對提升解決復(fù)雜工程問題能力很有幫助，同時有助于推動教學(xué)持續(xù)改進。

自動化學(xué)院本科生培養(yǎng)已采用了本教改成果，成效明顯，有較好示范作用。自動化專業(yè)和電氣工程專業(yè)分別于2017年1月和2019年1月順利通過了工程教育專業(yè)認證，具有較好的推廣應(yīng)用價值。