新工科背景下“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)的探索實(shí)踐

楊俊潔，南余榮

（浙江工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，浙江 杭州 310023）

0 引言

2017 年2 月，教育部高等教育司正式發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，以“培養(yǎng)引領(lǐng)未來技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的卓越工程科技人才”為目標(biāo)，提出了“新工科”理念，啟動(dòng)了新工科建設(shè)，為我國高等工程教育指明了方向。隨著科技水平的飛速提高，中國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，對工程科技人才提出了更高要求，高校應(yīng)發(fā)揮自身優(yōu)勢，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的要求。有效推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和實(shí)踐創(chuàng)新能力，以應(yīng)對新一輪產(chǎn)業(yè)變革和科技革命帶來的挑戰(zhàn)，這是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)[1-2]。

“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”是高校電子信息、通信工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)，及其他工科專業(yè)開設(shè)的一門必修的電子類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，具有涉及知識點(diǎn)多，儀器操作性強(qiáng)，課程內(nèi)容實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)。課程在加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和理論聯(lián)系實(shí)踐的能力方面，以及對學(xué)生參加電子類學(xué)科競賽和工作崗位適應(yīng)度等方面都有非常重要的作用。電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要適應(yīng)課程定位要求，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，需要不斷探索如何提高學(xué)生綜合實(shí)踐和創(chuàng)新能力，為學(xué)生在后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好基礎(chǔ)。

1 教學(xué)方法改革

1.1 循序漸進(jìn)善于引導(dǎo)

“電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”是高校工科專業(yè)普遍開設(shè)的一門基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生來自包括電子信息、通信工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)、機(jī)械工程等多個(gè)專業(yè)，不同專業(yè)的學(xué)生由于學(xué)科知識結(jié)構(gòu)、側(cè)重點(diǎn)有很大差異，使得他們在電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的掌握程度參差不齊。要使實(shí)驗(yàn)教學(xué)對不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能得到良好的教學(xué)效果，需要教師進(jìn)行正確地引導(dǎo)。“興趣是最好的老師”，如何引發(fā)學(xué)生對電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的興趣，教師的作用不可低估。有些教師在講授知識時(shí)，喜歡將書本內(nèi)容復(fù)刻下來，一步步推導(dǎo)公式，學(xué)生往往在面對這些高深的公式推導(dǎo)時(shí)感到茫然，不知這些推導(dǎo)的目的是什么，知識的趣味性也消耗殆盡。其實(shí)每個(gè)重要的知識點(diǎn)都是有其歷史根源的，將這些發(fā)展歷史引入授課中，可以讓知識點(diǎn)的脈絡(luò)變得更清晰，復(fù)雜的公式也會變成對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的符號總結(jié)，難學(xué)的知識變得簡單而親切。以半導(dǎo)體三極管教學(xué)為例,三極管往往被說成是可放大的電流和電壓。事實(shí)上，從它產(chǎn)生的歷史可以清楚地看到，被放大的是電流或電壓的變化量。最早是約翰·弗萊明利用愛迪生效應(yīng)發(fā)明了真空二極管，進(jìn)行無線電檢波，把微弱的無線電信號發(fā)大；后來李·德弗雷斯特發(fā)明了帶有柵極的真空三極管，可以進(jìn)行變化電流的放大，并最終制作了世界是第一個(gè)音頻放大器；再后來，貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家在半導(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代意義的晶體三極管，但是它的工作原理和最初的真空三極管是一致的，它們都是通過控制柵極的電流，來進(jìn)行變化電流或電壓的放大作用。通過講授三極管的發(fā)展歷史，可以讓學(xué)生很容易地理解三極管的放大作用，還有基極、集電極、發(fā)射極等聽上去怪異的概念，并理清楚它們之間對應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系。再引入這些技術(shù)對社會發(fā)展、改善人民生活產(chǎn)生的巨大影響，與現(xiàn)在的科技前沿與電子技術(shù)的密切關(guān)系，及面臨的挑戰(zhàn)和現(xiàn)在發(fā)展中遇到的難題，激發(fā)學(xué)生的好奇心。這樣的引導(dǎo)在教學(xué)中產(chǎn)生了較好的效果，讓學(xué)生理解了原理后，在電子技術(shù)實(shí)踐中體驗(yàn)到學(xué)習(xí)的樂趣，并創(chuàng)造條件使之長期保持。

1.2 增加設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的比重

為了更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，在打好前期驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之后，可以在后續(xù)綜合性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)中融入某些實(shí)際生活相關(guān)的內(nèi)容[3]。例如，在進(jìn)行計(jì)數(shù)器74LS192 的實(shí)驗(yàn)時(shí)，以前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是將192 組成12 進(jìn)制計(jì)數(shù)器，然后將脈沖計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果用數(shù)碼管直接顯示出來；現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了修改，用計(jì)數(shù)器加數(shù)碼管，制作完成一個(gè)顯示小時(shí)和分鐘的電子鐘，增加了六十進(jìn)制計(jì)數(shù)用于電子鐘的分鐘顯示，十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)行電子鐘的小時(shí)顯示，簡單的修改，卻大大增加了實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)所學(xué)的知識可以用于實(shí)際生活，大大增加了學(xué)習(xí)興趣，取得了良好的效果。

基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和知識應(yīng)用能力，而綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)以上能力的基礎(chǔ)上，還培養(yǎng)了自主研究探索能力。因此在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中，增加一些設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，可以很好的鍛煉學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力[4]。目前的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)不論是模擬電子實(shí)驗(yàn)，還是數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)，都在最后的環(huán)節(jié)增加了大型的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。教師提出每個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，讓學(xué)生查找資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教材進(jìn)行電路及參數(shù)設(shè)計(jì)，最后在實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)完成自己設(shè)計(jì)的電路，這在很大程度上調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。例如，模電課程設(shè)計(jì)要求完成方波、三角波的波形發(fā)生器，并且需要的直流穩(wěn)壓電源也要自己設(shè)計(jì)完成，對整個(gè)電路供電。這個(gè)實(shí)驗(yàn)把前面所學(xué)的集成放大電路、電源電路等分開的教學(xué)內(nèi)容串聯(lián)到了一起，學(xué)生需要合理運(yùn)用所學(xué)知識，完成設(shè)計(jì)要求，要查資料，做修改，對知識的整合和創(chuàng)新，起到很好的鍛煉效果，并且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對后續(xù)的課程學(xué)習(xí)以及參加電子設(shè)計(jì)競賽等，都有很好的幫助。

1.3 引入仿真軟件輔助教學(xué)

在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入multisim 仿真軟件輔助教學(xué)，是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要的補(bǔ)充。通過計(jì)算機(jī)軟件模擬來完成實(shí)驗(yàn)過程，具有直觀、方便、可重復(fù)操作等優(yōu)點(diǎn)，可以不受時(shí)間和場所的限制。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前利用仿真軟件進(jìn)行預(yù)習(xí)，通過仿真練習(xí)，進(jìn)行電路分析和設(shè)計(jì)，特別是可以隨意變動(dòng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，檢驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)電路的影響，使得學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的理解大大加深，對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容都會有一個(gè)更直觀的了解。仿真時(shí)得到的各種數(shù)據(jù)和波形，可以讓他們掌握預(yù)期得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；然后再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行實(shí)際操作，做到每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟心中有數(shù)，得到了很好的效果[5-6]。這種方式激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，使他們在實(shí)驗(yàn)中碰到問題時(shí)，可以更好地找到針對性的問題并解決，大大提高了實(shí)驗(yàn)分析、調(diào)試的能力，有效提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績；并且使學(xué)生掌握一個(gè)新的電路設(shè)計(jì)方法，在仿真調(diào)試的過程中，拓展了知識面，激發(fā)了學(xué)習(xí)熱情，使他們對于電路知識不再感到高深莫測，也有助于創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2 基于學(xué)情分析創(chuàng)新教學(xué)模式

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，學(xué)生來自全校多個(gè)專業(yè)，不同專業(yè)的學(xué)生電子技術(shù)基礎(chǔ)知識的掌握程度差別較大。學(xué)生在剛接觸電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ郊胺椒ú皇?，基本的儀器操作也不了解，這就要求教師在講解實(shí)驗(yàn)時(shí)，要把實(shí)驗(yàn)中各種可能普遍碰到的問題提前預(yù)判，對實(shí)驗(yàn)要求及調(diào)試方法等，細(xì)致講解清楚。對不同基礎(chǔ)的學(xué)生，碰到的問題也不盡相同，例如計(jì)算機(jī)學(xué)院的學(xué)生因?yàn)橹皼]有上過電路方面的課程，沒有接觸過示波器、信號源等基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備，所以在講解時(shí)，要考慮到這點(diǎn)，即使是最基礎(chǔ)的示波器探頭的連接方式，也要耐心講解清楚。另一個(gè)沒有電路課程基礎(chǔ)的學(xué)生最容易碰到的問題，就是不給芯片連接電源線，原因是實(shí)驗(yàn)教材上的電路原理圖中的芯片默認(rèn)都是加好電源的，因此，不會畫出電源引腳，所以學(xué)生容易忽視這個(gè)問題。這些在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)過程中需要非常耐心講解，尤其現(xiàn)在的學(xué)生大多是獨(dú)生子女，心理素質(zhì)較為脆弱，所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)，需要教師照顧學(xué)生的情緒，保持耐心、細(xì)心以達(dá)到良好的教學(xué)效果[7]。

在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生碰到實(shí)驗(yàn)結(jié)果一直出不來的時(shí)候常常懷疑是器件有問題，有些時(shí)候，器件的好壞很容易判斷，比如74LS00 之類的邏輯功能器件，通過接高低電平就能驗(yàn)證，有些則不能夠一下判斷出來，需要搭接一些小電路，而學(xué)生有時(shí)因?yàn)榕侣闊?，有的可能因基礎(chǔ)知識不夠牢固，不太能夠?qū)⑺鶎W(xué)的知識用在當(dāng)下的情景，不知怎么檢測。為了保障實(shí)驗(yàn)的順暢性，在指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在旁邊搭建一些檢測小電路，方便學(xué)生測試自己的實(shí)驗(yàn)元件是否故障，讓他們把更多的時(shí)間和精力放在實(shí)驗(yàn)相關(guān)的電路分析檢查上。這些小電路在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中起到很好的效果，學(xué)生不會因無根據(jù)懷疑器件，而錯(cuò)過了真正該去關(guān)注的知識點(diǎn)的練習(xí)。

3 實(shí)驗(yàn)室的開放建設(shè)

目前筆者的學(xué)校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)大綱安排的實(shí)驗(yàn)課程之外的時(shí)間，是面向全體師生開放的，既可以讓學(xué)有余力的學(xué)生在課余時(shí)間來實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自己想做的電路設(shè)計(jì)；也可以給實(shí)驗(yàn)情況不理想的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)重做和補(bǔ)做的機(jī)會，這樣學(xué)生在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中有更大的空間，可以針對自身情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；在完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，開放實(shí)驗(yàn)平臺還可以進(jìn)行學(xué)生自主選題，大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐、電子設(shè)計(jì)競賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)等，實(shí)驗(yàn)室提供進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需要的條件，學(xué)生在相關(guān)教師的輔助下，參與科研項(xiàng)目。開放實(shí)驗(yàn)室可充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，為師生服務(wù)，提升高校的辦學(xué)水平，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的必然趨勢。實(shí)驗(yàn)室的開放模式可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，發(fā)揮他們的想象力與創(chuàng)造力，也讓實(shí)驗(yàn)室的資源得到充分利用。實(shí)驗(yàn)室在對外開放過程中，需要特別注意安全教育，避免安全事故發(fā)生。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的人員都需要接受實(shí)驗(yàn)室的安全培訓(xùn)；嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室安全操作規(guī)程。實(shí)驗(yàn)老師在每次實(shí)驗(yàn)后會對實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備進(jìn)行安全檢查，防范安全隱患[8-9]。

4 實(shí)驗(yàn)考核模式的改革

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)在歷經(jīng)課程改革后，目前屬于獨(dú)立設(shè)課的實(shí)驗(yàn)，因此考核模式從傳統(tǒng)的每次實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)操作表現(xiàn)以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，來進(jìn)行打分評判，又增加了最后的期末實(shí)驗(yàn)考試，形成了比較完整的的考核方式，而考核方式中最關(guān)鍵的一環(huán)就是期末的實(shí)驗(yàn)考試。因?yàn)槭仟?dú)立設(shè)課，所以同其他課程一樣，有最后的期末考試，但是考試方式是通過做實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行。與理論課考試的區(qū)別在于，學(xué)生因?yàn)楦鼡Q元器件的原因，是可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)走動(dòng)的，因此可能會其他同學(xué)有接觸。為了保證考試的公平性，每次實(shí)驗(yàn)考試，都會在設(shè)計(jì)要求上做適當(dāng)?shù)匦薷暮驼{(diào)整，出具多道參數(shù)要求和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有區(qū)別的考試題目，學(xué)生通過抽簽的方式，確定自己的題目，使得每位同學(xué)的題目要求與周圍的盡量不一樣，最大程度地避免抄襲或討論的現(xiàn)象出現(xiàn)。具體操作如下：每位學(xué)生依次抽簽，發(fā)放對應(yīng)題目試卷，學(xué)生根據(jù)自己題目試卷的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，包括對電路原理圖中元件參數(shù)的計(jì)算等；按照設(shè)計(jì)的電路圖，選取元器件，搭建實(shí)驗(yàn)電路，并完成對實(shí)驗(yàn)電路的測試；記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡單的故障分析和誤差分析等；最后由教師驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)結(jié)果，上交試卷。這樣的實(shí)驗(yàn)考核方式，因?yàn)楸仨毻ㄟ^現(xiàn)場操作完成實(shí)驗(yàn)，所以較好地體現(xiàn)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)課程知識的理解程度，比較客觀地反映了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)課程水平，取得了良好的效果。

5 結(jié)語

新工科背景下，高校教育更注重學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在這方面有著重要的作用，在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中已不再是理論教學(xué)的補(bǔ)充，而是成為了獨(dú)立設(shè)課的單元。我校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)在實(shí)際教學(xué)中進(jìn)行了多個(gè)方面的探索，把理論知識與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合，教學(xué)中注意知識循序漸進(jìn)，有效引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性和學(xué)習(xí)興趣；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上結(jié)合實(shí)際生活，增加綜合設(shè)計(jì)類的實(shí)驗(yàn)，改革考核方式，啟發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新的能力；運(yùn)用仿真實(shí)驗(yàn)和線下實(shí)踐相結(jié)合的方法，科學(xué)有效地提高教學(xué)效果等等，這些措施取得了良好的教學(xué)效果，為學(xué)生營造了開放、有序的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣，提高了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。當(dāng)然實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索之路還很長，我們會不斷完善電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式，以達(dá)到提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的根本目的。