“模擬電子技術(shù)”課程培養(yǎng)工程思維能力的方法

［摘 要］ 為適應(yīng)新時(shí)代工程教育的人才培養(yǎng)需求，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，針對(duì)“模擬電子技術(shù)”課程傳統(tǒng)教學(xué)中重知識(shí)、輕思維，理論教學(xué)與工程應(yīng)用割裂的問題，在分析“模擬電子技術(shù)”課程工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品案例融入教學(xué)，拓寬學(xué)生工程視野。在課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式、研討式教學(xué)方法，從模擬電子電路的定性分析、定量估算、電路設(shè)計(jì)以及硬件實(shí)現(xiàn)等四個(gè)維度，訓(xùn)練學(xué)生掌握和運(yùn)用工程思維方法，綜合性、創(chuàng)造性地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決電子技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。

［關(guān)鍵詞］ 模擬電子技術(shù)；工程思維；產(chǎn)品案例；電路設(shè)計(jì)；項(xiàng)目實(shí)踐

［基金項(xiàng)目］ 2021年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“模擬電子技術(shù)與電路分析課程整合及教學(xué)模式創(chuàng)新改革與實(shí)踐”（2021JGB187）；2020年度教育部第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目“新工科背景下地方高校電子信息類人才創(chuàng)意創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)探索與實(shí)踐”（E-DZYQ20201425）；2020年度廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目“新工科背景下一流專業(yè)建設(shè)的探索與實(shí)踐——以電子信息類專業(yè)為例”（2020JGZ118）

［作者簡(jiǎn)介］ 李旭瓊（1973—），女，廣西南寧人，工學(xué)碩士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院副研究員，主要從事電路與系統(tǒng)研究；劉慶華（1974—），女，四川南江人，工學(xué)博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院教授，主要從事信號(hào)處理研究；韋雪明（1978—），男，廣西河池人，工學(xué)博士，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院副教授，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）42-0153-04 ［收稿日期］ 2023-07-18

2016年6月2日，我國(guó)正式加入《華盛頓協(xié)議》，這被認(rèn)為是中國(guó)高等教育取得的具有里程碑意義的歷史性突破。在工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的12項(xiàng)通用畢業(yè)要求中，從第一條至第七條及第十條都直接指向解決“復(fù)雜工程問題”的能力要求，明確體現(xiàn)了本科工程教育的基本定位是培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力［1］。培養(yǎng)工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力不能只注重知識(shí)傳授，更重要的是在思維結(jié)構(gòu)方面突出工程思維能力建構(gòu)，訓(xùn)練學(xué)生掌握和運(yùn)用工程思維方法，綜合性、創(chuàng)造性地應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題。學(xué)生解決“復(fù)雜工程問題”能力的培養(yǎng)不能僅依靠畢業(yè)設(shè)計(jì)、綜合實(shí)踐等一兩個(gè)實(shí)踐環(huán)節(jié)，而必須通過整個(gè)培養(yǎng)體系實(shí)現(xiàn)，分解落實(shí)到教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)、各門課程之中［2］。

“模擬電子技術(shù)”是電氣、電子信息類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和明顯的工程技術(shù)特征，是學(xué)生接觸的第一門直面工程應(yīng)用的課程，因而是啟蒙引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)工程思維、培養(yǎng)解決實(shí)際工程問題能力的重要載體［3］。目前，“模擬電子技術(shù)”課程的教學(xué)由于受到學(xué)時(shí)、教學(xué)資源的限制以及傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)方法的局限，在實(shí)際授課中教師難以開展系統(tǒng)有效的工程思維訓(xùn)練，造成理論教學(xué)與應(yīng)用能力培養(yǎng)割裂的困局。大部分學(xué)生在學(xué)完課程后，只是了解掌握了基本概念和單元電路的工作原理和分析方法，但由于缺乏工程知識(shí)和工程思維的指導(dǎo)，不能將理論知識(shí)靈活應(yīng)用到工程實(shí)際中，稍微復(fù)雜的電路不會(huì)分析，設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試電路的能力較弱，不能達(dá)到學(xué)以致用的教學(xué)目標(biāo)。

本文在分析“模擬電子技術(shù)”課程工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生建立全局系統(tǒng)觀和工程意識(shí)，強(qiáng)化學(xué)生綜合運(yùn)用模擬電路知識(shí)解決實(shí)際問題的工程思維培養(yǎng)，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)及實(shí)踐創(chuàng)新能力，促進(jìn)工程教育人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。

一、“模擬電子技術(shù)”課程中的工程思維

工程思維是以價(jià)值為導(dǎo)向的建構(gòu)性的造物思維，是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。首屆北大新工科國(guó)際論壇（2021）主論壇上，百度創(chuàng)始人李彥宏認(rèn)為，化繁為簡(jiǎn)、知道妥協(xié)和循序漸進(jìn)是工程化思維和科學(xué)化思維的主要區(qū)別。古魯·馬達(dá)范在《轉(zhuǎn)向：用工程師思維解決商業(yè)難題》中對(duì)工程思維做了深入闡釋，提出工程思維的三大要素是結(jié)構(gòu)、約束和取舍［4］。

根據(jù)工程思維的內(nèi)涵特點(diǎn)，結(jié)合“模擬電子技術(shù)”課程內(nèi)容以及學(xué)生實(shí)際情況，在“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力主要包括以下四個(gè)方面。

1.系統(tǒng)思維能力。任何電子產(chǎn)品都是由多個(gè)電子元件或功能模塊組合而成的系統(tǒng)，系統(tǒng)各要素之間相互聯(lián)系、相互制約，任何一個(gè)要素發(fā)生變化，都會(huì)影響其他各要素，甚至使整體功能發(fā)生變化。研制電子產(chǎn)品，除了技術(shù)本身以外，還要考慮成本、外觀以及營(yíng)銷等諸多因素，需要具備全局系統(tǒng)觀，學(xué)會(huì)用整體的、關(guān)聯(lián)的方法思考問題。

2.簡(jiǎn)化思維能力。工程以創(chuàng)造價(jià)值為目標(biāo)，在允許的誤差范圍內(nèi)，力求用最簡(jiǎn)單、有效的方案解決實(shí)際問題。實(shí)際的電子系統(tǒng)在滿足功能和基本性能指標(biāo)的前提下，允許存在一定的誤差范圍。在分析設(shè)計(jì)電子電路時(shí)，由于電子元件參數(shù)的分散性、溫度敏感性和各種物理效應(yīng)，進(jìn)行嚴(yán)格精確的計(jì)算既不現(xiàn)實(shí)也沒有必要，因而需要善于抓住問題的主要矛盾，忽略次要矛盾，采用工程近似的方法化繁為簡(jiǎn)，學(xué)會(huì)高效地分析處理問題。

3.權(quán)衡取舍能力。凡事“有一利必有一弊”，模擬電路設(shè)計(jì)中充滿著技術(shù)指標(biāo)、功耗以及成本等各種約束，而這些約束往往不能同時(shí)滿足，甚至?xí)ハ鄾_突。在電路設(shè)計(jì)和器件選型時(shí)，需要統(tǒng)籌考慮，權(quán)衡利弊，懂得取舍，不要盲目追求某一方面的性能特別優(yōu)秀，要建立“合適的設(shè)計(jì)才是最好的設(shè)計(jì)”的折中設(shè)計(jì)理念。

4.實(shí)驗(yàn)至上觀念。實(shí)際的電子系統(tǒng)必然會(huì)受到環(huán)境的影響，包括電路布局布線、溫度、濕度、光照以及噪聲等，這些影響因素在理論設(shè)計(jì)和仿真過程中是很難計(jì)算和模擬的，尤其是電路的穩(wěn)定性和各種設(shè)計(jì)缺陷，只有在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中才容易暴露出來。實(shí)際的電子系統(tǒng)通常需要經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)測(cè)試、調(diào)試改進(jìn)才能達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)［5］。

二、在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力的方法和策略

在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的關(guān)鍵是做好教學(xué)設(shè)計(jì)，包括教學(xué)內(nèi)容組織和教學(xué)方法。教師從課程知識(shí)點(diǎn)中挖掘工程問題，在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)工程應(yīng)用情境，采用啟發(fā)式和研討式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工程思維分析設(shè)計(jì)模擬電子電路。經(jīng)過若干單元的訓(xùn)練逐步養(yǎng)成一定的工程思維能力，然后通過綜合設(shè)計(jì)性的項(xiàng)目任務(wù)讓學(xué)生在實(shí)踐中提升解決復(fù)雜工程問題的能力。

1.以電子產(chǎn)品為載體組織教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)工程認(rèn)知，培養(yǎng)系統(tǒng)思維。把教學(xué)單元內(nèi)容“封裝”到一個(gè)實(shí)際的電子產(chǎn)品中，通過整機(jī)電路清晰呈現(xiàn)各個(gè)單元模塊以及元器件的連接匹配關(guān)系，有利于學(xué)生站在系統(tǒng)的高度了解各個(gè)模塊在整個(gè)電路中的地位、作用和相互影響，幫助學(xué)生建立全局觀念，引導(dǎo)學(xué)生用聯(lián)系的方法理解系統(tǒng)對(duì)各個(gè)單元模塊提出的性能指標(biāo)要求。表1是“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)單元內(nèi)容與對(duì)應(yīng)的電子產(chǎn)品案例。

以“基本放大電路”為例，該教學(xué)單元主要包括共射電路、共集電路和多級(jí)放大電路，考慮學(xué)生為初學(xué)水平，選擇由分立BJT三極管組成的拾音器來組織教學(xué)內(nèi)容。在這個(gè)電子系統(tǒng)中，駐極體麥克風(fēng)（傳感器）為信號(hào)源，內(nèi)阻幾百歐，輸入級(jí)要求具有較高輸入阻抗以利于提取有效信號(hào)；輸入電壓只有毫伏數(shù)量級(jí)，需要較高的電壓增益獲得足夠大的信號(hào)才能驅(qū)動(dòng)喇叭，因此采用兩級(jí)共射放大電路實(shí)現(xiàn)放大電壓；喇叭電阻只有32 Ω，為了實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，后級(jí)采用了低輸出阻抗的共集電路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。通過對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行整體上的定性分析，使學(xué)生能夠全面深入地理解系統(tǒng)對(duì)輸入級(jí)、輸出級(jí)在指標(biāo)上的要求，以及它們?cè)谙到y(tǒng)中的作用、相互影響和匹配關(guān)系，有利于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維。另外，作為實(shí)用產(chǎn)品設(shè)置了抗干擾濾波電路（C1、C3、C10、C11），提高穩(wěn)定性的負(fù)反饋電路（C4、C7），用于監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行樁體的指示燈，這些輔助電路就是實(shí)際電路需要考慮的工程因素，可以幫助學(xué)生跳出原理電路的局限，增強(qiáng)對(duì)工程的理解。

2.以“工程近似”簡(jiǎn)化定量分析，培養(yǎng)用簡(jiǎn)化思維解決復(fù)雜問題的能力。模擬電子電路的核心是半導(dǎo)體器件，包括二極管、BJT三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。這些半導(dǎo)體器件是非線性器件，其伏安關(guān)系比較復(fù)雜，而且半導(dǎo)體器件存在多種物理效應(yīng)，如PN結(jié)電容效應(yīng)、BJT的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)、MOSFET的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)等。因此，想要建立反映全部特征效應(yīng)的電路模型進(jìn)行精確計(jì)算是非常困難且不切實(shí)際的。在實(shí)際工程應(yīng)用中，電子電路定量分析的目的不是追求理論的深入和結(jié)果的極致精確，而是衡量評(píng)價(jià)電路是否滿足設(shè)計(jì)需求。在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生打破嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)、精確計(jì)算的慣性思維，從工程的角度運(yùn)用簡(jiǎn)化思維分析思考問題，善于抓住器件或電路的主要特征，忽略次要因素，學(xué)會(huì)用“工程近似”的方法簡(jiǎn)化電路的建模和分析過程，力求用簡(jiǎn)單有效的方案解決問題。

用“工程近似”方法分析求解模擬電子電路，一定要強(qiáng)調(diào)近似的條件及合理性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景和工作條件，通過合理近似獲得高效快速解決問題的方案。

3.在電路設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)取舍之道，提升權(quán)衡取舍能力。電路設(shè)計(jì)包括需求分析、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選型、仿真驗(yàn)證以及電路實(shí)現(xiàn)等方面。一個(gè)好的電路設(shè)計(jì)必須完全滿足系統(tǒng)功能和性能要求，在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，避免片面追求高性能指標(biāo)和過多的功能，合適的設(shè)計(jì)才是最好的設(shè)計(jì)。

電路設(shè)計(jì)過程其實(shí)就是在多約束條件下進(jìn)行選擇、平衡、取舍和優(yōu)化的過程。以小信號(hào)放大器為例，放大器的性能參數(shù)除了增益、帶寬之外，功耗、電源電壓、線性度以及最大電壓擺幅等參數(shù)也很重要，還有輸入輸出阻抗決定了電路該如何與前級(jí)和后級(jí)互相配合。在實(shí)際中，這些參數(shù)往往相互牽制，甚至?xí)ハ鄾_突。比如，增益帶寬積是常數(shù)，提高增益則勢(shì)必會(huì)使帶寬變窄，增大輸出電壓擺幅則功耗會(huì)增大，增大輸入電阻噪聲減小但是會(huì)使高頻特性變差等。因此，在電路架構(gòu)設(shè)計(jì)和器件選型過程中，需要從整體出發(fā)進(jìn)行綜合考慮，在各種性能指標(biāo)之間權(quán)衡取舍，同時(shí)還要考慮成本和可靠性等工程因素，經(jīng)過反復(fù)評(píng)估、優(yōu)化才能得到一個(gè)滿足需求的電路方案。

多約束條件下的電路設(shè)計(jì)，不僅需要熟練掌握器件及單元電路的結(jié)構(gòu)、原理、性能和指標(biāo)估算，還要用到一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生來說具有一定的挑戰(zhàn)性。在課堂教學(xué)中，可以結(jié)合工程案例，采用啟發(fā)式、研討式的教學(xué)方法，指導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)需求選擇電路方案和器件選型，傳授一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并輔以電路仿真進(jìn)行驗(yàn)證。課后可以布置一些設(shè)計(jì)性作業(yè)，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜循序漸進(jìn)，使學(xué)生在電路設(shè)計(jì)過程中逐漸形成平衡取舍的思維習(xí)慣，提高權(quán)衡決策的工程能力。學(xué)會(huì)選擇、學(xué)會(huì)妥協(xié)、學(xué)會(huì)權(quán)衡取舍，這種思維方法也是正確看待世界的方法，是人際溝通、為人處世的方法和智慧［6］。

4.實(shí)驗(yàn)至上、躬行實(shí)踐，善用工具分析解決問題。實(shí)驗(yàn)至上觀念是工程思維培養(yǎng)的重中之重，只有通過實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)工程思維的社會(huì)應(yīng)用與遷移。教師可以設(shè)置具有一定挑戰(zhàn)度的綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目并要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作形式，通過電路設(shè)計(jì)、焊接安裝、測(cè)試調(diào)整等，最終完成實(shí)物作品。綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)在總評(píng)成績(jī)中占有較大的比重，如10%～15%，以推動(dòng)學(xué)生投入精力認(rèn)真完成。此外，教師需要開放實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，配備基本元器件、常用工具和儀器設(shè)備，給學(xué)生提供良好的硬件支持。

要完成綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目，學(xué)生不僅需要扎實(shí)的理論知識(shí)儲(chǔ)備，還要熟練掌握EDA軟件工具（如Mulitism、SPICE、Altium Designer等）和各種儀器設(shè)備（如萬用表、示波器、信號(hào)發(fā)生器、直流電源、掃頻儀等）的使用。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生善于借助工具儀器進(jìn)行故障診斷和排除，通過不斷調(diào)整和改進(jìn)，最終使作品達(dá)到預(yù)期的功能和指標(biāo)。

在電路設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)換為“硬件實(shí)現(xiàn)”的過程中，學(xué)生可以深刻體會(huì)原理電路、仿真電路與實(shí)際電路的區(qū)別，強(qiáng)化工程認(rèn)知，積累一定的工程經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)調(diào)試的過程中，進(jìn)一步鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。同時(shí)，硬件作品成果的產(chǎn)出，使學(xué)生收獲成就感，激發(fā)其創(chuàng)造熱情和專業(yè)自信。

結(jié)語

新時(shí)代的工程教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)，以知識(shí)傳授為主的傳統(tǒng)教學(xué)已經(jīng)難以適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的需求，這需要在教學(xué)的全過程中加強(qiáng)工程思維的訓(xùn)練，讓學(xué)生在未來工程實(shí)踐中面臨各種未知與復(fù)雜問題時(shí)能夠靈活運(yùn)用、妥善解決。系統(tǒng)思維、簡(jiǎn)化思維、平衡取舍能力都是解決復(fù)雜工程問題的利器，只有通過實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)工程思維的社會(huì)應(yīng)用與遷移。

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Strategies for Cultivating Engineering Thinking Ability in the Teaching and Learning of Analog Electronic Technology

LI Xu-qiong， LIU Qing-hua， WEI Xue-ming

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： In order to meet the talent cultivation needs of engineering education in the new era， improve students’ ability to solve complex engineering problems， in response to the traditional teaching of analog electronic technology courses that emphasizes knowledge imparting over thinking training， and the separation of theoretical teaching and engineering application， this paper proposes improvement methods for course teaching based on the analysis of the engineering characteristics of analog electronic technology courses， integrating product cases into teaching content to broaden students’ engineering perspective. Using heuristic and deliberative teaching methods in classroom teaching， students are trained to master and apply engineering thinking methods from four dimensions： qualitative analysis， quantitative estimation， circuit design， and hardware implementation of analog electronic circuits， enabling students to comprehensively and creatively apply their knowledge to solve complex engineering problems in the field of electronic technology.

Key words： Analog Electronics; engineering thinking; product case; circuit design; project practice