基于新工科電子技術(shù)實驗課程的學(xué)生能力培養(yǎng)研究

謝洪途 鄒鵬 謝愷 呼嘯 姜新橋 王國倩

摘? 要：電子技術(shù)實驗是一門重要的電子信息類基礎(chǔ)實踐課程，在工程實踐類人才的培養(yǎng)上發(fā)揮著舉足輕重的作用。文章結(jié)合目前我國大力發(fā)展新工科建設(shè)的需求，探討傳統(tǒng)類型電子技術(shù)類實驗課程存在的問題，提出分拆校企合作或在目前正熱門的實際課題中的電子技術(shù)類相關(guān)模塊進行實驗選題，要求學(xué)生在課前使用虛擬仿真軟件對實驗任務(wù)進行模擬仿真并完成所布置的設(shè)計類任務(wù)，再在線下實際課程中完成實體電路實驗的培養(yǎng)模式，從而達到培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計性思維、鍛煉學(xué)生動手能力和鞏固理論教學(xué)所學(xué)知識的目的。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)實驗;新工科;能力培養(yǎng);虛擬仿真教學(xué);自主設(shè)計;科教結(jié)合

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）06-0076-04

Abstract： Electronic Technology Experiment is an important basic practical course of electronic information， which plays an important role in the training of engineering practical talents. Combining the demand of developing new engineering construction in our country， this paper discusses the existing problems in the traditional type electronic technology experiment course， puts forward the spin-off university-enterprise cooperation， and selects the experimental topics fromthe modules related to electronic technology in current hot practical subjects. Students are required to use virtual simulation software to simulate the experimental tasks and complete the assigned design tasks before class. Then the training mode of solid circuit experiment is completed in offline practical courses， so as to train students' designing thinking， exercise their hands-on ability and consolidate the knowledge learned in theoretical teaching.

Keywords： Electronic Technology Experiment; the new engineering; ability cultivation; virtual simulation teaching; independent design; the combination of science and education

隨著歷史的車輪不斷向前滾動，我國綜合國力及教育水平得到了極大的發(fā)展。在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展理念愈發(fā)明顯的國際大環(huán)境下，第四次工業(yè)革命的展開速度正以指數(shù)形式快速增長。隨著現(xiàn)代計算機的計算力不斷增強及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的不斷完善，人工智能技術(shù)的發(fā)展也在不斷深入。在此背景下教育部推出了“復(fù)旦共識”、“天大行動”和“北京指南”[1-3]，為我國新工科建設(shè)定下人才培養(yǎng)新基調(diào)，為各大高校相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)提出新目標(biāo)，開拓并探索了工程教育改革新路徑。

與此同時，我國正不斷完善“中國制造2025”、“網(wǎng)絡(luò)強國”等相關(guān)行動綱領(lǐng)，推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動、國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議等，“工業(yè)4.0”的概念逐漸深入人心。但是近年來高校培養(yǎng)的專業(yè)人才數(shù)量不足，培養(yǎng)過程中學(xué)生缺乏足夠的技術(shù)性訓(xùn)練，所學(xué)內(nèi)容與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)情況較為嚴(yán)重。因此，當(dāng)下新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)緊密結(jié)合且高速發(fā)展的行業(yè)（諸如大數(shù)據(jù)、云計算、機器人等）面臨著較大的行業(yè)缺口，而現(xiàn)行的教育模式又不能使培養(yǎng)的學(xué)生很好地匹配業(yè)界工程化實踐需求，學(xué)生處理實際工程項目的能力尚有欠缺，與我國目前正大力推崇的以“提升學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力”為目標(biāo)的高等工程類教育不太相符。

一、新工科電子技術(shù)實驗教學(xué)培養(yǎng)需求

近年來隨著高等院校不斷擴招，高等教育大眾化的趨勢愈發(fā)明顯，我國高等院校的培養(yǎng)模式也逐漸從精英教育向大眾教育轉(zhuǎn)變。目前，以新工科為代表的新興技術(shù)及多學(xué)科交叉融合的發(fā)展規(guī)律也表明社會對于專業(yè)技術(shù)人才的需求愈發(fā)多元化。同時，電子信息及相關(guān)工科類學(xué)生在畢業(yè)后無論是升學(xué)還是就業(yè)所研究的課題通常都具有很強的應(yīng)用背景，亦或是需要解決一個實際工程上的科學(xué)問題，“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的培養(yǎng)方式便成為各高等院校工程類專業(yè)的首選。而電子技術(shù)類課程包含大量的理論理解和推導(dǎo)計算，與實際應(yīng)用的聯(lián)系不密切，所學(xué)內(nèi)容較為抽象，盡管目前線下線上教學(xué)同步結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂模式有助于學(xué)生對概念的理解[4-5]，但學(xué)生依然易于陷入概念的理解和公式的推導(dǎo)而不知道實際工程中應(yīng)當(dāng)解決的是什么問題，更不知道在一個工程類項目中應(yīng)如何結(jié)合自身所學(xué)知識對目標(biāo)任務(wù)進行解決和優(yōu)化。有學(xué)者將理論與實踐結(jié)合，將項目教學(xué)法作為一種新型教學(xué)模式應(yīng)用于教學(xué)中[6]，與此同時，注重培養(yǎng)學(xué)生的探索能力及創(chuàng)新性思維十分重要，這就要求教師在課程規(guī)劃時應(yīng)當(dāng)更注重過程性評價[7]，并在制定整體評價標(biāo)準(zhǔn)時考慮到課前任務(wù)的驗收，細致了解每個組員所對應(yīng)的任務(wù)，保證每個學(xué)生都能很好地參與實驗。

作為電子信息類專業(yè)及部分非電子類專業(yè)的核心實踐類課程，電子技術(shù)實驗是一門要求學(xué)生深入理解電子技術(shù)中數(shù)字電路和模擬電路的基本概念、基本原理和基本分析方法，并對理論知識進一步深化掌握和鞏固的課程。其中，實驗是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)，能夠鞏固和加深理論課程中的教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生實際動手能力，培養(yǎng)科學(xué)的研究思維，樹立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)，建立完整的知識體系，對學(xué)習(xí)后續(xù)課程、從事實踐技術(shù)工作及相關(guān)學(xué)術(shù)研究具有重要作用[8]。因此，需要突出學(xué)習(xí)過程中的實踐與研究活動的融合。結(jié)合工科教學(xué)特色，在傳統(tǒng)的以若干個項目實驗為教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上增加自主設(shè)計部分，循序漸進從易到難，既培養(yǎng)學(xué)生獨立思考的能力，將課堂實踐與后期所要面對的科研任務(wù)相結(jié)合，又能促進學(xué)生對知識進行回顧，并積累設(shè)計類實踐任務(wù)的經(jīng)驗，同時還可以結(jié)合目前較新的科研競賽試題為學(xué)生進行分拆講解[9]，鼓勵學(xué)生結(jié)合自身情況接觸實際科研任務(wù)。也可參考國外高校的實驗類課程安排，在結(jié)課考核時不僅僅只是收取實驗報告，還要對設(shè)計所得電子系統(tǒng)的功能和性能進行考察[10]。本文所提出的電子技術(shù)實驗的課程安排如圖1所示。

二、新工科電子技術(shù)實驗教學(xué)改革實踐

以集成運放基本應(yīng)用之一的模擬運算放大器設(shè)計實驗為例，集成運算放大電路是一種高性能的直接耦合多級放大電路。除了常見的加法和乘法外，其可在與不同元器件組成負(fù)反饋電路或輸入時形成不同的線性及非線性函數(shù)特性，比較常見的還有積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等模擬運算電路。實驗中，如圖2所示，給出難度較低但十分重要的反向比例運算電路、同向比例運算電路的電路原理圖，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)階段通過諸如Multisim等EDA軟件進行模擬仿真，增加對實驗原理的理解及相關(guān)知識點的掌握。

傳統(tǒng)的電子技術(shù)類實驗課更像是一種程序式任務(wù)，學(xué)生根據(jù)實驗書籍對器件進行連接，按照要求測定相關(guān)儀器讀數(shù)并完成相關(guān)分析即可，使得部分學(xué)生在實驗過程中甚至不明白自己究竟在干什么，每一步究竟是為了什么，所得參數(shù)究竟代表什么，在課后寫實驗報告時才會結(jié)合以往所學(xué)知識對數(shù)據(jù)進行回憶式分析，而實驗進程中出現(xiàn)的問題則會忽略，達不到實驗課程預(yù)期的培養(yǎng)效果。同時，這種課程設(shè)計方式容易造成與理論課程相分離，在理論課程學(xué)習(xí)中得不到有效的實踐，實驗課程中又無法對理論進行有效的回顧，使得教學(xué)情況達不到預(yù)期效果。

虛擬仿真軟件對于電子類專業(yè)的科研及工作都有著很深遠的影響和幫助，電子技術(shù)類實驗課程可以適當(dāng)增加仿真類設(shè)計任務(wù)作為線下實驗的準(zhǔn)備工作，既加強了學(xué)生對于理論知識的回顧理解，又能讓學(xué)生提前體會到電路設(shè)計實際工作的相關(guān)過程，同時增進學(xué)生的團隊合作意識。在實驗任務(wù)的布置中，要求學(xué)生根據(jù)給定的基礎(chǔ)實驗原理圖，自行設(shè)計難度較大的反向加法運算電路和電壓跟隨器（圖3），或在分組進行實驗的課程中增加差分放大電路和積分運算電路（圖3）的設(shè)計任務(wù)供學(xué)生自行組內(nèi)分配。這樣既能增強學(xué)生對于知識的理解，又不會因為難度較大擠占學(xué)生們過多的時間，同時增加學(xué)生們對于EDA軟件的熟悉程度，便于在未來更好地開展科研工作。此外，應(yīng)鼓勵學(xué)生課后更多地參與到實際科研工作中，鼓勵學(xué)生參加科研競賽、進實驗室接觸實際課題，教師在授課時也可主動結(jié)合當(dāng)下比較新穎的競賽試題為學(xué)生拆分講解，幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系框架，更好地理解工程實踐，實現(xiàn)知識交叉融合，開闊科研視野。

此外，校企結(jié)合的選題模式應(yīng)予以鼓勵實施，在本就以設(shè)計類任務(wù)為主的期中和期末課程設(shè)計考核時，導(dǎo)師可從自身與企業(yè)合作項目中尋找方向，根據(jù)授課學(xué)生能力情況擬定設(shè)計題目，并根據(jù)實際情況對試題不斷更新。諸如，可讓學(xué)生完成一個音頻功率放大器或簡易無線遙控系統(tǒng)等有著實際應(yīng)用場景的設(shè)計類任務(wù)。現(xiàn)以2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽F題紙張計數(shù)測量電路為例，如圖4所示。該綜合類題目對于學(xué)生來說自然是有一定難度的，但老師可以將該試題分解為若干模塊后為學(xué)生們大致講解各個模塊間的協(xié)同邏輯及涉及學(xué)科，并將類似于信號放大模塊、D/A輸入模塊、顯示模塊和電源模塊等電子技術(shù)實驗相關(guān)部分拆解后分給不同的小組進行實驗設(shè)計。圖5為該試題中可用于小信號放大的模塊電路圖，學(xué)有余力的學(xué)生也可根據(jù)題目背景對小組所選題目進行一定的功能性優(yōu)化，并對整體架構(gòu)提出自己的建議和看法。

三、結(jié)束語

目前新工科發(fā)展趨勢火熱，高等院校的培養(yǎng)方式愈發(fā)轉(zhuǎn)向以社會需求為導(dǎo)向，在此背景下，我國對于人才需求多樣化、知識結(jié)構(gòu)交叉化的特點更加突出，本科生教育及研究生教育也更加注重理論聯(lián)系實際。電子技術(shù)實驗課程作為引導(dǎo)學(xué)生將理論課程所學(xué)知識與實際工程所需相結(jié)合、更好地構(gòu)建工程設(shè)計性思維的骨干類實踐課程，其所承擔(dān)的構(gòu)建學(xué)生知識及實踐框架的教學(xué)任務(wù)也更加突出。

通過對所布置實驗任務(wù)的優(yōu)化，引導(dǎo)學(xué)生通過虛擬仿真軟件對實驗原理圖進行仿真，實驗前便對整個實驗體系進行整體性了解，并通過設(shè)計類任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生們自主學(xué)習(xí)并仿真設(shè)計。在期中和期末課程設(shè)計任務(wù)中加入校企合作類項目或與實際關(guān)聯(lián)緊密的題目，幫助學(xué)生更加全面系統(tǒng)地認(rèn)識何謂工程，有利于引領(lǐng)學(xué)生提前適應(yīng)未來工作及科研的學(xué)習(xí)方式。從本質(zhì)上認(rèn)識工程類專業(yè)在具體實踐中究竟應(yīng)該如何工作，提升學(xué)生的綜合能力。

參考文獻：

[1]教育部.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部.“新工科”建設(shè)行動路線[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.“新工科”研究與實踐項目指南[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[4]杜湘瑜，李德鑫，陳長林.基于BOPPPS模型的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)線上線下混合教學(xué)研究與實踐[J].高教學(xué)刊，2020（13）：8-12.

[5]李德鑫，賈珍珍，余安喜，等.翻轉(zhuǎn)課堂在電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用分析[J].高教學(xué)刊，2020（6）：86-90.

[6]陳思，楊偉.基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的課程改革——以電子技術(shù)課程為例[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（16）：84-86.

[7]張海濤.應(yīng)用型本科電子技術(shù)課程實踐教學(xué)改革研究[J].辦公自動化，2019，24（22）：29-31.

[8]丁文霞，杜湘瑜，庫錫樹，等.電子電路系列本科人才培養(yǎng)方案的研究與實踐[J].高等教育研究學(xué)報，2013，36（2）：91-93+103.

[9]劉榮科，楊昕欣，洪韜.面向新工科建設(shè)的電子電路系列課程教學(xué)的思考與實踐[J].高教論壇，2018（9）：20-23.

[10]杜湘瑜，丁文霞，庫錫樹，等.多倫多大學(xué)電子系列課程的觀察與思考[J].高等教育研究學(xué)報，2013，36（1）：67-69.