“電子電路與系統基礎實驗”教學改革與實踐

劉小艷， 金 平

(清華大學 電子工程系 實驗教學中心，北京 100084)

0 引 言

隨著電子信息和計算機技術的高速發展，電子學科知識日益膨脹，而高校電子工程專業本科生的學時基本不變，使近年來知識膨脹與學時有限的矛盾日益突出[1]。這一矛盾導致教師講授的內容越來越多，類似于灌輸給學生，再加之交叉學科內容的重復講授，導致學生不堪重負，造成學生學習壓力不斷增大，真正接受與理解的知識卻越來越少，難以形成一個整體的專業課程體系。因此需要對原有的課程體系、教學理念和教學內容等進行改革和創新[2-3]。

通過梳理電子學科知識體系和核心概念，清華大學電子工程系進行了全方位、多層次的教學改革，建立了新的課程體系——基礎核心課程和專業限選課程，逐步完善了培養方案和教學計劃。電路類課程是電子工程學科的重要基礎課程，兼具理論性和實踐性，因此成為此次教學改革的重點和難點。電子電路實驗課作為電路類課程的第一門實踐課程，圍繞理論課進行了課程改革，建立了新的電子電路實驗課程體系，形成了一門新的課程——“電子電路與系統基礎實驗”，作為本科生的第一門基礎核心實驗課。

1 建立新的電子電路實驗課程體系

原有的電子電路實驗課程體系一般由“電路實驗”、“電子工藝實習”、“模擬電子技術實驗”、“數字電子技術實驗”和“數模混合系統設計”等課程組成[4-7]，在這個體系中實驗課程大部分跟隨理論課程開設，不是獨立開課，實驗內容上存在將原理的驗證和工程技術研究分開的部分，即存在不合理成分，因為現實世界中理論原理和實際應用是分不開的[8]。

本著“由易到難，循序漸進，跟理論課程緊密結合，結合實際應用”的基本原則，打破 “模擬”與“數字”的界限，結合“原理”與“應用”，通過梳理原有的“電路原理實驗”、“模擬電子技術實驗”、“數字電子技術實驗”這3門課程的教學框架和內容，整合核心知識并突出核心概念應用，建立了新的電子電路實驗課程——“電子電路與系統基礎實驗”，替代了上述3門課程。該課程獨立開課，64學時，分兩學期進行，面向本科大一下學期和大二上學期學生開設。

2 “電子電路與系統基礎實驗”課程的特點

(1) 總體學時壓縮，知識概念整體性增強。通過梳理課程體系和整合核心知識，拋棄了簡單驗證型的實驗，整合原有課程中重復性較強的實驗內容，將原來90學時的實驗壓縮為64學時，使得課程的概念整體性增強。例如運算放大器實驗，在原有的“電路實驗”中，用運算放大器構成受控源，研究受控源的轉移特性和負載特性，由于受控源本身屬于一個原理性的概念而并非一個實際器件，故此實驗屬于簡單的原理驗證型實驗[4]；在原有的“模擬電子技術實驗”中，用運算放大器構成反相或同相比例放大等運算電路，此實驗屬于簡單的應用驗證型實驗?？紤]到這兩個實驗的電路基本相同，只是研究的側重點不一樣，同樣運算放大器在應用時也需要考慮其負載特性，故將這兩個實驗整合成為一個新實驗。

(2) 內容整合，突出電路特性研究。還是以運算放大器實驗為例，新實驗重點研究運算放大器的應用及其應用電路的特性研究。如運算放大器構成的反相比例放大電路，研究其直流傳輸特性和交流特性；運算放大器構成的電壓比較器，研究其傳輸特性和響應時間等等。通過這些實際應用電路的設計及其特性研究，使學生一方面能掌握運算放大器的正確使用，同時培養學生“設計電路時除了滿足功能要求外，還需滿足性能要求”的設計理念。

(3) 研究“透”器件特性。理論課講授了一些常用基本器件的特性，學生獲得的是理性認識，而通過實踐獲得的是感性認識，兩者結合使學生不但加深對器件本身的理解，而且還學會正確使用這些器件。由于該課程是我系本科生的第一門專業基礎實驗課，通過實踐掌握常用基本器件的特性對后續專業課程的學習非常重要，故新課程實驗很注重器件特性研究和應用。例如二極管是一個非線性器件，理論課上常用“其伏安特性不是一條直線”來講述其非線性特性，顯得略為抽象[9]；而實驗中通過直接測量二極管在不同直流工作點時的靜態電阻和動態電阻的大小，加以比較，就很直觀理解了其非線性特性；二極管的非線性典型應用如整流、穩壓電路，實驗教學中只提出設計要求，由學生根據二極管的特性自行完成電路設計。

(4) 實驗教學內容分多層次。通過“儀器訓練與基本測量”實驗培養學生的基本實驗技能，在此基礎上開展典型應用設計型和系統綜合設計型實驗，由淺入深，由簡單到復雜，逐步培養動手實踐能力和探索精神，培養系統觀念和工程觀念[10]。具體來說，每個實驗既有基本內容又有一定的設計創新內容，并附有若干有一定難度的思考題；摒棄了“傻瓜式”按步操作的實驗方式，增加了“自主設計型”內容在教學中的比例。例如電路基本定律定理實驗，要求學生利用實驗室現有條件首先設計一個電阻網絡，再利用該網絡驗證Kirchhoff定律、疊加定理、戴維南定理等，最后通過分析計算給出各項實驗任務的明確結論。

3 將EDA技術引入到實驗教學

隨著EDA技術的不斷發展和廣泛應用，利用EDA技術進行電路仿真也成為實驗教學的重要組成部分[11-15]。在該課程的開始階段，介紹常見的電路仿真工具如Pspice和Multisim，并要求學生實驗之前對一些實驗電路進行仿真，實驗完成后將實驗結果和仿真結果進行對比分析，這一過程培養了學生的數據分析能力，擴展了學生的研究型思維。對于綜合設計型的實驗，要求實驗之前必須仿真驗證自己設計的電路，由此使學生建立先進的電子電路設計理念。當然EDA仿真代替不了實驗，實驗教學中只引導學生將其用在實驗的預習階段，大大提高了預習的質量和效果。

4 開發電路綜合實驗平臺

基于電子電路實驗課程改革，為滿足多層次的電路實驗教學，開發了一個電路綜合實驗平臺[16]。該平臺包含一些實驗常用的功能模塊比如直流穩壓電源模塊、顯示模塊、按鍵模塊和測試模塊等，且模塊之間相互獨立，某個模塊的故障不會影響其他模塊的正常工作。其中測試模塊是該平臺的一大特色，可用來測試常用實驗器件如晶體管、NE555、常見集成運算放大器(OP07、μA741、LF347、LM324和TL084) 等，方便學生在實驗中及時判定器件本身的好壞。此外學生可在平臺上自行搭建和設計實驗，為實驗室開放提供了良好的條件。該平臺具有通用性、開放性和擴展性，已應用于“電子電路與系統基礎實驗”教學，效果良好。

5 考核重視預習并兼顧實驗過程和結果

該課程全過程一位同學一組，教學過程中強調預習的重要性并增加了預習報告在考核中所占的分值比例，引導學生認真作好預習，這樣實驗中如果遇到問題學生就會自己分析問題出現在哪里，應該怎么去解決，所以預習非常重要，預習得好會使實驗效果得到很大提高。

該課程的總成績分為平時成績(占總分70%)和考核成績(占總分30%)，其中平時成績又包括預習報告成績、實驗過程表現和總結報告成績；考核成績包括儀器使用考核成績和期末電路實驗考核成績。這種評定成績的方式兼顧實驗過程和結果，能較為客觀地反映學生的實驗技能、動手能力和科學作風，并能充分調動學生的積極性和創造性。

6 結 語

近年來通過不斷改革“電子電路與系統基礎實驗”教學內容和優化教學方式，通過強化電路核心概念并結合實際應用，激發了學生對電路的興趣，啟發了學生對電路的探究思維，取得了良好的教學效果。當然改革不能一蹴而就，在以后的教學工作中還需要不斷完善電子電路實驗教學計劃和內容，也期待能跟同行們進行切磋和交流。

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