非電類專業的電子技術實驗教學改革

郝彥爽， 魯億方， 韓守梅

(1. 北京科技大學 自然科學基礎實驗中心， 北京 100083；2. 北京科技大學 自動化學院， 北京 100083)

電子技術實驗是一門與電子技術理論課相配合的實驗課，具有很強的實踐性，是非電類工科專業的基礎實驗課程，其目的是使學生理論聯系實際、提高動手實踐能力、激發創新意識、培養一定的創新能力，為將來從事工程技術工作打好基礎。本文結合我校非電類專業電子技術實驗課的自身特點，分析傳統教學中存在的問題，從教學內容、教學方式、專業需求等方面進行實驗教學改革與實踐，以期能有效提高教學效果，增強學生分析問題、解決問題的能力，培養創新意識和能力。

1 非電類電子技術實驗的現狀與問題

電子技術實驗包括模擬電子技術實驗和數字電子技術實驗2部分內容。對于電類專業(如自動化、測控技術與儀器、計算機等專業)，這2部分內容分別獨立設課，各有16學時；而對于非電類專業，這2部分內容合并在一起才16學時，從而帶來學時少、內容多的問題。

我校電子技術實驗課程面向的學生是非電類工科專業學生，包括冶金、礦業、機械等多個專業的學生，同時也包括“卓越工程師教育培養計劃”(簡稱“卓越計劃”)的學生。這些學生雖然都屬于非電類專業，但是各專業對于電子技術的專業要求有所不同，比如機械工程專業與冶金工程相比，對電子技術的掌握要求更加深入一些。每年都有機械專業的本科生參加全國機器人大賽，而有些機械專業研究生的研究方向與自動化專業相近，這就要求他們在本科階段打下堅實的電子技術基礎。“卓越計劃”是面向社會需求、創新高校人才培養模式、提高人才培養質量、推動教育教學改革的重要舉措[1]。“卓越計劃”的任務是培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高素質工程技術人才[2]。相比于普通學生，“卓越計劃”的學生對于實踐能力和創新能力的要求更高一層。因此，為滿足不同專業、不同類型學生的不同需求，應采用層次化的實驗教學內容與教學手段。

傳統的電子技術實驗課存在如下幾方面的問題:

一是所有非電類專業的教學內容是一樣的，沒有考慮到不同學生的基礎不同、需求不同，不能做到因材施教，造成部分學生較難順利完成實驗，而部分學生卻感覺實驗內容過于簡單，這都不利于學生動手能力的培養[3]；

二是實驗內容基本以驗證型為主，學生上課只需按圖接線，然后測試、記錄即可，沒給學生留下獨立思考、自主設計的空間，無法充分調動學生的主動性和積極性[4]；

三是教學方法陳舊，課堂環節通常直接給出原理圖，不能引導學生獨立分析問題、解決問題，導致學生在實驗過程中一旦出現問題，不知如何查找產生問題的真正原因，只是將整個線路拆掉，重新按圖連線，更談不上創新意識和能力的培養。

2 實驗教學改革措施

2.1 教學內容的層次化改進

考慮到授課對象為本科二年級的學生，大部分學生尚未經過太多實踐能力的培養，動手能力較弱，因此教學內容仍保留部分基礎的驗證型實驗；為了使教學內容在有限的實驗學時內覆蓋電子技術的主要理論知識點，盡量充實實驗內容；增加提高型的設計性實驗比例，以調動學生的積極性，培養學生運用理論知識解決簡單實際問題的能力；此外，新增若干綜合型創新實驗，作為可選實驗項目，以滿足不同專業學生以及學有余力學生的教學需求，激發學生的創新意識，提高學生運用理論知識解決實際問題的能力。

根據上述改革思路，將電子技術實驗課程的實驗內容分為基礎型實驗、提高型實驗和綜合型實驗3個層次，其中基礎型和提高型實驗是所有學生必須完成的部分，綜合型實驗是針對部分專業選擇完成。具體的實驗項目見表1[5]。

表1 電子技術實驗項目

2.2 教學方式的虛實結合

傳統的實驗教學方式中，學生的預習過程就是簡單地抄寫實驗指導書內容，不去深入地思考實驗原理，實驗過程就是機械的按圖連線，造成部分學生不能正確地分析實驗現象和實驗結果。針對這個問題，在預習環節增加了基于Multisim的虛擬仿真內容，要求學生在預習過程中了解實驗原理，并對實驗內容進行Multisim虛擬仿真。

采用虛擬仿真與實際實驗相結合的方式，具有以下優點:

(1) 打破時間與空間的限制，學生可以在課下自主進行仿真實驗，縮短了課堂上的實驗時間，解決了學時有限與內容增加之間的矛盾[6]；

(2) 改變學生預習環節不加思考的學習方式，培養學生課前主動思考的良好習慣；

(3) 實驗過程中，可以將實際結果與仿真結果對比分析，加深學生對理論知識和實驗內容的理解，增強分析問題、解決問題的能力。

2.3 啟發式教學方法

雖然Multisim仿真軟件可以幫助學生更好地理論結合實際，但是不能取代實驗課中課堂教學環節的作用。傳統實驗課的課堂教學通常是教師先講解實驗目的、實驗設備、實驗原理、實驗步驟等內容，給出詳細的電路原理圖，然后學生按照步驟和原理圖完成實驗。這種方式不利于學生主動思考，遇到問題不知從何處入手分析。針對這一問題，在課堂教學環節采用啟發式教學方法。

啟發式教學的核心是“疑”，基礎是學生已有的經驗，本質是“生長”。教學過程中，教師引導學生產生疑惑，幫助學生解決疑惑，從而推動學生經驗的生長和發展[7]。一堂實驗課分為教師講解和學生操作2個階段。教師講解階段可通過設疑啟發、比較啟發[8]等方法使學生掌握實驗的設計思路、設計方法，調動學生的學習主動性和創造性。

比如“采用中規模集成器件組成組合邏輯電路”實驗，要求利用譯碼器74LS138和數據選擇器74LS151分別實現3人表決電路。譯碼器74LS138和數據選擇器74LS151的邏輯功能是學生的已有經驗知識，3人表決真值表也比較容易寫出。教師講解的目的就是推動學生在這些已有經驗的基礎上，掌握利用元器件進行電路設計的方法。可以先讓學生根據真值表思考邏輯表達式，然后通過“設疑”引導學生的思考，比如，能否直接用該表達式分別設計出基于74LS138和74LS151的3人表決電路？如果可以，應如何設計，如果不能，則應將表達式如何變形；利用74LS138和74LS151進行組合邏輯電路設計的區別在哪里等。在講解完實驗原理后，可以拋出幾個問題，讓學生帶著問題進行實驗操作，比如，如果74LS138的控制端S1接地，會得到什么結果？本實驗中，如果地址輸入端的權位接錯，對結果有影響嗎？這些問題不一定很難，但通常是學生實際動手時容易忽略和犯錯的問題。帶著問題進行實驗操作，可以促使學生主動思考，使他們在實驗出現錯誤現象或結果時，快速解決問題，即使實驗順利完成，也能夠加深對知識點的理解，培養學生分析問題、解決問題的能力。

2.4 基于NI myDAQ的口袋實驗室

“口袋實驗室”的理念由美國德州儀器和賽靈思中國大學計劃項目引入中國，它泛指各種功能強大的小型開發板，倡導不受時間、空間限制的全新實驗教學模式[9]。口袋實驗室允許學生將實驗室裝入口袋，在任何地方進行實驗，延長了有限的實驗學時，使學生擺脫實驗室開放的時間、空間束縛，從而可以完成較為復雜的實驗項目，有助于激發學生創新潛能，提高實踐能力，為培養科技精英型的拔尖人才提供條件[10]。

NI myDAQ是由美國NI公司推出的低成本的數據采集(DAQ)設備，它將8種常見的實驗室儀器集成到一臺小巧、便攜的設備中，可以隨時隨地測量并分析實時信號。它提供5 V和±15 V直流電源，2路16位差分模擬模擬輸入通道、2路16位模擬輸出通道、8路數字輸入輸出線，可以滿足電子技術實驗的設備要求。NI myDAQ由USB口供電，使用靈活、方便，具有堅固外殼以及安全措施，適合學生在無教師指導下使用。此外，它基于行業標準的NI DAQ技術框架，學生在今后的研究和職業生涯也能夠進行使用。

考慮到“卓越計劃”的學生要求培養更高的創新意識與工程實踐能力，以及購置經費的限制，基于NI myDAQ的口袋實驗室教學改革目前僅在“卓越計劃”的學生中進行，尚未在所有電子技術實驗課的學生中開展。對于“卓越計劃”的學生，開學初將設備發到學生手中，人手一套由基本元器件和面包板組成的器件盒，用于搭建實驗電路，3～5人一組，分時共用1臺NI myDAQ設備，用于所搭建電路的實際測試。學生在課下完成各項實驗，并將搭建好電路的面包板交給實驗指導教師進行測試。對于有問題的電路，教師會分別指出錯誤之處，并督促學生進行修改。為檢驗每個學生真實的學習效果，在期末設置統一的考試。考核題目均為包含本課程主要知識點的設計性實驗，每人任選一題，利用實驗室的計算機和NI myDAQ設備，在規定的時間內完成電路設計和測試。課程結束，教師將設備和元件盒收回實驗室。這樣，學生可以有一學期的時間，隨時進行課內要求實驗或課外自主實驗，最大限度地提高動手能力，有利于激發學生的靈感與創新意識。

3 結語

本次電子技術實驗教學改革已經在我校14級、15級非電類專業學生中進行了實踐。結果表明，層次化的教學內容可以滿足不同基礎和不同專業學生對課程的需求，虛實結合的教學方式和啟發式的教學方法能夠充分調動學生的學習興趣和主動性，加深知識掌握程度，培養分析問題、解決問題的能力，基于NI myDAQ的口袋實驗室則有效提高了學生的實踐能力和創新意識。非電專業學生，尤其是“卓越計劃”學生和機械專業學生，參加電子技術相關的科技創新項目和各種競賽的熱情得到提高，并在諸如電子設計競賽、機器人大賽等比賽中取得不錯的成績。

References)

[1] 李弘洋，吳霞，沈小麗.基于卓越工程師培養計劃的“電路與電子技術實驗”CH-SPOC 模式探索與實踐[J].教育現代化，2017(4):7-9.

[2] 侯永峰，武美萍，宮文飛，等.深入實施卓越工程師教育培養計劃，創新工程人才培養機制[J].高等工程教育研究，2014(3):1-6.

[3] 儲春華，李有軍，翁紹捷，等.非電類專業電工學實驗課程教學模式改革探討[J].海南大學學報(自然科學版)，2010，28(4):382-384.

[4] 張瑩，張振偉.基于BB平臺的非電類專業電工學實驗教學改革[J].實驗科學與技術，2015，13(5):119-120.

[5] 劉蘊絡，韓守梅.電工電子技術實驗教程[M]. 3版.北京:兵器工業出版社，2015.

[6] 王爾申，李軒，王相海，等.基于Multisim的電工及工業電子學課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2014，31(10):128-131.

[7] 黃曉磊，黃偉.經驗視域下的啟發式教學[J].教育理論與實踐，2014，34(26):9-11.

[8] 申文達，董云鳳，李可.啟發式教學方法在電工電子實驗教學中的運用[J].實驗技術與管理，2012，29(4):265-266.

[9] 劉艷，秦昌明.“口袋”實驗室在物聯網工程實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2015，32(8):212-215.

[10] 侯長波，王曉迪，胡乃志，等.全開放口袋實驗室共享平臺建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2016，35(12):277-280.