CDIO理念在模電教學中的探索與實踐

張靜秋，桂衛華，陳寧，陳明義

（中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙，410000）

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果，其培養大綱將工程畢業生的能力分為工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力四個層面，并分解為12個標準，這也是目前我國高校“雙一流”專業建設努力要達成的目標。2017年2月18日教育部在復旦大學召開綜合性高校會議，發布了“新工科”建設“復旦共識”，對國際工程教育改革發展做出了中國本土化的回應，闡明了“新工科”著重要培養的是兩方面能力，工程創新能力和適應變化能力。

隨著計算機應用的飛速普及，IM（Intelligent Manufacturing）智能制造時代滾滾而來，高校的教學目標、教學手段、教學理念以及教學對象都發生了巨大變化，“知識”和“課程”是大家上網一搜即可獲得的東西，與時俱進調整教學模式是每個教師都面臨的首要問題。

近年來教育界倡導從“獨白式教學”走向“對話式教學”，由“依賴性教學”走向“獨立性教學”，從“有效教學”走向“卓越教學”，由“知識性課堂”走向“生命性課堂”，教師由教學中的主角轉向“平等中的首席”，從傳統的知識傳授者轉向現代的學生發展促進者。

模擬電子技術作為工科學生尤其是電類機電類學生的一門重要的專業基礎課程，在構建學生電子技術基礎理論、基本技能和創新能力方面起著重要作用。該課程概念比較抽象、知識點繁雜，研究對象是以非線性器件為核心的非線性電路。在計算機輔助分析不夠發達的時代，為了簡化模擬電路的分析計算引入了工程估算法，在特定工作條件下，將非線性器件和非線性電路進行外特性建模做了線性化處理，同一個元件在不同工作條件下，采用不同的線性電路模型來近似；不同的單元電路分析方法也不同，給初學者帶來了困擾，有“魔電”之稱！

本文探索了一種高效的、混合的模擬電子技術教學模式，引領學生借助于現有的網絡資源和圖書資料進行課前預習和課后練習，在問題串式課堂互動以及虛實結合的課外實踐中，達到模電課程教學目標。并協同其它課程一起，共同幫助學生提升“新工科”要求的兩個重要能力，達成CDIO描述的四個層面的預定目標。

1 目前教學現狀分析

近些年，來自企業的抱怨不絕于耳：應聘的人才似乎“滿腹經綸”，但卻一無是處。他們只會做題、應付考試，或者復述書上的東西，一旦遇到問題就不知道如何解決了；知識對他們來說是一種負擔；應聘人員動手操作的能力、發現問題的能力都很差，更不用說創新能力了。在經濟高速發展20多年后，高校的培養模式廣受詬病，一方面用人單位找不到合適的人才，另一方面大量的高校畢業生失業，還有許多畢業生進入社會以后難以適應工作需要。這就不能不檢討我們的教育了，高校的教學模式幾十年沒有明顯變化，嚴重滯后于科技發展步伐。學校培養的“人才”有許多不僅不能引領時代潮流，而且成了落伍者。

為此高校進行了一系列的嘗試，例如雨課堂、翻轉課堂、MOOC（Massive Open Online Courses）大規模開放式在線課程、對分課堂、混合教學模式等。試圖探索一條適合于中國經濟和社會發展需要的人才培養模式。羅素指出，教育就是在教師的指導下讓學生學會自主思考。英國教育家威廉·亞瑟說，“平庸的教師只是敘述，較好的教師是講解，優秀的教師是示范，偉大的教師是啟發”。所謂教無定法，因材施教，教學沒有最優范式。張楚廷教授在其《大學里，什么是一堂好課》中說，能夠喚起學生提問，居然被學生的問題問倒了（教師一時答不出來）的課，算是最好的課。但是，“凡事向來知易行難，教師要做到這一點，需要對學生懷有無盡的愛和對教育事業懷有執著的精神，更要努力培養自己善于思考的行事特征和獨立見解的思維品質。用自己的思想點燃學生自主思維的意識，點燃學生獨立探索的精神，這是教師的天職”。大學老師應該恪守職業道德，為人師表，傳道授業，報著為國家培養人才、為社會培養高素質公民的心態，努力提高教學水平，從有效教學到卓越教學邁進。

2 模擬電路課程教學組織

低頻模擬電路歸納起來有兩大核心問題：一是放大，二是反饋；三大核心器件：二極管、三極管和集成運放；以及四大功能電路：信號放大與調理、信號發生與轉換、信號比較與整形、直流穩壓電源。

在教學組織上，可以根據教學內容采用不同的教學模式，例如以點帶面輻射式；多頭匯集聚焦式；集成運放工作區歸類式等。學生需要進行課前預習、課堂互動問答、大綱規定的知識點練習，以及課外實踐。

■2.1 教學內容組織

在主講知識點的教學模式選擇上，可以采用以點帶面輻射式，講透一個點輻射一個面。圍繞著核心器件與功能電路，精選有代表性的電路作為“點”，這種方式適合于不同研究對象的共性問題教學。以基本放大電路的分析為例，以點帶面輻射圖如圖1所示。以固定偏置共射放大電路為“點”，將其構成原則、靜態分析方法、動態性能指標計算方法以及Q點穩定等問題講透，圍繞圖1中心的“點”輻射的6個電路—分壓式偏置共射/共源放大電路、共集/共漏放大電路、共基/共柵放大電路，引導學生自己對電路進行分析，研究電路特性和應用場合，發現存在問題，找尋解決方案。

圖1 基本放大電路以點帶面輻射圖

再如基本運算電路的分析，以點帶面輻射圖如圖2所示。以反相比例運算電路為“點”，將這類電路的共性問題，如集成運放工作在線性區的分析方法、平衡電阻取值、是否存在共模輸入、輸入電阻是否有利于獲取信號、輸出電阻是否有利于驅動負載、集成運放的選擇等問題講透，其它6個電路引導學生自己對電路進行分析，借助仿真手段，研究各電路的特性，并進行設計和虛擬實踐。

對于牽涉面廣的復雜元件或者電路，宜采用匯集聚焦式。例如以集成運放為“焦點”，其內部結構復雜，包含的單元電路多，涉及到的問題也多，但是歸根結底就是要達成兩個目標：一是要方便集成到一塊芯片上，即構成集成電路的元件選擇有特殊的要求和限制；二是有足夠的放大能力，這就包含有良好的信號獲取、放大、抑制零漂和驅動負載的能力。采用匯集聚焦式教學法介紹集成運放的思維導圖如圖3所示。引導學生圍繞“焦點”—集成運放，去理解其中各單元電路的組成和特性，級間耦合，信號有效傳輸等問題。為后續集成運放的電路分析和應用打下堅實的基礎。

圖2 運算電路以點帶面輻射圖

圖3 集成運放的匯集聚焦式思維導圖

而對于圍繞核心器件的常用應用電路，宜采用歸類法。以集成運放的應用電路為例，采用工作區歸類模式教學的思維導圖如圖4所示。將集成運放的應用電路分為三類：第一類電路中的集成運放均工作于線性區；第二類電路中的集成運放均工作于非線性區；第三類電路中的集成運放，既有在線性區工作的，也有在非線性區工作的。

例如當集成運放在線性區工作時，有一致的結構特征—負反饋，相同的分析依據—虛短和虛斷，基本相同的分析方法—利用KVL、KCL、疊加原理等列出電路方程，求解集成運放線性區應用電路的輸出電壓與輸入電壓之間的函數關系。雖然各電路組成元件不同、特性不同、應用不同，但是分析方法一樣，歸為一類便于學生學習其分析和設計方法。

掌握了第一類和第二類的應用電路的分析和設計方法，那么第三類綜合應用電路的分析和設計問題就迎刃而解了。

■2.2 課堂互動設計

為了達成CDIO和“新工科”的培養目標，訓練學生分析、總結、歸納、表述、質疑和創新思維能力，由傳統的“獨白式教學”走向卓越的“對話式教學”，教與學的雙方都將面臨極大的挑戰。在課堂上最棘手的問題就是如何激發學生參與課堂互動的熱情和勇敢表達的意愿。《教學勇氣—漫步教師心靈》作者帕克·帕爾默說，“作為一個教師，當我讓恐懼占上風時，不管是教學時我恐懼學生還是我弄得學生恐懼我，我都處于最糟糕的狀態”。教與學的雙方都需要克服恐懼心理，去營造一個“教育共同體”，當教師“愿意放棄自我保護的專業自主，讓我們像學生依靠我們那樣去依靠我們的學生，我們就會更加走進那個真正的共同體所需的相互依存關系。當我們因需要我們的學生而說‘請’，因為我們真誠地感謝他們而說‘謝謝’時，通往共同體的障礙就開始消失，教師與學生就會展開更有共識和意義的深層對話，而學習會奇跡般地、生氣勃勃地發生在所有人身上。……我在教室中的任務，相當于所想象中的牧羊犬的任務。學生一定要他們自己去喂飽自己……優質教學不能被貶低至技術層面：優質教學來自教師的自身認同和完整”。這些觀點為教學互動組織提供了方法論的支持。

圖4 集成運放應用電路工作區歸類式思維導圖

下面針對模電課堂互動，在技術層面上探索一些套路和技巧。對于重要知識點，可以采用問題串講模式，將教學內容細分為一環扣一環的問題串，分析總結當前問題時，引導學生自己提出下一個問題，并尋求解決方案。老師所提問題應該具有開放性，學生需要用自己的語言總結和提煉，而不是在本章小結中可以直接找到答案。比如講解基本放大電路時，可以設置如下問題串：

設問1：從“固定偏置阻容耦合的共射放大電路”這個名稱，說明該電路有哪些特點呢？

設問2：固定偏置帶來工作點不穩定問題有哪些解決方案呢？

設問3：與其他Q點穩定方案相比，分壓式偏置的優勢在哪里呢？設問4：怎么驗證分壓式偏置可以穩定靜態工作點呢？設問5：有了分壓式共射放大電路，為什么還需要共集和共基放大電路呢？

設問6：如何測量放大電路的靜態參數和動態性能指標呢？

設問7：老師講課用的擴音電路，能否用共射、共基和共集放大電路中的某個電路單獨承擔呢？

這種問題串講的互動教學模式，使得學生知道要解決什么問題，解決方案的局限性以及可能帶來的新問題。沒有完美解決方案，如何取長補短，權衡各性能指標滿足設計要求，從能用到好用，直到設計出性價比更高的電路。

在互動教學中教師經常會面臨一個很尷尬的事實，當你想講透一個點時，會發現牽涉面太大不可能講透，有些問題可能目前還沒有更好的解決方案。這會讓學生看到老師的不足，感覺到人類認知的局限性，這未嘗不是好的教學呢？教師不只是知識的傳授者，更是學生發展的促進者，促進學生達到CDIO要求的工程基礎知識和個人能力。

■2.3 課外實踐

在電子技術發展日新月異的今天，電子技術課程的教學更應該站在計算機應用的前沿，將虛擬仿真作為理論和實踐之間的橋梁，引導學生使用仿真軟件進行輔助學習和虛擬實踐。從以前用海量習題作為學習模擬電路的手段，過渡到注重知識的應用與工程實踐。作為資深的模電老師，為了教學需要，圍繞涵蓋重要知識點的典型應用電路的分析和設計，在《電子制作》雜志發表了10篇基于Multisim仿真研究的論文，引導學生關注模擬電路在實際應用時的性能要求以及如何達到，讓學生從老師的仿真范例中學習電路分析測試和設計方法，并進而研究自己感興趣的問題。

在講完二極管的結構原理和分析方法之后，發布仿真范例：“二極管及其典型應用電路仿真測試”，引導學生了解二極管常用典型電路，通過虛擬仿真分析，如何調節電路參數滿足實際電路的性能指標要求。

在基本放大電路課堂教學中，引出了靜態工作點穩定問題，共射、共基和共集三種接法帶來性能指標和應用場合不同等問題，課后布置仿真實踐作業，參照兩篇論文：“靜態工作點對放大電路性能指標的影響”、“共射共基和共集三種基本放大電路特性的仿真研究”，要求學生自己設計實驗方案，測試放大電路的信號獲取、放大以及負載能力與哪些性能指標有怎樣的關系。

在介紹集成運放在線性區的應用電路時，給出仿真范例：“基于Multisim的差動放大電路典型應用特性研究”、“基于集成運算放大器的加減法運算電路的分析與設計”。介紹集成運放在非線性區的應用電路時，給出仿真范例：“基于Multisim的滯回電壓比較器的設計及其應用”、“基于集成運算放大器的窗口電壓比較器的設計”。介紹集成運放在綜合應用電路時，給出仿真范例：“二階有源低通濾波電路的計算機輔助設計”、“基于集成運放的壓控振蕩電路仿真研究”以及“限幅放大器的仿真研究” 。引導學生對集成運放的典型應用電路進行分析、測試和設計。

在學生進行仿真實踐的基礎上，發布小型實用模擬系統的設計制作任務，學生可以在寢室里用便攜式實驗箱完成制作和測試。例如聲控路燈電路、助聽器電路、音調控制器、分頻擴音電路、移相信號發生器、直流穩壓電源等等。還可以給出更具有開放性的課題，例如圍繞核心元器件三極管和集成運放的應用，給出可供選擇的主要元器件：集成運放、中小功率三極管、穩壓管、二極管、各色LED、傳聲器、紅外發射和接收元件、光敏電阻、光電耦合器、繼電器、蜂鳴器、揚聲器等等，引導學生了解常用電子元器件，讓學生充分發揮想象力，自己查找資料確定一個具有完整功能的制作目標，在要求的時間內完成制作并提交報告。鼓勵學生組建3～5人的小組進行仿真和實際制作。通過虛實結合的課外實踐，促成學生達到CDIO要求的人際團隊能力和工程系統能力。

3 考核標準

考核的意義除了評價學生的學習效果，還應該使我們的考核“是強化學習而不是審判，強調合作而不是競爭，從而提升成績在共同體中所做的貢獻”。為此，為了加強學習過程的評價，平時成績和閉卷考試可各占總評的50%。

平時成績評分標準：互動問答占25%，階段考試占25%，知識點練習占25%，課外實踐25%。為了培養學生獨立思考，上課互動評價不講究標準答案，學生給出的理由能支持自己的觀點就是好的回答。對于課外的知識點練習主要針對學習態度考核，作業是否認真、整潔干凈、獨立思維沒有抄襲等。對課外仿真實踐的考核主要看有沒有自己的獨立思考，以及涉及問題的深度等。對于小組課外實踐，給小組每個成員相同的分數，鼓勵成員共同進步。

4 結束語

學生從中學時代經歷過大學教育進入社會，完成成長過程的巨大跨越，會伴隨著破繭成蝶的不情愿和痛，老師必須成為有力的推手，讓不斷獲得的小成就和喜悅促進學生自覺自愿地鍛造培養自己成為滿足社會需要的人才，成為國之棟梁。