CDIO理念在模電教學(xué)中的探索與實(shí)踐

張靜秋，桂衛(wèi)華，陳寧，陳明義

（中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410000）

0 引言

CDIO工程教育模式是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果，其培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，并分解為12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這也是目前我國(guó)高校“雙一流”專業(yè)建設(shè)努力要達(dá)成的目標(biāo)。2017年2月18日教育部在復(fù)旦大學(xué)召開綜合性高校會(huì)議，發(fā)布了“新工科”建設(shè)“復(fù)旦共識(shí)”，對(duì)國(guó)際工程教育改革發(fā)展做出了中國(guó)本土化的回應(yīng)，闡明了“新工科”著重要培養(yǎng)的是兩方面能力，工程創(chuàng)新能力和適應(yīng)變化能力。

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的飛速普及，IM（Intelligent Manufacturing）智能制造時(shí)代滾滾而來(lái)，高校的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)手段、教學(xué)理念以及教學(xué)對(duì)象都發(fā)生了巨大變化，“知識(shí)”和“課程”是大家上網(wǎng)一搜即可獲得的東西，與時(shí)俱進(jìn)調(diào)整教學(xué)模式是每個(gè)教師都面臨的首要問(wèn)題。

近年來(lái)教育界倡導(dǎo)從“獨(dú)白式教學(xué)”走向“對(duì)話式教學(xué)”，由“依賴性教學(xué)”走向“獨(dú)立性教學(xué)”，從“有效教學(xué)”走向“卓越教學(xué)”，由“知識(shí)性課堂”走向“生命性課堂”，教師由教學(xué)中的主角轉(zhuǎn)向“平等中的首席”，從傳統(tǒng)的知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)向現(xiàn)代的學(xué)生發(fā)展促進(jìn)者。

模擬電子技術(shù)作為工科學(xué)生尤其是電類機(jī)電類學(xué)生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在構(gòu)建學(xué)生電子技術(shù)基礎(chǔ)理論、基本技能和創(chuàng)新能力方面起著重要作用。該課程概念比較抽象、知識(shí)點(diǎn)繁雜，研究對(duì)象是以非線性器件為核心的非線性電路。在計(jì)算機(jī)輔助分析不夠發(fā)達(dá)的時(shí)代，為了簡(jiǎn)化模擬電路的分析計(jì)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(jìn)行外特性建模做了線性化處理，同一個(gè)元件在不同工作條件下，采用不同的線性電路模型來(lái)近似；不同的單元電路分析方法也不同，給初學(xué)者帶來(lái)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(shù)教學(xué)模式，引領(lǐng)學(xué)生借助于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和圖書資料進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后練習(xí)，在問(wèn)題串式課堂互動(dòng)以及虛實(shí)結(jié)合的課外實(shí)踐中，達(dá)到模電課程教學(xué)目標(biāo)。并協(xié)同其它課程一起，共同幫助學(xué)生提升“新工科”要求的兩個(gè)重要能力，達(dá)成CDIO描述的四個(gè)層面的預(yù)定目標(biāo)。

1 目前教學(xué)現(xiàn)狀分析

近些年，來(lái)自企業(yè)的抱怨不絕于耳：應(yīng)聘的人才似乎“滿腹經(jīng)綸”，但卻一無(wú)是處。他們只會(huì)做題、應(yīng)付考試，或者復(fù)述書上的東西，一旦遇到問(wèn)題就不知道如何解決了；知識(shí)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是一種負(fù)擔(dān)；應(yīng)聘人員動(dòng)手操作的能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力都很差，更不用說(shuō)創(chuàng)新能力了。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展20多年后，高校的培養(yǎng)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(yè)生失業(yè)，還有許多畢業(yè)生進(jìn)入社會(huì)以后難以適應(yīng)工作需要。這就不能不檢討我們的教育了，高校的教學(xué)模式幾十年沒有明顯變化，嚴(yán)重滯后于科技發(fā)展步伐。學(xué)校培養(yǎng)的“人才”有許多不僅不能引領(lǐng)時(shí)代潮流，而且成了落伍者。

為此高校進(jìn)行了一系列的嘗試，例如雨課堂、翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC（Massive Open Online Courses）大規(guī)模開放式在線課程、對(duì)分課堂、混合教學(xué)模式等。試圖探索一條適合于中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的人才培養(yǎng)模式。羅素指出，教育就是在教師的指導(dǎo)下讓學(xué)生學(xué)會(huì)自主思考。英國(guó)教育家威廉·亞瑟說(shuō)，“平庸的教師只是敘述，較好的教師是講解，優(yōu)秀的教師是示范，偉大的教師是啟發(fā)”。所謂教無(wú)定法，因材施教，教學(xué)沒有最優(yōu)范式。張楚廷教授在其《大學(xué)里，什么是一堂好課》中說(shuō)，能夠喚起學(xué)生提問(wèn)，居然被學(xué)生的問(wèn)題問(wèn)倒了（教師一時(shí)答不出來(lái)）的課，算是最好的課。但是，“凡事向來(lái)知易行難，教師要做到這一點(diǎn)，需要對(duì)學(xué)生懷有無(wú)盡的愛和對(duì)教育事業(yè)懷有執(zhí)著的精神，更要努力培養(yǎng)自己善于思考的行事特征和獨(dú)立見解的思維品質(zhì)。用自己的思想點(diǎn)燃學(xué)生自主思維的意識(shí)，點(diǎn)燃學(xué)生獨(dú)立探索的精神，這是教師的天職”。大學(xué)老師應(yīng)該恪守職業(yè)道德，為人師表，傳道授業(yè)，報(bào)著為國(guó)家培養(yǎng)人才、為社會(huì)培養(yǎng)高素質(zhì)公民的心態(tài)，努力提高教學(xué)水平，從有效教學(xué)到卓越教學(xué)邁進(jìn)。

2 模擬電路課程教學(xué)組織

低頻模擬電路歸納起來(lái)有兩大核心問(wèn)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(yùn)放；以及四大功能電路：信號(hào)放大與調(diào)理、信號(hào)發(fā)生與轉(zhuǎn)換、信號(hào)比較與整形、直流穩(wěn)壓電源。

在教學(xué)組織上，可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容采用不同的教學(xué)模式，例如以點(diǎn)帶面輻射式；多頭匯集聚焦式；集成運(yùn)放工作區(qū)歸類式等。學(xué)生需要進(jìn)行課前預(yù)習(xí)、課堂互動(dòng)問(wèn)答、大綱規(guī)定的知識(shí)點(diǎn)練習(xí)，以及課外實(shí)踐。

■2.1 教學(xué)內(nèi)容組織

在主講知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)模式選擇上，可以采用以點(diǎn)帶面輻射式，講透一個(gè)點(diǎn)輻射一個(gè)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(diǎn)”，這種方式適合于不同研究對(duì)象的共性問(wèn)題教學(xué)。以基本放大電路的分析為例，以點(diǎn)帶面輻射圖如圖1所示。以固定偏置共射放大電路為“點(diǎn)”，將其構(gòu)成原則、靜態(tài)分析方法、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法以及Q點(diǎn)穩(wěn)定等問(wèn)題講透，圍繞圖1中心的“點(diǎn)”輻射的6個(gè)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(dǎo)學(xué)生自己對(duì)電路進(jìn)行分析，研究電路特性和應(yīng)用場(chǎng)合，發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題，找尋解決方案。

圖1 基本放大電路以點(diǎn)帶面輻射圖

再如基本運(yùn)算電路的分析，以點(diǎn)帶面輻射圖如圖2所示。以反相比例運(yùn)算電路為“點(diǎn)”，將這類電路的共性問(wèn)題，如集成運(yùn)放工作在線性區(qū)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(hào)、輸出電阻是否有利于驅(qū)動(dòng)負(fù)載、集成運(yùn)放的選擇等問(wèn)題講透，其它6個(gè)電路引導(dǎo)學(xué)生自己對(duì)電路進(jìn)行分析，借助仿真手段，研究各電路的特性，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和虛擬實(shí)踐。

對(duì)于牽涉面廣的復(fù)雜元件或者電路，宜采用匯集聚焦式。例如以集成運(yùn)放為“焦點(diǎn)”，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含的單元電路多，涉及到的問(wèn)題也多，但是歸根結(jié)底就是要達(dá)成兩個(gè)目標(biāo)：一是要方便集成到一塊芯片上，即構(gòu)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(hào)獲取、放大、抑制零漂和驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。采用匯集聚焦式教學(xué)法介紹集成運(yùn)放的思維導(dǎo)圖如圖3所示。引導(dǎo)學(xué)生圍繞“焦點(diǎn)”—集成運(yùn)放，去理解其中各單元電路的組成和特性，級(jí)間耦合，信號(hào)有效傳輸?shù)葐?wèn)題。為后續(xù)集成運(yùn)放的電路分析和應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 運(yùn)算電路以點(diǎn)帶面輻射圖

圖3 集成運(yùn)放的匯集聚焦式思維導(dǎo)圖

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

例如當(dāng)集成運(yùn)放在線性區(qū)工作時(shí)，有一致的結(jié)構(gòu)特征—負(fù)反饋，相同的分析依據(jù)—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(yùn)放線性區(qū)應(yīng)用電路的輸出電壓與輸入電壓之間的函數(shù)關(guān)系。雖然各電路組成元件不同、特性不同、應(yīng)用不同，但是分析方法一樣，歸為一類便于學(xué)生學(xué)習(xí)其分析和設(shè)計(jì)方法。

掌握了第一類和第二類的應(yīng)用電路的分析和設(shè)計(jì)方法，那么第三類綜合應(yīng)用電路的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題就迎刃而解了。

■2.2 課堂互動(dòng)設(shè)計(jì)

為了達(dá)成CDIO和“新工科”的培養(yǎng)目標(biāo)，訓(xùn)練學(xué)生分析、總結(jié)、歸納、表述、質(zhì)疑和創(chuàng)新思維能力，由傳統(tǒng)的“獨(dú)白式教學(xué)”走向卓越的“對(duì)話式教學(xué)”，教與學(xué)的雙方都將面臨極大的挑戰(zhàn)。在課堂上最棘手的問(wèn)題就是如何激發(fā)學(xué)生參與課堂互動(dòng)的熱情和勇敢表達(dá)的意愿。《教學(xué)勇氣—漫步教師心靈》作者帕克·帕爾默說(shuō)，“作為一個(gè)教師，當(dāng)我讓恐懼占上風(fēng)時(shí)，不管是教學(xué)時(shí)我恐懼學(xué)生還是我弄得學(xué)生恐懼我，我都處于最糟糕的狀態(tài)”。教與學(xué)的雙方都需要克服恐懼心理，去營(yíng)造一個(gè)“教育共同體”，當(dāng)教師“愿意放棄自我保護(hù)的專業(yè)自主，讓我們像學(xué)生依靠我們那樣去依靠我們的學(xué)生，我們就會(huì)更加走進(jìn)那個(gè)真正的共同體所需的相互依存關(guān)系。當(dāng)我們因需要我們的學(xué)生而說(shuō)‘請(qǐng)’，因?yàn)槲覀冋嬲\(chéng)地感謝他們而說(shuō)‘謝謝’時(shí)，通往共同體的障礙就開始消失，教師與學(xué)生就會(huì)展開更有共識(shí)和意義的深層對(duì)話，而學(xué)習(xí)會(huì)奇跡般地、生氣勃勃地發(fā)生在所有人身上。……我在教室中的任務(wù)，相當(dāng)于所想象中的牧羊犬的任務(wù)。學(xué)生一定要他們自己去喂飽自己……優(yōu)質(zhì)教學(xué)不能被貶低至技術(shù)層面：優(yōu)質(zhì)教學(xué)來(lái)自教師的自身認(rèn)同和完整”。這些觀點(diǎn)為教學(xué)互動(dòng)組織提供了方法論的支持。

圖4 集成運(yùn)放應(yīng)用電路工作區(qū)歸類式思維導(dǎo)圖

下面針對(duì)模電課堂互動(dòng)，在技術(shù)層面上探索一些套路和技巧。對(duì)于重要知識(shí)點(diǎn)，可以采用問(wèn)題串講模式，將教學(xué)內(nèi)容細(xì)分為一環(huán)扣一環(huán)的問(wèn)題串，分析總結(jié)當(dāng)前問(wèn)題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生自己提出下一個(gè)問(wèn)題，并尋求解決方案。老師所提問(wèn)題應(yīng)該具有開放性，學(xué)生需要用自己的語(yǔ)言總結(jié)和提煉，而不是在本章小結(jié)中可以直接找到答案。比如講解基本放大電路時(shí)，可以設(shè)置如下問(wèn)題串：

設(shè)問(wèn)1：從“固定偏置阻容耦合的共射放大電路”這個(gè)名稱，說(shuō)明該電路有哪些特點(diǎn)呢？

設(shè)問(wèn)2：固定偏置帶來(lái)工作點(diǎn)不穩(wěn)定問(wèn)題有哪些解決方案呢？

設(shè)問(wèn)3：與其他Q點(diǎn)穩(wěn)定方案相比，分壓式偏置的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？設(shè)問(wèn)4：怎么驗(yàn)證分壓式偏置可以穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)呢？設(shè)問(wèn)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(shè)問(wèn)6：如何測(cè)量放大電路的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)呢？

設(shè)問(wèn)7：老師講課用的擴(kuò)音電路，能否用共射、共基和共集放大電路中的某個(gè)電路單獨(dú)承擔(dān)呢？

這種問(wèn)題串講的互動(dòng)教學(xué)模式，使得學(xué)生知道要解決什么問(wèn)題，解決方案的局限性以及可能帶來(lái)的新問(wèn)題。沒有完美解決方案，如何取長(zhǎng)補(bǔ)短，權(quán)衡各性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，從能用到好用，直到設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的電路。

在互動(dòng)教學(xué)中教師經(jīng)常會(huì)面臨一個(gè)很尷尬的事實(shí)，當(dāng)你想講透一個(gè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)牽涉面太大不可能講透，有些問(wèn)題可能目前還沒有更好的解決方案。這會(huì)讓學(xué)生看到老師的不足，感覺到人類認(rèn)知的局限性，這未嘗不是好的教學(xué)呢？教師不只是知識(shí)的傳授者，更是學(xué)生發(fā)展的促進(jìn)者，促進(jìn)學(xué)生達(dá)到CDIO要求的工程基礎(chǔ)知識(shí)和個(gè)人能力。

■2.3 課外實(shí)踐

在電子技術(shù)發(fā)展日新月異的今天，電子技術(shù)課程的教學(xué)更應(yīng)該站在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的前沿，將虛擬仿真作為理論和實(shí)踐之間的橋梁，引導(dǎo)學(xué)生使用仿真軟件進(jìn)行輔助學(xué)習(xí)和虛擬實(shí)踐。從以前用海量習(xí)題作為學(xué)習(xí)模擬電路的手段，過(guò)渡到注重知識(shí)的應(yīng)用與工程實(shí)踐。作為資深的模電老師，為了教學(xué)需要，圍繞涵蓋重要知識(shí)點(diǎn)的典型應(yīng)用電路的分析和設(shè)計(jì)，在《電子制作》雜志發(fā)表了10篇基于Multisim仿真研究的論文，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注模擬電路在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的性能要求以及如何達(dá)到，讓學(xué)生從老師的仿真范例中學(xué)習(xí)電路分析測(cè)試和設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)而研究自己感興趣的問(wèn)題。

在講完二極管的結(jié)構(gòu)原理和分析方法之后，發(fā)布仿真范例：“二極管及其典型應(yīng)用電路仿真測(cè)試”，引導(dǎo)學(xué)生了解二極管常用典型電路，通過(guò)虛擬仿真分析，如何調(diào)節(jié)電路參數(shù)滿足實(shí)際電路的性能指標(biāo)要求。

在基本放大電路課堂教學(xué)中，引出了靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題，共射、共基和共集三種接法帶來(lái)性能指標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)合不同等問(wèn)題，課后布置仿真實(shí)踐作業(yè)，參照兩篇論文：“靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)放大電路性能指標(biāo)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(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)試放大電路的信號(hào)獲取、放大以及負(fù)載能力與哪些性能指標(biāo)有怎樣的關(guān)系。

在介紹集成運(yùn)放在線性區(qū)的應(yīng)用電路時(shí)，給出仿真范例：“基于Multisim的差動(dòng)放大電路典型應(yīng)用特性研究”、“基于集成運(yùn)算放大器的加減法運(yùn)算電路的分析與設(shè)計(jì)”。介紹集成運(yùn)放在非線性區(qū)的應(yīng)用電路時(shí)，給出仿真范例：“基于Multisim的滯回電壓比較器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用”、“基于集成運(yùn)算放大器的窗口電壓比較器的設(shè)計(jì)”。介紹集成運(yùn)放在綜合應(yīng)用電路時(shí)，給出仿真范例：“二階有源低通濾波電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)”、“基于集成運(yùn)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(dǎo)學(xué)生對(duì)集成運(yùn)放的典型應(yīng)用電路進(jìn)行分析、測(cè)試和設(shè)計(jì)。

在學(xué)生進(jìn)行仿真實(shí)踐的基礎(chǔ)上，發(fā)布小型實(shí)用模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作任務(wù)，學(xué)生可以在寢室里用便攜式實(shí)驗(yàn)箱完成制作和測(cè)試。例如聲控路燈電路、助聽器電路、音調(diào)控制器、分頻擴(kuò)音電路、移相信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)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(yùn)放的應(yīng)用，給出可供選擇的主要元器件：集成運(yùn)放、中小功率三極管、穩(wěn)壓管、二極管、各色LED、傳聲器、紅外發(fā)射和接收元件、光敏電阻、光電耦合器、繼電器、蜂鳴器、揚(yáng)聲器等等，引導(dǎo)學(xué)生了解常用電子元器件，讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力，自己查找資料確定一個(gè)具有完整功能的制作目標(biāo)，在要求的時(shí)間內(nèi)完成制作并提交報(bào)告。鼓勵(lì)學(xué)生組建3～5人的小組進(jìn)行仿真和實(shí)際制作。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的課外實(shí)踐，促成學(xué)生達(dá)到CDIO要求的人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力。

3 考核標(biāo)準(zhǔn)

考核的意義除了評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，還應(yīng)該使我們的考核“是強(qiáng)化學(xué)習(xí)而不是審判，強(qiáng)調(diào)合作而不是競(jìng)爭(zhēng)，從而提升成績(jī)?cè)诠餐w中所做的貢獻(xiàn)”。為此，為了加強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程的評(píng)價(jià)，平時(shí)成績(jī)和閉卷考試可各占總評(píng)的50%。

平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：互動(dòng)問(wèn)答占25%，階段考試占25%，知識(shí)點(diǎn)練習(xí)占25%，課外實(shí)踐25%。為了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，上課互動(dòng)評(píng)價(jià)不講究標(biāo)準(zhǔn)答案，學(xué)生給出的理由能支持自己的觀點(diǎn)就是好的回答。對(duì)于課外的知識(shí)點(diǎn)練習(xí)主要針對(duì)學(xué)習(xí)態(tài)度考核，作業(yè)是否認(rèn)真、整潔干凈、獨(dú)立思維沒有抄襲等。對(duì)課外仿真實(shí)踐的考核主要看有沒有自己的獨(dú)立思考，以及涉及問(wèn)題的深度等。對(duì)于小組課外實(shí)踐，給小組每個(gè)成員相同的分?jǐn)?shù)，鼓勵(lì)成員共同進(jìn)步。

4 結(jié)束語(yǔ)

學(xué)生從中學(xué)時(shí)代經(jīng)歷過(guò)大學(xué)教育進(jìn)入社會(huì)，完成成長(zhǎng)過(guò)程的巨大跨越，會(huì)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(jìn)學(xué)生自覺自愿地鍛造培養(yǎng)自己成為滿足社會(huì)需要的人才，成為國(guó)之棟梁。