基于OBE的《電子線路設計制作》課堂教學方法改革探索

摘 要：本文以工程教育認證為契機，以《電子線路設計制作》課程為載體，探索"成果導向"的課程教學改革方法?！峨娮泳€路設計制作》課程建設與實施過程中積累的經驗對制定專業教育的課程目標，構建專業教育的課程體系和評價體系具有一定的參考價值。

關鍵詞：成果導向;教學方法;卓越人才培養

《電子線路設計制作》課程是一門基礎類綜合型訓練課程，在學習完成“模擬電子技術”、“數字電子技術”以及“電子技術應用綜合設計”等基礎課程學習與實訓以后，為進一步提高電子技術綜合設計能力而設置的銜接課程，目的是通過“精密全波整流電路”“語音濾波器”“數控直流電壓源”三個模塊的實踐訓練，掌握相對基礎類的綜合型電子技術的仿真方法、設計方法和調試方法，鍛煉學生查閱資料能力、電子技術設計能力、動手能力、分析能力與科技報告編寫能力等。通過整個設計過程的訓練使學生受到設計思想、設計技能、調試技能、論文撰寫與實驗研究技能的訓練，同時有利于培養團隊協作精神，提高學生的自學能力和運用基礎理論去解決工程實際問題的能力，為后續綜合型電子系統的設計奠定基礎和實際工程應用打下堅實的基礎。

一、OBE教育理念

“成果導向（Outcome Based Education，簡稱OBE）”的教育理念發源于美國，引導著美國大學的課程發展。迄今為止，美國高校的本科課程標準大體形成了較為完整的指標體系?！俺晒麑颉钡母拍钍?981年美國學者斯派蒂最早提出的，該教育理念一經提出備受關注，這一理念對美國、日本、我國臺灣地區等一些國家和地區的課程改革產生了深刻的影響，得到了教育理論界與實踐領域的重視。目前，成果導向課程發展已在醫學博士、工學博士等專業學位培養中廣泛應用，雖然不同學科、學校的具體操作不同，但課程發展的實質均以學生“能力”為核心，通過主要程序的持續循環運作，將預期課程成果結構化、序列化、現實化，從而提升教育質量。

我國于2016年正式加入《華盛頓協議》，通過工程認證的專業畢業生在相應的會員國申請工程師執業資質時，將享有與本國畢業生同等的待遇，這一事件標志著我國工程教育質量得到國際標準的認可。目前，全國高校都在積極推廣和開展工程教育認證工作。

成果導向、以學生為中心、持續改進是工程教育專業認證的三項基本理念，因此“成果導向”的教育理念是工程教育專業認證要求所貫徹的三大理念之一，被認為是追求卓越教育的正確方向，是工程教育改革的新理念。成果導向教育，就是以成果為導向，利用反向設計原理，首先考慮學生通過教育最終所取得的學習成果，以成果來指導教學設計和教學實施?！俺晒麑颉钡慕逃砟钜运袑W生都能夠掌握所學知識為前提條件，可以把專業教育的成果作為出發點，制定專業教育的課程目標，構建專業教育的課程體系和評價體系。

本文以工程教育認證為契機，以《電子線路設計制作》課程為載體探索“以成果為導向”并持續改進的教育模式的貫徹實施，一定能促進更快、更好地培養出適應社會需求的電子信息類卓越工程師人才。

二、課程教學內容

該課程是為了提高學生電子系統設計能力，培養學生綜合應用集成運算放大器和相關電路模塊等進行電子線路設計制作而開設的實驗課程，根據教學大綱的要求，教學內容由以下三個獨立的實驗內容構成：

（一）精密全波整流電路

精密全波整流電路是應用集成運算放大器對交流信號進行直流轉換和有效值檢測的重要模塊，由半波整流電路、比例運算放大器和濾波電路構成，其工作原理與設計方法可為穩壓源、萬用表以及峰值檢測電路設計奠定基礎。

（二）語音濾波器

人類聲音的頻率范圍為300Hz～3400Hz，在語音信號處理時常常采用帶通濾波器濾除干擾。設計時為方便起見選用帶通濾波器的工作頻率范圍為300Hz～3000Hz，由于Q=W0/BW， W0為中心頻率，BW為帶寬，要求BW遠遠小于W0，而本設計中二者相差不多，因此不能直接用帶通濾波器的設計方法，需要采用高、低通濾波器級聯的方法設計。采用運算放大器設計有源高濾波器、低通濾波器以及帶通濾波器的方法可廣泛應用于電子系統設計中。

（三）數控電壓源設計

利用D/A轉換器實現數模轉換，運算放大器實現比例放大，三極管Q1與Q2構成復合調整管實現電流放大，由三極管和取樣電阻構成過流保護電路。具體要求為：

1. 輸出電壓：范圍0～+9.9V，步進0.1V;輸出電壓分為100個檔位，從0-99，可任意調到要求的一檔輸出電壓。

2. 輸出電流：500mA。

3. 具有過流保護功能。

三個實驗教學內容的安排以集成運算放大器的應用為主線，由簡單到復雜逐步提升學生的理論水平、設計能力與實踐動手能力。

三、課程教學中存在的問題

《電子線路設計制作》課程的三個實驗內容難度都不是太大，而且內容安排上也是遵循由簡單到復雜的原則，學生只要模擬電子技術、數字電子技術課程以及相應的課程設計真正掌握了，該課程的設計任務應該可以順利完成;但是該課程涉及的內容比較廣泛，除了要求掌握三個實驗的工作原理外，還要學習仿真軟件完成設計仿真，然后在面包板上完成電路的搭試，最后要使用儀器儀表完成指標測試，整個實驗內容一環扣一環，如果一個環節沒掌握好或者出現差錯結果就出不來。

剛剛接手這門課時，實際情況不太理想。我按照正常實驗教學內容講完后，專門把實驗中用到的儀器儀表讓學生熟悉了一遍，器件的PDF文檔以及典型應用都發給學生，仿真軟件的使用也講了，搭建電路時的注意事項也講了，但學生在實際實驗過程中好像沒聽到一樣，還是出現了各種各樣的問題，老師變成了救火隊長，個別學生下課后仍然完不成實驗任務，前幾次課經常拖堂半個多小時下課。為此本人也十分著急，著手分析問題查找原因，發現存在以下幾個問題：

1. 《電子線路設計制作》課程的先修課程“模擬電子技術”、“數字電子技術”以及“電子技術應用綜合設計”等基礎課程，以前學習的知識都是理論知識，真正使用時很多學生都忘記了。

2. 雖然三個實驗內容難度都不是太大，但是對學生來講涉及的知識面比較多：包括器件的使用、電路的工作原理、三個仿真軟件的學習、電路搭建方法、測試方法以及五種儀器儀表的使用等，對學生也是一種挑戰。

3. 仿真軟件學會使用后仿真結果是不是達到要求不太確定，不知道如何驗證。

4. 在面包板上搭建電路，存在接觸不良，容易觸碰等問題;同時由于實驗過程中涉及到的電源種類達到三種，有些學生連線錯誤燒壞器件致使個別學生有畏懼心理。以前學習中的實驗內容只要完成功能就可以，現在完成指標測試等等問題，使實驗項目完成的不夠理想。

5. 個別學生認為是選修課，不夠重視，報考駕照、參加課外活動的學生經常請假。

針對以上幾種情況我思考很久，想到庖丁解牛的故事使我豁然開朗，假如老師比作庖丁，對每一個解牛的環節步驟爛熟于心，學生比作梁惠王看完表演仍然不會解牛也是很正常的。那么按照成果導向的理念反向設計教學過程，把實驗中每一個環節的關鍵點找出來，融入實驗學習環節，以此來指導教學過程、并加強過程管理引起學生重視學習，效果會不會更好呢？

四、課程教學方法改革

下面就是在近年來根據“成果導向”的教育理念，把整個實驗內容進行梳理與設計形成細化的實驗流程、注意事項、考核評價標準，因才施教，并在教學中不斷完善、改進教學方法，提升教學質量與教學效果，形成了一套行之有效的教學方法。

（一）建立行之有效的考核措施和評分標準，并在實驗過程中嚴格執行

實驗教學過程中過程控制管理十分重要，成績考核的細分與量化決定了教學內容在實施過程的落實情況，也可檢驗學生的學習效果。因此根據教學大綱的成績考核標準，制定了成績考核細則。

1. 成績考核標準

該課程滿分100分，其中：

（1）實驗完成情況占總成績的60%

（2）設計報告占總成績的30%

（3）實驗行為占總成績的10%

2. 成績考核細則及說明

（1）實驗完成情況成績

三個實驗完成情況滿分為60分，根據實驗的難易程度，精密全波整流電路部分為15分，語音濾波器部分為20分，數控電壓源設計部分為25分。實驗完成情況要求如下：

a）三個實驗分三個階段完成，每個實驗完成過程中要進行仿真設計驗收、單元電路設計驗收和小系統驗收;

b）根據要求先完成仿真電路設計，然后為單元電路調試，最后為整個小系統的調試;由于實驗內容是一步一步完成的，因此只有完成其中一個步驟的實驗內容并驗收后才能開展下一步驟的實驗，所以驗收環節曠課的同學是沒有相應成績的;

c）完成電路設計或測試全部實驗數據后，老師會根據結果對每組進行檢查，驗收時需演示測試方法和測試結果。

（2）設計報告成績

a）設計報告的總成績為30分，三個實驗需要提交三份設計報告，每份設計報告滿分成績為10分;

c）實驗報告著重于電路的原理描述、設計仿真、電路調試與測試結果的記錄與分析以及實驗中出現問題與解決方法等，每組兩位同學各有分工，在“實驗中出現問題與解決方法”與“心得體會”部分要有所側重。

（3）實驗行為成績

實驗行為主要考察學生的學習態度以及相應的努力程度，主要包括考勤、回答老師的相關提問情況、遵守實驗室規定情況以及實驗過程中解決出現的問題等情況。

（二）在實驗的每個階段針對實驗內容提出細化具體的要求

1. 儀器儀表的使用要求與使用方法

（1）掌握基本元件的性能與使用方法

（2）掌握萬用表、穩壓源、毫伏表、信號源、頻率計及示波器的使用方法

a）萬用表的使用：測電路中電壓電流時一定先確認萬用表電壓或電流相應的檔位，避免使用電阻檔誤測電壓、電流值燒壞萬用表。萬用表主要測工頻的電壓、電流值。

b）毫伏表的使用：毫伏表主要測量一定頻率范圍的交流信號電壓有效值，一般分為低頻毫伏表與高頻毫伏表。在開與關電源時為避免碰撞指針請把檔位設置在300V。

c）函數發生器的使用：函數發生器具有產生信號源和測頻的功能;信號源中的信號在設置不同波形情況下可進行不同幅度、頻率以及相關的參數設置。

d）穩壓源電源的連接：穩壓源一般有三個獨立的電源，其中+5V是固定電壓源輸出，±15V需要調整電壓并專門連接。

2. 全波整流電路

（1）全波整流電路的工作原理、仿真設計要求

a）掌握半波與全波整流電路的工作原理與設計方法;

b）掌握用Proteus仿真電路的方法。

重點掌握：

a）整流電路需要整流二極管，而二極管的工作頻率決定了整流電路的工作頻率范圍。其中IN4007工作頻率范圍在2kHz以下，IN4148工作頻率范圍在20kHz以下，設計時考慮用兩種二極管設計整流電路，并參考萬用表的測試交流電壓的頻率范圍，了解萬用表與毫伏表測量交流電壓有效值的區別，深入理解二極管的工作頻率與整流電路的工作頻率范圍的關系。

b）設計時要考慮輸入信號和輸出信號電平不能超過電源工作電壓，否則會導致信號失真，因此設計時要測量放大電路、跟隨電路中關鍵部件的電阻值。

c）濾波電容選擇100uF，正極與輸出相連，去掉電容才能用示波器看到波形，但測試時一定要把電容加上，否則紋波干擾使輸出有誤差。

d）用Proteus軟件完成仿真，電阻參數用實測值。全波整流電路的輸出直流電壓的理論值為0.9Virms，可與仿真結果比對，檢驗設計、仿真的結果。

e）要求比對輸入信號、半波整流的仿真波形和全波整流的仿真波形。

（2）全波整流電路的電路搭建、調試與測試注意事項

a）調試注意事項：

*在面包板上連線時，參照仿真圖先連接電源、地線再連接信號線，注意二極管的極性;

*檢查線路無誤后再接入連接好的±15V電源，然后根據測試要求接入信號源;

*測試點包括輸入、半波整流輸出、全波整理輸出（注意觀察波形時不加電容，測試時加電容）。

b）測試注意事項：

*根據表格的要求測量輸入信號對于不同電壓和不同頻率范圍時的輸出電壓值;

*通過調試電路掌握1N4007和1N4148的工作頻率特性;

*了解運算放大器在±15V電源條件下輸入信號電壓的最大值;

*通過示波器監測輸出信號失真時對應的輸入信號電壓與頻率。

*半波整流電路存在兩倍放大，由于輸出電壓小于電源電壓，因此Vipp<15V，實際為14V左右。

（3）全波整流電路的結果驗收

全波整流電路的結果驗收分為仿真驗收與測試結果驗收兩部分。

仿真驗收主要檢查輸入、半波整流輸出、全波整理輸出（不加電容）的波形和幅度是不是正確，檢驗輸出電壓失真時對應的輸入電壓值。

測試結果驗收根據測試表格的結果進行抽查，主要檢查峰峰值5V、峰峰值10V以及輸出電壓失真時對應的輸入電壓峰峰值值。

3. 語音濾波器設計

語音濾波器的設計包括高通、低通和帶通三個濾波器設計，濾波器在電子技術設計中應用十分廣泛，不僅要學會參數設計、仿真設計并完成相應的功能，最重要的是要達到技術指標的要求，所以該部分電路看似簡單實際上真正完成技術要求有一定難度。

（1）語音濾波器設計的工作原理、仿真設計要求

*掌握語音濾波器的工作原理與設計方法;

*學習Filter Wiz Pro濾波設計軟件，設計高、低通濾波的參數;

*用Multisim仿真軟件完成高低通濾波器幅頻特性與相頻特性的仿真，驗證設計性能，仿真時的器件參數要用實測值。

（2）語音濾波器的電路調試與測試要求

*掌握高通、低通與帶通濾波器硬件電路調試與測試方法;

*注意測試電阻、電容值，做到準確、誤差盡量小;

*高低通濾波器先完成電路的搭試，然后用毫伏表測試三組數據：通帶最大值，通帶截止頻率與阻帶截止頻率;只要達到指標后才能進行完整的參數測試;

*帶通濾波器調試時高通在前、低通在后，避免工頻干擾;

*注意高通濾波器、低通濾波器和帶通濾波器的放大倍數，所以一定要考慮輸入信號的最大峰峰值，避免失真情況發生。

（3）語音濾波器電路的結果驗收

語音濾波器電路的結果驗收分為設計驗收、仿真驗收與測試結果驗收三部分。

設計驗收檢查高、低通濾波的設計參數是否達標;

仿真驗收主要檢查高低、低通和帶通通濾波器的幅頻特性與相頻特性曲線是否正確，檢驗通帶截止頻率與阻帶截止頻率是否達到設計要求。

測試結果驗收根據測試表格的結果進行抽查，主要檢查三個濾波器的通帶截止頻率與阻帶截止頻率是否達到設計要求。

4. 數控電壓源設計

數控電壓源是一個相對綜合的實驗項目，包括D/A轉換、電壓與電流放大和過流保護等模塊，訓練學生的綜合應用能力。

（1）數控電壓源的的設計、仿真要求

*掌握數控電壓源的的設計方法;

*掌握用Proteus仿真數控電壓源的方法;

*掌握加入不同負載時電路中電流的計算方法、電阻承載功率的計算方法;

*掌握過載時電路的保護方法。

（2）數控電壓源的的調試與測試要求

*掌握DAC0832電路調試方法，注意測量參考電壓值，注意數字地與模擬地的連接;

*掌握放大電路調試方法;

*掌握功放與過流保護電路調試方法。

*掌握加入不同負載時電路中電流和電壓的測試方法。

（3）數控電壓源的結果驗收

數控電壓源的結果驗收分為設計驗收、仿真驗收與測試結果驗收三部分。

設計驗收檢查數控電壓源的設計參數是否符合要求;

仿真驗收主要檢查數控電壓源的中D/A轉換數據、電壓與電流放大數據以及過流保護電路的數據是否正確。

測試結果驗收根據測試表格的結果進行抽查，主要檢查四個方面：D/A轉換數據結果，重點檢查小信號輸出結果;無負載時輸出電壓值的線性度;不同負載時的輸出電壓與電流值是否達標;過載時可否實現電路保護。

（三）運用最新的電子技術仿真軟件，提高學生的電子技術設計能力

《電子線路設計制作》課程的三個實驗用到Proteus和Multisim兩個仿真軟件和一個Filter Wiz Pro濾波設計軟件，其中Proteus仿真軟件主要實現電路的功能，Multisim仿真軟件主要分析電路的幅頻特性，為電路設計、測試提供理論依據，而Filter Wiz Pro為濾波設計軟件，該軟件是電子設計大賽時使用的，正好應用于實驗教學中，設計結果比最開始的快速算法設計的要精確很多，最新的設計軟件為電子技術設計帶來的新的方法手段，也提高學生的電子技術設計能力。

（四）重視實驗報告的編制，提高學生科技報告編寫能力

每個實驗完成后要編制實驗報告，在下一次課堂上交。 實驗報告按照如下格式編制，并寫在實驗報告冊上。實驗報告格式如下：

*實驗目的

*實驗元器件

*實驗原理與實驗電路分析與設計

*實驗內容、步驟與實驗結果（實驗數據與波形）

*分析與結論

*實驗中出現問題與解決方法

*心得體會

*思考題

*參考文獻

重視實驗報告的編寫為未來中期實習和畢業設計報告奠定基礎。通過實驗報告驗收、點評等環節考查學生對整個實驗從原理分析、設計分析、仿真、調試到測量以及解決實際問題的能力。

（五）構建實驗成果的考核與評價體系，提高學生自我改進能力和教師教學水平

評價與目標是相伴相生的，好的考核與評價體系，可以提高學生自我改進能力和教師的教學水平。因此每個實驗驗收后會抽出一點時間進行實驗結果點評與評價，讓學生知道什么樣的結果是做的好的，怎么樣能達到好的結果;每個實驗報告完成后也有點評與評價，讓學生知道實驗原理如何描述，仿真結果如何歸納總結，測試數據是否正確，有誤差應該如何分析等等，使學生知道應該如何寫好科技報告，如何查閱資料。這樣使學生的實驗成果和實驗報告的質量不斷提高，實現了“實驗內容—實驗仿真—電路搭建—電路測試—電路驗收—實驗報告—成果評價—不斷改進”的閉環過程控制模式，不僅提升了教師的實踐育人能力，也提高了學生的實踐動手能力以及科技報告書寫水平，尤其是提高學生自我改進能力。

五、課程教學效果

通過《電子線路設計制作》課程的學習，學生不僅掌握了全波整流電路、語音濾波器和數控直流電壓源三個綜合性實驗項目的工作原理、設計、搭建、調試以及測試方法，而且鍛煉了查閱資料、設計驗證、動手操作、分析總結及團隊協作等能力，對儀器儀表的使用進行了全面的熟悉與掌握，對以前所學習的相關知識進行了系統的復習，通過手寫實驗報告的形式鍛煉了學生編制實驗報告的能力。取得這些成績的原因：

1. 理論與實踐結合比較緊密，項目中每一個環節都需要學生自己動手，提高了學生的學習興趣。

2. 在教學過程中管理手段和實驗內容過程控制切實有效，學生的每一步學習環節都可查可控，并與成績掛鉤，克服懶惰思想，杜絕抄襲苗頭。

3. 實驗課程的關鍵知識點、注意事項都提前融入教學環節，學生動手操作時基本做到心中有數。

4. 注重使用最新的電子技術仿真軟件，學生的每一步實驗都做到有理有據，理論指導實踐。

5. 對學生們的實驗結果和實驗報告點評，學生初步自己評判自己的成果，由老師最后判定成績，最終實現持續改進并不斷提高的效果。

6. 耐心輔導每位學生，注重課程銜接，實驗難度由易到難循序漸進，大大地激發了學生的學習熱情，學生普遍反映收獲很大。

六、結語

在教《電子線路設計制作》課程以來，每屆學生在電子技術設計方面經受了較系統的訓練，每次讀著學生實驗報告中的心得體會：解決了什么困難，得到了什么收獲，內心有說不出的高興，覺得在授課過程的辛苦、還要克服種種實際困難的艱辛都是值得的。

我院正在積極開展工程教育專業認證工作，但如何實施，如何落實需要用適應工程教育專業認證新的教育理念、新的教育方法來進行實踐，《電子線路設計制作》課程建設與實施可為工程教育專業認證工作的深入開展和卓越人才的培養提供一定的參考。

隨著國家互聯網+戰略的提出和推進，移動互聯網、物聯網等熱門技術逐步應用和日益普及，而信息技術正是這些熱門產業應用技術中最核心、最關鍵的部分，是整個智能化電子行業的最核心技術領域。在全球信息化浪潮中，以工程教育認證為契機，探索“以學生為中心”和“以成果為導向”并持續改進的教育模式，一定能促進更快、更好地培養出適應社會需求的電子信息類卓越工程師人才。

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