“實踐得真理，學為主教為輔”的自主探究教學

樊 華， 楊靜萱， 羅 萍， 馬珊珊， 謝實夢

（電子科技大學電子科學與工程學院，成都610054）

0 引 言

電路課程是理工科院校電路類專業的一門專業基礎課程，在整個本科甚至研究生課程體系中起著至關重要的作用，由于課時限制，一般電路課程實驗是作為驗證電路理論課的結論而設計的，以理論內容講解為教學主線，實踐教學一般被安排在理論學習結束后進行，導致學生對課程開始時教授的知識點遺忘，只能依靠于實驗指導書完成整個課程實驗，學生沒有充足的知識儲備對實驗方案進行創新，對實驗結果進行分析，導致最終提交的實驗報告存在相似性，優秀實驗成果較少，沒有達到電路課程實驗的教學目標，課程改革勢在必行。課程考核方面，教師一般采用統一筆試，統一題目和標準答案對理論知識進行考核，實驗成績僅僅作為參考在總成績中占有較低的比重。重視試卷成績在一定程度上有利于教學進程的實施，但是嚴重阻礙了學生學習的積極性、主動性、創造性的發展，忽視了學生在學習過程中思維能力和實踐能力的培養，試卷中能考查的知識點是有限的，更多是關注對基礎知識記憶能力的考查，較少的涉及對學生使用基礎知識解決實際問題能力的考查，學生的實踐能力和創新能力大部分體現在對理論知識的運用上，所以需要增強課程考核中實驗考核的比重。電路課程的過程考核一般是對作業完成情況，上課出勤率的考核，但這不能體現學生個人的能力，需要增加新的過程考核方式來對學生進行較為全面的評價［1-6］。

1 課程教學改革

隨著便攜式電子產品的增多，開關電源（Switching Mode Power Supply，SMPS）以其體型小、質量輕、穩壓范圍大和高效率等特點被廣泛應用于以電子計算機為主導的各類終端設備、通信設備等電子設備中，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式［15］。開設開關電源電路課程是順應科技發展的需要，采用小班教學的方式，讓學生從“學得廣”過度到“學得精”。課程學習采用從實驗到理論的逆向教學方法，用實驗教學帶動學生自主學習，開關電源課程主要教學內容包括：斬波器、脈沖寬度調制、脈沖頻率調制、電壓控制模式、電流控制模式、峰值電感電流控制模式、均勻電感控制模式等，如圖1所示。

圖1 開關電源課程主要教學內容

教學內容采用循序漸進的方式，首先建立學生對整個課程的宏觀概念，建立學生對整個課程的結構框架后，教師再對課程中的重點知識進行詳細講解，有的放矢地講解知識點，節省課時的同時教師可以將更多的課時放在培養學生自主學習，引導學生進行實驗，增強學生創新能力。

1.1 建立學生對整個課程總體概念

1.1.1 介紹課程所需課時、主要內容及考核方式

課程內容設置，進度安排，考核方式都是學生關心的重點，在以往的教學模式下，教師全盤講解內容，學生被動接受，再通過少部分的實驗驗證基礎知識點，這種以“講為主，學為輔”的“填鴨式”教學，不利于學生實際動手能力的培養，無法達到培養創新型人才的目標。根據課程的特點，構建新的教學模式，將教師“講”轉變為教師“問”，如圖2所示，教師在峰值電感電流控制模式知識點講解時，可以通過先提出問題，后講解的方式進行教學。

圖2 峰值電感電流模式的重點知識點

學生通過課前預習解決教師提出的問題，課堂上老師通過提問來驗收學生預習與內容理解的情況。

1.1.2 注重團隊合作

傳統的課程中是學生通過上課聽講和課后復習來掌握知識和技能，缺乏與其他同學合作共同完成項目的機會，學生自由組合組成小組，課程后續的學習都以小組為單位進行，學生需要依靠團隊合作的力量完成每次的作業，由領導力較強的學生作為組長，協調組員分工合作，每個組員都要積極為團隊做貢獻。

1.2 實踐得真理，學為主教為輔

1.2.1 開關電源的課程內容及研究現狀分析

實踐是工程教育的本質。在傳統的工科人才培養中，較多關注學生的知識掌握情況，注重理論概念的學習，理論化傾向明顯，忽視實踐操作和應用能力的培養。理論基于實驗總結，根據現象得本質。現代電路課程需要轉變教學方式，形成以實踐為核心，理論為重點的教學體系。開關電源課程作為現代電路課程的重點內容，需要對此課程內容和考核方式進行改革。按照一定控制規律調制開關管的開關電源DC／DC變換器就是斬波器，也是開關電源課程中主要討論的重點內容。DC／DC變換器是直流電網中的重要設備，通過將一定幅值的直流電壓變換成另一種具有一定幅值的直流電壓，實現不同電壓等級之間的互聯。DC／DC變換器在不同應用場所下所需要的功能特性是不同的［7-9］。如表1所示，針對斬波器有較為細致的劃分，學生了解不同類型斬波器的優缺點，避免后續實驗過程中對器件的不當使用。

表1 斬波器分類

本科階段和研究生階段較少講解現代開關電源技術，學生無法依托課堂學習現代先進的開關電源技術，依靠自主學習也困難重重，與課程中的開關電源模型相比較，現代開關電源幾乎發生了根本性變化，學生自學理解掌握新技術新結構的難度更大，教師介紹國內外發展現狀以及未來發展趨勢，通過介紹前沿的技術和產品，讓學生在掌握常規、傳統專業知識的同時，對未來技術發展方向有一定把握，激發學生的興趣和創新熱情。

1.2.2 示例演示，總結知識點

開關電源課程每節課先進行示例電路演示。例如，脈沖寬度調制（PWM）和脈沖頻率調制（PFM）電路的仿真，通過對仿真產生的PWM波形進行分析，理解脈沖寬度調制電路實質是調整脈沖的占空比，首先將輸入的直流電壓斬成交流方波，幅值通過變壓器升高或降低，脈沖的占空比是通過控制器來調節［9］。學生通過電路仿真數據理解電路中每個元件的作用。示例作為課后作業需要每個小組自己搭建電路（教師提供元件庫）并且仿真出正確數據。學生小組通過自己搭建電路熟悉軟件環境，鞏固知識點，并且在此過程中發現問題，解決問題，培養學生團隊合作能力，為后續復雜實驗奠定基礎。

電路知識只依靠教師課上利用語言和文字讓學生理解是有一定抽象性和難度的，多數學生對于第一次接觸的新知識無法快速理解，通過學生自己搭建電路，理解知識點，總結規律，提出問題，解決問題，提高學生對知識點的理解程度，增強學生自主學習的能力。

1.2.3 課堂問答，布置預習作業

為了保證實驗教學改革高效進行，每次上課前學生小組需提交“預習與實驗報告”作業，保證學生在課前有足夠的預習資料和實驗準備，保證課堂實驗有效進行，教師根據學生作業的作答情況，對于學生模糊不清晰的知識點進行有針對性地重點講解。課堂上每個小組需要匯報小組前一周的學習情況，交流小組內部學習重點知識的經驗，同時提出小組遇到的問題。匯報小組遇見的問題，先由其他組的學生一起討論解答，調動所有同學的積極性，帶動其他組的學生思考，在此過程中老師引導，糾正學生的錯誤理解。課堂結尾老師需要對學生進行抽查提問，檢驗學生對重點知識的掌握情況，學生的回答情況作為成績考核的一部分。

1.3 設計實驗項目，培養學生創新能力

1.3.1 設計不同實驗項目

教師根據每個小組對開關電源電路課程知識掌握的不同程度，設置不同的實驗考核項目，保證每個小組實驗項目不同，但又存在一定相互交叉的部分，引導學生組內、組間進行多次討論。

教師針對每個小組學習情況分配不同的實驗項目，這樣一方面杜絕小組之間互相抄襲，另一方面培養學生團隊協作能力，依靠整個團隊的力量去解決問題。學生在以后的工作學習中不僅需要領導才能，還需要團隊合作精神，良好的交流溝通能力。設定每個小組實驗項目內容之間有交叉，確保小組之間能夠相互討論，可以互相提出可靠性建議。學生思想得以受到啟發，明白利用學習的基礎知識可以完成多個項目，開闊學生的視野。

1.3.2 設計具體項目實施方案

教師告知學生中期，終期答辯時間。讓每個小組根據實驗目標合理安排項目進度，討論組內分工，并提交實驗項目計劃書。學生需要查閱和收集大量資料，利用專業知識，構思項目實施方案。大部分學生對于自己的想法最終能變成實實在在的作品的教學理念很感興趣，并且愿意付出努力并積極參與。教師根據小組提交的實驗項目計劃書，給出意見和建議，調整實驗進度及實驗分工。

1.3.3 實驗項目進度匯報

課堂中以小組匯報實驗項目進度為主，教師和其他組的學生針對每個組匯報情況提出自己的意見和建議，調動老師和學生一起參與討論。

1.3.4 增加實驗挑戰性，設置“附加題”

傳統開關電源電路運行過程是作為此課程的重點基礎知識需要學生一定要掌握的，學有余力的學生，掌握傳統開關電源電路的原理后，分析電路仿真數據，理解實際電路和理想電路之間的差距，由于峰值電流與實際的均勻電流不匹配，當占空比＞50%時，系統會不穩定，因此需要加入斜波補償電路來穩定系統。自適應補償結構中，斜波電流的斜率會隨著占空比的變換而變化，這樣實現在不同占空比下對應不同的補償斜率K，避免了過度補償的產生［10-12］。電路組成如圖3所示。

圖3 含有斜波補償的峰值電感電流控制模式斬波器

學生查閱相關資料找出多種不同的斜波電流產生電路，圖4所示是一種斜波電流產生電路，電路中的時鐘信號通過控制MOS管M1的導通與斷開控制電容C1的充放電，運算放大器的同向輸入端和反向輸入端之間虛短，使A點處的電位與電容充電電壓Uramp相等。根據電容的充放電可以得到Uramp，從而得到A點電壓，最終通過R1得到一次斜波補償電流。此斜波補償電流經過場效應管構成的電流鏡得到自適應斜波補償的頻率［18］。學生只有對斜波電流產生電路有深刻理解后，才能結合學到的知識點設計出改進型的斜波產生電路。

圖4 自適應斜波補償電路結構

設計改進型的斜波電路是針對學有余力的學生設計的附加實驗項目，設計比較復雜，是綜合且具有挑戰性的“附加項目”，并且涉及科學前沿知識。“附加題”的設計滿足一些能力較強學生想更深入學習的要求。如圖5所示，學生在cadence的軟件環境中設計自己的自適應斜波結構，并對電路進行仿真，得到仿真結果如圖6所示。

圖5 設計的自適應斜波補償電路結構

圖6 仿真波形

學生需要對仿真結果進行分析，完成實驗報告，并且需要在實驗報告中闡述自己設計的自適應斜波電路的優缺點以及實驗過程中遇見的問題，哪些問題已經解決，哪些問題還未解決都需要在實驗報告中詳細說明。

2 考核方式改革

2.1 課程考核現狀

高等工科教育教學比較注重理論知識體系的完整性，一定程度上忽視培養學生實際操作能力，實用性不高。教學內容理論課占比過大，實踐環節占比較小，導致課程考核注重筆試和卷面成績，忽視實踐考試方式和其他方式的應用，造成學生重知識輕能力，重理論輕實踐的不良學風。因此，培養的學生理論基礎扎實，邏輯思維能力比較強，但是工程思維能力和綜合運用能力相對不足，團隊合作，溝通能力比較欠缺［13-15］。

2.1.1 考核方式不能培養和評價學生實踐能力

傳統的考核方式是“一考定終身”，依靠一張試卷判定學生是否掌握課程知識，具有片面性，試卷主要考核學生對專業知識的記憶能力。在“一考定終身”考核制度下，學生依靠考試前突擊背誦課本上的知識點，而不是理解知識點并學會運用知識點。教學過程中學生綜合能力沒有被記錄和反應，導致出現學生為了考試而學習的情況，喪失學習的主動性和創造性，與課程要求的考核目的大相徑庭。此考核方式不能有效地培養和評價學生實踐能力，沒有全面評價學生的綜合素質，失去了“考試”的引導作用和評價公正性。尤其是對于開關電源課程，開關電源是電子器件的基礎，設計開關電源電路需要大量的仿真實驗，為了保證實物指標的準確性，單一的卷面考試不適用開關電源課程的考核［15］。

2.1.2 考核只涉及部分知識點

2 h筆試考試時間，卷面中涉及的知識面是有限的，難以涵蓋課程的所有內容，考核知識不全面?？荚嚹康氖菍W生能力的考察，其中包括動手能力，溝通協調能力，組織能力，學習能力，理解能力等多方面，僅僅依靠試卷檢測，失去了考試評價學生的公正性和科學性［16-17］。

2.2 改革考核內容和方式

理想的考核評價體系應該包含實踐和試卷兩方面，考核不僅僅是對學生知識的掌握程度的衡量，更是對學生綜合能力和綜合素質的考核。如圖7所示，不同的考核方式考核學生不同能力，只有將試卷考核和實踐考核相融合才可以比較全面地評價和考核學生。

圖7 實踐和試卷考核多項能力

學生的綜合能力主要表現為：① 課程知識的理解。②運用已有的課程知識和技能解決現有環境下的問題。③將本課程知識點與其他課程知識點串聯，構建自己的知識網絡。如圖8所示，電源開關課程將教學過程中的每個環節都納入課程綜合成績評定，綜合成績按百分制進行評分。

圖8 各項考核占比

合理、科學的考核方式不僅能反映課程教學效果，了解學生對知識點和實驗技能的掌握情況，更可提高學習過程中學生適應能力和實踐創新能力的培養，引導學生主動學習，主動參與實踐，培養學生創新意識。

2.2.1 重視過程考核

課程考核采用重視教學過程和實驗過程的綜合評價方式，配合開關電路課程內容的改革，強化過程考核。目前課堂上主動舉手回答問題的學生較少，即使有部分學生知道問題答案也不愿意舉手，教師得不到反饋，無法知道學生對知識點的掌握情況。上課前學生提交的預習報告中不僅要求體現學生自學的情況，同時也體現出學生對哪一部分知識點已完全掌握，節省一部分課時，以及體現出學生對某些知識點的錯誤理解。預習報告作為考核的部分，雖然占比不高，但是若有缺次的情況，則會影響最終考試成績。根據每個小組提交的預習報告的不同，小組匯報結束后，教師結合相關的理論知識點對小組成員進行提問，加深學生對知識點的應用和掌握。教師按照A、B、C、D等級劃分預習報告和小組回答問題情況，并計入成績。采用預習報告和上課提問的考核方式，促使學生更加深入了解開關電源課程實驗原理，轉變學生為考而學的應試模式，把精力放在“學”上，而不是專注于“考”，激發學生的學習興趣，提高教學水平。

2.2.2 降低試卷比重

降低期末卷面成績的比重，提高過程考核的占比，較為全面地反映學生的學習情況。但是并不是要取消試卷考核的方式，試卷考核對大部分學生而言是相對較公平的方式，可以通過改革試卷內容來提高學生對理論知識的真正內化。試卷考核內容應為幫助學生理順知識結構，增加案例分析，減少純概念問題，考試不僅是對學生知識點記憶力的考查，更是考查學生對知識點的梳理和應用能力，考查學生在現有環境下應用已知知識和技能的能力。

2.2.3 設置“附加分”

一張試卷需要檢測學生在較長時間的課程學習是否達到了預期的教學目標，也需要具備選拔人才的要求，設置附加題并不只是提升試卷的難度，也是為了給學習優秀同學提供發揮的空間，給有潛力的人才更多的可能性。開關電源課程中將自適應斜波補償電路設計作為課程的附加題，讓學生明白設計一個電路不僅依靠理論計算，理論計算結果與實際產生結果會有一定的出入，需要查找原因，優化設計，甚至需要增加新的電路對原電路進行補償。將試卷中的附加題轉移到實踐課程中，避免了試卷中的附加題，學生在不具備相關知識的情況下，憑借猜測也能得到正確答案，因此為使附加題真正發揮其功能，開關電源課程中將附加題為自適應斜波補償電路的設計。

3 教改成果

經過團隊銳意進取，大量開展教學改革與研究，開關電源課程的教學取得了優良的教學效果，同時也培養出了一支勇于創新、緊密團結的隊伍?！澳M集成電路分析與設計”獲得“電子科技大學2019年第一批研究生精品課程建設項目”支持。該成果是長期堅持教育教學改革研究與探索實踐的創造性成果，集中體現了我校高度重視人才培養工作，狠抓教學質量工程，提高人才培養能力和質量，加快推進雙一流本科教育的行動與決心。

4 結 語

工程實質是人類為滿足生存與發展的需要，利用現有技術創造未來世界的實踐活動。未來的工程師要配合工程的系統性、復雜性、多樣性、綜合性、應變性、創新性、全球化和可持續發展的特點，具備全局觀，利用新工具和不斷汲取新的知識，實現技術與社會的和諧。工科教育旨在建立科學實踐教學體系，培養科學技術人才，從工科教學改革開始，一步一步轉變工科教育的局限性。工科教育不應僅僅是實踐和理論的結合，要形成始于實踐，終于理論的良性循環。

·名人名言·

教學的目的是培養學生自己學習，自己研究，用自己的頭腦來想，用自己的眼睛看，用自己的手來做這種精神。

——郭沫若