電類基礎實驗課項目設計型教學方法初探究

曹 磊， 張亞楠， 史敬灼

(河南科技大學 電氣工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

電類基礎實驗課是為培養工程應用能力而設置的訓練課程。課程以培養學生的工程應用能力、激發學習興趣、拓展創新思維和培養創新意識為目標。實驗內容不僅要驗證理論課的知識點，還要著重培養學生的電子技術測試技能和設計電路、調試電路的能力，以及應用理論知識解決實際問題，把理論設計轉化為工程實踐的能力[1～2]。我校電氣工程學院經過幾年的探索與實踐，初步構建了以項目設計為主導的實驗教學新模式。

1 傳統實驗教學存在的問題

以前的實驗教學體系設計，是讓學生先熟悉儀器的使用方法，再通過測試來驗證理論課的知識點。雖然也設置一些綜合設計型的實驗項目，但內容多側重于課程中多個知識點的綜合應用。無論是驗證性還是綜合設計性的實驗項目，內容和步驟都是事先擬定好的，在內容的設計和實驗過程的組織上，沒有多少讓學生思考和發揮的空間[3]。導致學生的參與積極性不高，主動性不強，課后能讓學生記住的東西也不多，在培養學生綜合靈活的運用知識，訓練操作技能，啟發創新意識上還是略顯不足。

實驗設備的設計追求通用性，在儀器的測試范圍、精度和測試方法上就有所弱化。在實驗中，一些電路的特征現象難以突出展現。有些實驗設備為了方便操作，把元件隱藏在箱體內，只在面板上引出電路的接口，學生在操作中往往感性認識不足，甚至不認識電子元器件。

電子技術的發展日新月異，電子材料及元件的封裝形式不斷推陳出新，仿真軟件的版本、元件庫等不斷升級，會帶來操作界面的豐富和變化。實驗不能跟上這些變化，甚至不接觸實際電路，就會使學習的知識與生產實際脫節。

2 總體構想

電類基礎實驗課項目設計型教學的指導思想，是以培養學生的創新意識、強化工程實踐能力為目標。合理增加課程難度、拓展課程深度，以項目設計為主導，擴大課程的可選擇性，激發學生的學習動力和專業志趣。利用現代教育手段打破空間和時間的限制，開展開放式實驗教學。

(1)轉變學習過程中的角色。讓學生主導學習過程，把以老師為主導的教學形式轉變為以學生為主導的學習形式。在實驗項目中，給學生提出具體要求，由學生自己擬定實驗方案，設計電路，自己組織實施實驗。在實驗過程中，學生學，教師教授學習方法，給學生最大的學習自主權[5]。

(2)知識點聯系工程應用。讓學生明白學習的知識點能解決什么工程實際問題，通過學以致用，來激發學生的學習興趣。

(3)實驗模擬實際生產過程。實驗教學模擬電子產品設計開發的過程，最大可能的接近實際。按照應用需求設計電路，通過實驗做出調整，出現問題想辦法，多種方案選最優的模式，組織實施參與式教學。

(4)在深入了解實際生產過程的情況下，力求取得創新。

3 教學方法的探索和實施

2014年以來，我們針對不同實驗課程的特點，按照專業認證體系和陳寶生部長“推進四個回歸”的要求[4]，對教學內容和方法進行了大幅度的調整。把傳統的實驗臺測試改成了用元器件在面包板上插接電路的形式，以項目設計為主導，把不同實驗項目作為總體設計的相關模塊，然后一步步關聯起來，最終完成一個項目的總體設計。實驗方式更接近實際生產，提高了學生的動手能力和學習興趣，學生的參與熱情很高。

3.1 實驗室配置

電路實驗室每組配備電路綜合實驗臺、直流穩壓電源、數字示波器、計算機、萬用表和工具盒。計算機安裝Multisim、Pspice軟件。

電子技術實驗室每個實驗臺配備計算機、直流穩壓電源、數字低頻函數信號發生器、數字毫伏表、數字雙蹤示波器、數字萬用表和工具盒。其中計算機安裝Multisim、Pspice、Protues、Quartus II等軟件。

電子設計自動化EDA(Electronics Design Automation)實驗室配置計算機和EDA實驗箱。計算機安裝軟件和電子技術實驗室相同。

實驗插接板(面包板組)學生每人一套，可以隨身攜帶，電路實驗室和電子技術實驗室配備電子元件盒和基本元器件。

3.2 課內教學

在實驗項目設置上，按照從易到難、逐步深入的原則組織教學。如在電路實驗中，一部分認知性的實驗采用傳統方法測試驗證，選取“二階電路的響應”和“雙口網絡”等項目，采用基于電子元件的單元電路設計，完成電路實物的組裝和測量，實施設計性教學。

指導教師課前布置實驗任務，提出設計要求，限定元件的選取范圍，要求學生完成電路設計。學生在進入實驗室后，先使用Multisim或者Pspice工具進行電路仿真調試，列出元件清單。接下來自取元件，在面包板上插接電路，測量記錄實驗數據，編寫實驗報告，分析數據做出總結。

通過對電路的設計和測試，學生掌握了參數的計算方法和測量技術，還通過組裝實際電路，認識了電阻、電容、電感等電子元件，學會了元件參數的識別方法和連接電路的基本技巧[5]。學生了解了電路設計的基本方法和一般過程，熟悉了直流電源、示波器等儀器的使用方法，為后續的電子技術實驗打下了基礎。

表1 電子技術實驗項目設置

在電子技術實驗中，實驗項目設置和學時分配如表1所示。在做“晶體管放大電路”實驗時，要求學生設計一個阻容耦合的單級共射極放大電路，具有靜態工作點穩定特性，UCC=12V，RL=10KΩ，ICQ≈1.5mA，3V

“搶答器電路的設計”實驗中，教師課前提出電路要實現的功能和參數等設計要求，可選擇的邏輯芯片、儀器設備以及時間限制。學生在課余時間設計電路，統一進入實驗室組裝電路并測試。學生分步完成組合邏輯電路、時序邏輯電路、譯碼顯示及發聲電路的設計和組裝，利用低頻函數信號發生器提供的脈沖信號測試電路。在后續的“時基電路設計”實驗中，再按照搶答器電路的需要，設計不同頻率的脈沖發生電路和搶答器電路相連，從而完成整個實驗項目的設計。

“可編程邏輯電路設計”實驗，按要求設計一個彩燈控制電路或者小汽車尾燈控制電路，也可以學生的興趣設計其它電路。電路在課前完成草圖設計后，進入EDA實驗室，指導教師先以一個簡單電路為范例講解QuartusII軟件的操作方法。學生邊聽邊做，按步驟完成電路的輸入、仿真、可編程芯片的引腳定義、編譯下載，最后在EDA實驗箱上測試驗證。接下來學生應用該設計環境完成自己的電路設計和芯片測試。通過項目設計，使學生掌握電子設計自動化的手段和可編程邏輯芯片的設計應用方法。

3.3 開放教學

在項目設計型實驗中，由于學生的個體差異和設計方案不同，還有根據自己的興趣增加的內容，使得對時間的要求差別很大，通常會出現課內時間不夠用的問題，利用實驗室開放可以作為很好的補充。不能在課內完成實驗的，可以利用課余時間進入實驗室繼續實驗，實驗室在課余時間開放。利用裝在保護盒里隨身攜帶的實驗插接板，學生不限時間和空間，可以利用課余時間組裝電路，進入實驗室測試和記錄數據。

電路設計過程中出現的問題，學生除了和指導教師交流外，更多的是通過訪問慕課平臺、雨課堂、百度文庫、微信群交流等方式主動尋求答案，學生成為了學習活動中的主角。將現代信息技術深度融入教育教學，利用智慧學習環境，實施精準教育，提升教學效果。

學生的思想活躍，在深刻理解和學會應用一些知識點后，總會產生很多想法，加上在實驗中的一些發現和遇到的困惑，就會迫使他們靜下心來認真思考。他們利用網絡、圖書館尋覓答案，然后通過實驗來求證解惑，從而使學生進入實驗室形成習慣。以此來引導學生求真學問、練真本領，成為有理想、有學問、有才干的實干家。

4 質量跟蹤與成績評價

在教學活動中，學校建立了校院兩級督導聽課和學生評教制度，督導和評教成績與教師的利益關聯。電工電子實驗中心的教師每月至少聽課一次，要求認真記錄聽課內容，同時提出中肯建議。堅持周四教學研討例會，把教學中出現的問題和好的做法集中交流。

緊密跟蹤教指委組織的高水平教學研討活動，選派骨干教師參與學習交流，持續提升教學藝術，善于運用現代信息技術，提升改造學習、改造課堂的能力。

按照培養目標和學生的表現，可以把合格以上的成績分為三個層次。第一層次，是要學生學會，完成實驗任務，清楚相關知識點，能解決簡單問題；第二層次是在掌握知識點的前提下，激起興趣，產生想法，并嘗試用各種方法去探索；第三層次是還要學生養成嚴謹、認真的習慣，具有良好的專業素養。專業素養包含敬業精神和合作態度，比如實驗中是否按規范接線，桌面是否整潔有序，實驗后設備和測試線是否歸置整齊，實驗報告中的畫圖和標注是否規范，數據分析是否嚴謹等[6]。

在學生的實驗過程中，指導教師認真填寫實驗情況登記表，詳細記錄每個學生的實驗情況，結合實驗報告做出綜合評價。

5 結語

工程教育的目標是培養應用型工程技術人才，實踐能力的培養至關重要。把專業技術知識學以致用，緊密聯系生產實踐，正是激發學生學習興趣的有效手段。以學生學習為主，教師指導為輔，把學生領進來，以興趣作引導，是學生加深理解，萌生創新意識的有效途徑[7]。給學生提供想象的空間，并以此開拓思維、啟發創新，才能實現因材施教，培養個性化工程技術人才，工程教育回歸工程的初衷。