成果導向理念下的電子信息類專業電路分析實驗課程體系探索

梁燕，盧振洲(通信作者)

(杭州電子科技大學 電工電子國家級實驗教學示范中心 電子信息學院，浙江杭州，310018)

0 引言

在信息科技發展突飛猛進的今天，知識總量呈現爆炸性增長趨勢，為了響應社會對綜合性人才的要求，越來越多的高校采取大類招生的方式[1][2]。電路分析實驗作為電子信息大類專業學生接觸到的第一門專業實踐課程顯得尤為重要，而傳統電路分析實驗基本沿用科學教育模式，關注基礎知識及驗證性實驗。電路分析基本知識點具有分散抽象等特點，學生容易脫離實際應用，不利于對專業的學習興趣、復雜工程問題能力以及創新能力的培養，影響后續專業課程的學習效果。

作為一種先進的教學理念，成果導向教育(Outcome based education，簡稱OBE)自1981年提出后很快得到了人們的重視與認可。2013年6月，我國成為《華盛頓協議》成員，標志著工程教育認證在我國已經拉開帷幕[3]。工程教育認證理念對引導和促進專業建設和教學改革、保障和提高人才培養質量至關重要。其內涵更接近工程實踐，貼近社會對人才的需求，必須從專業課程體系和實踐環節進行改革[4]。針對專業實踐教學體系[5-7]和專業核心實踐課程[8-10]，國內眾多院校進行了教學改革。

我校電路分析實驗課程組遵循三個基本理念（成果導向、以學生為中心、持續改進），確定電子信息類專業培養目標，重構了適用于專業學生的《電路分析實驗》課程體系，設計涵蓋多知識點的綜合實驗教學案例，借助網絡教學平臺、虛擬仿真技術、遠程實境等實驗教學手段解決傳統長學時實驗對時間和空間的要求。完善了電路基本理論知識，將憶阻器融入實驗教學體系中。

1 電路分析實驗教學現狀

我校電工電子實驗中心自2006年被批準為國家級實驗教學示范中心來，面向全校多個專業承擔電路分析實驗課程，現在主要存在以下問題：

(1) 電路分析實驗作為電子信息類的基礎課，具有龐大的知識體系，掌握電路知識是這些專業學生的基本素養。而電子信息類專業學生需要花費大量的時間去修讀電路分析課程，涉及知識點跨度大。這又與電子信息類專業學生對信號處理、數據分析等知識旺盛的需求相矛盾[11]；

(2)電路分析實驗主要包括課內實驗和獨立實驗，課內實驗多以演示性、驗證性實驗為主，獨立性實驗則大多是設計性實驗。但是由于課時限制，實驗內容相對獨立，缺少前后的聯系[12]；

(3)早在1971年，蔡少棠教授便根據電路理論的完備性提出了第四種電路元件-憶阻器的概念[13]。直到2008年，HP實驗室首次采用納米尺度無源器件（由兩個鉑金屬極和TiOx金屬氧化物薄膜材料組成）給出了憶阻器的物理實現[14]，才引起研究者足夠的重視。但是由于憶阻器尚未商業化，電路分析實踐課程尚未增加這部分內容，無法支撐學生學習電路理論體系完備的目標。

2 課程教學改革方案

■2.1 課程培養目標確定

傳統教育是學科導向的，教學設計注重學科的需求，一定程度上會忽視專業的需求。而OBE則是從需求開始，由需求來決定培養目標，由培養目標決定畢業要求，在由畢業要求來確定課程體系[15-16]。最終學習成果既是OBE的終點，也是其起點。電路分析實驗是高等學校電子信息類專業培養學生掌握工程基礎知識和基本理論的專業基礎課程，也是第一門專業實踐課程，是后續專業學習的必備基礎，通過課程的學習，學生需要達到以下兩個學習目標：

(1) 能夠運用數理和工程基礎知識和基礎原理，掌握電路基本理論、定律，會進行電路設計及硬件組裝調測，對電子信息領域內相關原理進行實驗分析和設計并進行簡單的調試，獲得有效的實驗結論。

(2) 常用的電子測量儀器的正確使用方法，了解儀器的校準、精度等基本概念，了解設備使用的局限性及可能產生的誤差。培養獨立思維和解決實際問題的能力。熟悉使用仿真工具進行電路分析與設計的基本方法，提高學生運用現代仿真設計工具進行簡單的輔助電子電路設計的能力。培養基礎的創新意識和創新思想，為后續課程和今后從事電子信息工程等方面的工作打好基礎。

課程學習目標的達成代表了一種能力結構，而這種能力結構主要通過教學的實施來實現。

■2.2 專業知識體系重構

電路理論知識可以分為代數方程描述的電阻電路和微分方程表述的動態電路兩部分。對于電阻電路，輸出是輸入的即時響應，屬于無記憶電路的特征。而對于動態電路，由于電路中有電容、電感等動態元件，輸出不再是輸入的即時反應，具有動態的響應過程。電阻電路的分析方法是動態電路分析的基礎，所以電阻電路部分在課程中占比例較大。將正弦穩態交流電路、動態電路及其響應均劃入微分方程表述的動態電路范疇。將電路基本定律和基本分析方法知識點都融入電阻電路的實驗案例中，不再單獨設置基本測量、電路基本定理驗證的實驗項目。采用虛實結合的方式對比理解。

3 實驗教學實施及效果

■3.1 實驗教學實施

雖然驗證性實驗對理論知識的鞏固和學習有著重要的作用，但是根據工程教育理念，實驗項目還應該涵蓋通過電路基本定律和基本方法來解決電子信息領域內復雜工程問題。課程組根據重構的知識體系，以電子信息類專業學生為中心，將電路分析實驗課程分為：電阻電路綜合性實驗、動態電路及其響應和新型記憶元件創新性實驗三個模塊。

3.1.1 電阻電路綜合性實驗

課程組遵循工程教育以學生為中心、成果導向的理念，教學形式采用項目式教學，設置電阻電路綜合性實驗，學生學習模式以研究探索為主，充分利用基本電路理論知識去分析和解決問題。指導老師對學生設計的實驗方案的合理性和可行性進行評估，建立合理的考核機制。在整個實驗過程中學生處于主導地位，有效培養了學生解決復雜工程問題的能力。

3.1.2 動態電路及其響應實驗

動態電路與電阻電路最大的區別在于電路的響應需要時間，過渡的時間雖然短暫，但在電子信息領域有著廣泛的應用。課程組在成果理念導向思想的引導下采用555計時器電路實現的單穩態多諧振蕩器作為動態電路及其響應實驗部分，實施過程如圖1所示。

圖1 動態電路及其響應的實施過程

該實驗案例從應用的角度出發，提出實驗技術方案和設計指標，學生自主參數設計和仿真驗證后完成實驗電路連接，使用儀器觀測分析設計結果的正確性，對比分析實驗波形和仿真結果，充分認識理論與實際存在的差別，使用動態電路及其響應的電路理論知識分析實驗結果以及誤差產生的原因。

3.1.3 新型記憶元件創新性實驗

電阻R、電容C和電感L是三大基本電路元件，而電壓v、電流i、磁通φ和電荷q是四個基本電路變量。四個基本電路變量兩兩之間存在六種組合關系，其中R=v/i, C=q/v,L=φ/i, v=dφ/dt, i=dq/dt這五種關系已經確定。蔡少棠教授根據電路理論的完備性提出憶阻器的概念，它反應了磁通量和電荷之間的關系[13]。而憶阻器現在仍然沒有商業化，將憶阻器仿真器加入至電路分析實驗課程中有助于學生理解電路理論的完備性，區分線性電阻、非線性電路，理解記憶性和非記憶性。了解科學研究前沿動態發展，為創新性實驗的實現奠定基礎。

憶阻器是一種非線性二端電路元件，流過憶阻器的電流和兩端的電壓不再滿足同相位的關系。課程組采用了基本電路元件搭建仿真器來模擬憶阻器的這些特性，將仿真器兩端施加正弦激信號，觀測憶阻器仿真器的伏安特性曲線，如圖2所示為憶阻器伏安特性測試過程。

圖2 憶阻器伏安特性測試過程

■3.2 多樣化教學模式

傳統電路分析實驗的教學方式一般是利用實驗室電路分析實驗臺，學生在實驗室完成實驗設計、電路搭建以及參數測量，課后進行實驗數據處理和報告撰寫，缺乏靈活性，特別是對于綜合性實驗，這種弊端顯現的更加明顯。因此課程組借助網絡教學平臺、虛擬仿真技術、遠程實境實驗等教學手段，形成了多樣化教學模式。

(1) 網絡教學平臺。為了與學生建立起充分的聯系和溝通，共享教學資源，及時查看實驗預習項目和反饋實驗報告，建立了網絡教學平臺。建立了教師和學生的閉環聯系，持續改進，最終實現能力目標的達成。

(2)虛擬仿真技術。調整教學設計時中的虛擬仿真技術環節，不限制虛擬仿真軟件，也不再獨立設置獨立虛擬仿真課，將常用仿真軟件操作手冊等發布至教學平臺供學生自學。在實驗預習要求使用虛擬仿真技術對電路選取和參數設計。實驗數據處理和實驗總結中，引入了對比的教學理念，通過分析仿真和實驗數據，充分理解理想和實際的差別，加強相對和絕對誤差概念的掌握，逐步培養工程理念。

(3)遠程實境實驗手段。課程組依托遠程實驗中心，采用5G技術，解決了多并發、長延時等技術難題，將實驗設備搬到云端，分時復用，完成綜合性實驗。傳統教學實施方案是將元器件、電路板等發給學生，實驗調試等仍然需要來到實驗室，實驗室場地受限。而遠程實境實驗手段，學生通過預約的方式進行實驗，實驗地點不受限制。如圖3所示為電路分析遠程實境實驗。

圖3 電路分析遠程實境實驗

■3.3 實驗教學實施效果

在工程教育專業認證的背景下，課程組從電子信息工程專業學生的基礎知識、專業技能以及工程素養等方面考慮，建立了合理的評價機制，細化平時成績記錄冊，每個分項成績支撐相應的課程目標。通過多樣化的教學模式，學生分析和解決復雜電路工程問題的能力得到了很大的提高。

4 結語

經過對電路分析實驗教學現狀的分析，發現存在著知識體系不合理、實驗項目獨立以及電路理論知識不完備等缺點。在工程教育理念成果導向理念的啟發下，以學生為中心，確定了課程的培養目標，依據培養目標對知識點進行梳理，并將科研熱點憶阻器等融入實驗教學中，重構該課程的知識框架，開發了符合教育部要求的創新性、高階性和挑戰度的實驗案例，基本電路理論知識點采用虛實結合的方式對比理解；設計涵蓋多個知識點綜合實驗教學案例，利用“互聯網+”技術克服傳統長學時實驗時間和空間的限制，加強學生解決復雜工程問題的能力；并入科研熱點，增加第四種基本電路元件—憶阻器，完善知識體系，實現創新能力的培養。