后疫情時代電子電路類課程教學(xué)改革與探索

王軍芬，李明亮，馬艷玲

河北地質(zhì)大學(xué) 信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050031

2020年，突如其來的新冠疫情改變了人們生活、工作和學(xué)習(xí)的方式，對社會各個方面產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[1，2]。后疫情時代，以“兩新一重”為代表的我國新基建、新產(chǎn)業(yè)、新科技和新經(jīng)濟發(fā)展勢必對工程科技人才培養(yǎng)提出新的要求[3]。新工科教育已然進(jìn)入“再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)”的新階段，不但要對接地方經(jīng)濟社會發(fā)展，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力，還要以更大的力度推進(jìn)教學(xué)方式方法創(chuàng)新，注重培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)能力[2-4]。

河北省“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)建議中指出，聚焦電子信息、高端制造等18個重點產(chǎn)業(yè)鏈，實施產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造工程。這一目標(biāo)的實現(xiàn)迫切需要大量的電子信息類工程科技人才，如何更好地對接地方經(jīng)濟社會發(fā)展，培養(yǎng)滿足后疫情時代發(fā)展要求的“新工科”人才，是迫切需要解決的問題，也是我校信息工程學(xué)院積極探索和實踐的教學(xué)改革方向。教學(xué)改革的最終落腳點是課程，本文以“高頻電子線路”為例介紹后疫情時代新工程背景下電子電路類課程教學(xué)改革和實踐。

1 基于項目的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

新工科建設(shè)注重課程的實用性、交叉性和綜合性[5-6]，后疫情時代的人才培養(yǎng)同樣注重學(xué)習(xí)科目的高度應(yīng)用性和市場對接性[7]。聲音信號的分析和應(yīng)用已經(jīng)滲透到許多重要的技術(shù)領(lǐng)域[8-10]，以技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用為導(dǎo)向，以實現(xiàn)聲音信號的無線發(fā)送、傳輸和接受為項目，融入到高頻電子線路的課程教學(xué)過程。

面向聲音信號的實踐項目，首先對無線通信系統(tǒng)中各單元電路的功能、結(jié)構(gòu)、指標(biāo)等分散的知識點系統(tǒng)化，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和工程思維；再根據(jù)實現(xiàn)聲音信號無線發(fā)送、傳輸和接受單元模塊的功能及內(nèi)在聯(lián)系，將教學(xué)內(nèi)容歸納為五個既關(guān)聯(lián)又獨立的知識模塊：基礎(chǔ)知識、高頻信號發(fā)生、高頻信號放大、調(diào)制與解調(diào)、噪聲與控制，對接工程實踐，將工程實際電路融入具體模塊，便于學(xué)生有針對性地提出電路或技術(shù)的改進(jìn)方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神。

在授課過程中，以實現(xiàn)聲音信號的無線發(fā)送、傳輸和接受為目的，具體化技術(shù)指標(biāo)，講解各單元模塊的基本原理、實現(xiàn)電路、參數(shù)選擇和改進(jìn)方法。以知識為載體，能力培養(yǎng)為目標(biāo)，充分利用虛擬仿真技術(shù)，積極采用案例法，翻轉(zhuǎn)課程等教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生興趣，保證教學(xué)質(zhì)量，更好地滿足后疫情時代新工科人才培養(yǎng)的要求。

2 信息技術(shù)深度融合的教學(xué)模式

“新工科”理念強調(diào)以學(xué)生為中心，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學(xué)方式，探索工程教育信息化教學(xué)改革，推進(jìn)信息技術(shù)與工程教育深度融合[6，11-12]。疫情“大考”為后疫情時代全面深化教育信息化創(chuàng)造了機遇，教育部2020年8月27日宣布，為鞏固春季學(xué)期“停課不停學(xué)”取得的成果，將進(jìn)一步推進(jìn)線上線下教育教學(xué)的緊密融合[13]。

“SBDPAI”教學(xué)模式，如圖1所示，打破傳統(tǒng)的理論課與實驗課的界限，融入課程思政，將教學(xué)內(nèi)容與現(xiàn)代信息技術(shù)深度融合，充分利用學(xué)習(xí)通云平臺、虛擬實驗室平臺、Multisim電路仿真軟件、MATLAB仿真軟件、思維導(dǎo)圖等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，采用案例教學(xué)法、仿真教學(xué)法、情景教學(xué)法等多元化的教學(xué)方法，以學(xué)生為中心，以教師為主導(dǎo)，設(shè)置“感”功能（Sense function ）、“建”模型（Build model）、“識”參數(shù)（Discriminate parameter）、 “練”實戰(zhàn)（Practice actual combat） 、“評”優(yōu)缺（Assess advantages and disadvantages）、“改”電路（Improve circuit）6個環(huán)節(jié)，首尾相接，環(huán)環(huán)遞進(jìn)，各個環(huán)節(jié)中采用的教學(xué)方法和信息技術(shù)手段如表1所示。教學(xué)過程采用線上線下混合教學(xué)，線上線下優(yōu)勢互補，使課程學(xué)習(xí)具有彈性，更有效地推動教學(xué)活動進(jìn)程[14-15]。“SBDPAI”教學(xué)模式能夠調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動手實踐的興趣，更加注重培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力、學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新精神、團隊合作能力，滿足“新工科”發(fā)展需求。下面以振幅調(diào)制內(nèi)容為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 “SBDPAI”教學(xué)模式Fig. 1 “SBDPAI” teaching model

表1 “SBDPAI”教學(xué)模式中采用的教學(xué)方法與信息技術(shù)手段Table 1 Teaching methods and information technology means used in SBDPAI teaching mode

S：“感”功能環(huán)節(jié)將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的新發(fā)展引入到教學(xué)過程，學(xué)生通過教學(xué)云平臺上相關(guān)視頻資源直觀感受無線通信技術(shù)的發(fā)展，如：2020年11月24日4時30分嫦娥五號探測器成功發(fā)射視頻，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，涵養(yǎng)家國情懷，同時引出題目：帶“你”去月球之振幅調(diào)制。“感”功能環(huán)節(jié)還可以利用Multisim軟件的電路仿真和虛擬儀器，直觀感受電路功能，觀察信號在電路中時域波形和頻譜結(jié)構(gòu)的變化，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和動手實踐興趣。

B：“建”模型環(huán)節(jié)建立振幅調(diào)制的數(shù)學(xué)模型。“你”為調(diào)制信號，在無線電廣播中為聲音信號，根據(jù)由簡及繁的原則，假設(shè)聲音信號為單頻率的余弦波：uΩ(t) =UΩmcos Ωt。載波信號為帶“你”去月球的宇宙飛船，在無線電廣播中為高頻等幅余弦波信號：。“你”乘坐上宇宙飛船即為調(diào)幅波信號，在無線電廣播中為聲音信號加到高頻等幅余弦波信號的振幅上：

D：“識”參數(shù)環(huán)節(jié)中，利用MATLAB仿真軟件強大的計算能力和可視化功能，可使數(shù)學(xué)模型中復(fù)雜計算簡單化、抽象問題具象化。學(xué)生5～6人為一組，以團隊協(xié)作的形式，利用MATLAB軟件對調(diào)幅波的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真、觀察，討論調(diào)幅指數(shù)ma對調(diào)幅波的影響以及ma的合理范圍。假設(shè)單頻率聲音信號的頻率為1kHz，幅度為2V，載波信號頻率為999kHz，幅度為5V，給定ma范圍0～5，步長為0.2或0.3，避免學(xué)生做無用功，提高學(xué)習(xí)效率，學(xué)生按組上傳仿真與討論結(jié)果到教學(xué)云平臺，以便教師歸納總結(jié)與展示，具有代表性的仿真波形如圖2所示。對圖2進(jìn)行分析，并點評和歸納總結(jié)小組討論結(jié)果：ma=0，不能反映調(diào)制信號的信息；0＜ma≤1，能夠準(zhǔn)確反映調(diào)制信號的信息；ma＞1，不能準(zhǔn)確反映調(diào)制信號的信息；即調(diào)幅指數(shù)ma的合理范圍為0～1之間，且反映了調(diào)幅的強弱度。

圖2 改變ma的調(diào)幅波仿真圖Fig. 2 Simulation of amplitude modulation wave with changing ma

P：“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)由理論分析實戰(zhàn)和動手實踐實戰(zhàn)組成。如圖3所示，理論分析實戰(zhàn)有原理分析和MATLAB仿真實戰(zhàn)，動手實踐實戰(zhàn)有Multisim電路仿真、虛擬實驗平臺和實驗室實戰(zhàn)，實戰(zhàn)題目和內(nèi)容均面向聲音信號的無線發(fā)送和接受，學(xué)生利用課上與課下時間，理論緊密聯(lián)系實踐，通過多層次的實戰(zhàn)練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力。（1）普通調(diào)幅的原理分析與MATLAB仿真主要針對兩個問題。一是普通調(diào)幅時域波形、頻譜圖與數(shù)學(xué)模型的關(guān)系；二是當(dāng)ma一定時，載波功率、邊頻功率與整個調(diào)幅的功率關(guān)系。（2）普通調(diào)幅的動手實踐包括兩方面。一是Multisim電路仿真實戰(zhàn)，學(xué)生利用碎片時間搭建普通調(diào)幅電路，隨時調(diào)節(jié)電路參數(shù)，觀察參數(shù)的變化對調(diào)幅波形的影響，以調(diào)試電路以滿足無線電廣播中聲音信號的調(diào)制要求；二是實驗實戰(zhàn)，利用虛擬實驗平臺或?qū)嶒炇腋哳l電子線路實驗平臺，在仿真電路模型的基礎(chǔ)上搭建普通調(diào)幅電路，調(diào)節(jié)電路實現(xiàn)聲音信號的振幅調(diào)制功能，體會實際電路和仿真電路之間的區(qū)別與聯(lián)系。

圖3 “練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)Fig.3 Practice actual combat link

A：“評”優(yōu)缺環(huán)節(jié)是在“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，對實現(xiàn)電路或技術(shù)方法的優(yōu)缺點進(jìn)行分組討論和總結(jié)。普通調(diào)幅波形直觀，易理解，電路簡單；載波并不包含聲音信號的信息，但其功率卻占整個調(diào)幅波功率的絕大部分；邊帶包含聲音信號信息，且上、下邊帶均包含了完整的聲音信號信息。在實際傳送聲音時，平均調(diào)幅度往往很小，大約只有20%～30%，發(fā)射機實際有用信號功率就很小，因而功率利用率低。如何提高功率利用率“改”電路環(huán)節(jié)需要解決的問題。

I：“改”電路環(huán)節(jié)是在總結(jié)“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)和“評”優(yōu)缺環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，針對電路或技術(shù)方法的缺點進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。針對普通調(diào)幅功率利用率低的問題，從信息傳遞的觀點載波功率為無用信號功率，可去除載波頻率分量，只傳輸邊帶頻率分量，即可提高功率利用率，這就是抑制載波雙邊帶（DSB）調(diào)幅。

對于DSB，學(xué)生通過“感”“建”“識”“練”“評”“改”6個環(huán)節(jié)分組協(xié)作學(xué)習(xí)。在“改”環(huán)節(jié)討論如何提高發(fā)射效率和信道資源利用率，用抑制載波單邊帶調(diào)幅（SSB）來實現(xiàn)，而對于SSB的學(xué)習(xí)將進(jìn)入下一個循環(huán)。從普通調(diào)幅到單邊帶調(diào)幅，教與學(xué)的過程是循環(huán)遞進(jìn)、螺旋上升，更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣，更加注重學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

3 過程性考核評價

無論何時，課程考核都是課程教學(xué)中非常重要的一環(huán)，也是評價教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果的重要手段，“天大行動”中強調(diào)以學(xué)生為中心改革教學(xué)方法和考核方式。后疫情時期教學(xué)評價應(yīng)更注重考查學(xué)生在一門課程各階段下的多層次表現(xiàn)，從學(xué)習(xí)輸入評價為主，轉(zhuǎn)為學(xué)習(xí)輸出評價為主，而學(xué)生輸出評價主要是對學(xué)生能力的評價[2，16]。依托學(xué)習(xí)通平臺“全程留痕， 數(shù)據(jù)精準(zhǔn)” 的優(yōu)勢，評價過程與教學(xué)過程相融合，構(gòu)建以學(xué)生為中心的“實時、全過程、多維度” 的過程性考核評價，評價內(nèi)容突出對學(xué)生能力的評價，評價載體注重多層次多維度采集學(xué)生學(xué)習(xí)效果數(shù)據(jù)，評價主體注重學(xué)生自評和學(xué)生互評。 評價結(jié)果實時反饋給教師，教師根據(jù)評價中發(fā)現(xiàn)的問題，隨時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容和策略，提高教學(xué)質(zhì)量。評價結(jié)果即時反饋給學(xué)生，提高學(xué)生的自我效能感和課堂參與度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。過程性考核評價方法如圖4所示。

圖4 過程性考核評價方法Fig. 4 Process assessment and evaluation method

通過課前、課中、課后教學(xué)的全過程多維度、多層次的數(shù)據(jù)采集和評價，以及評價結(jié)果實時反饋給教師和學(xué)生，形成了教和學(xué)過程中“評價—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)，可持續(xù)改進(jìn)教師的教學(xué)和學(xué)生的學(xué)習(xí)，更好地培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)能力，提高學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

4 結(jié)束語

從課程視角探索科學(xué)應(yīng)對后疫情時代新工科發(fā)展需求，以“高頻電子線路”課程為例，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、課程考核環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革與實踐。經(jīng)過改進(jìn)的課程體系，更加注重教學(xué)內(nèi)容的實用性、交叉性和工程性；以學(xué)生為中心、信息技術(shù)深度融合的“SBDPAI”教學(xué)模式，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維和工程實踐能力；實時、全過程、多維度的考核評價體系，通過“評價—反饋—改進(jìn)”的閉環(huán)，把教與學(xué)緊密聯(lián)系在一起，極大地提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)習(xí)效果。新工科教育改革是動態(tài)的、發(fā)展的，只有不斷地進(jìn)行相應(yīng)的課程改革，才能滿足時代發(fā)展對新工科人才需求。