“新工科”背景下模電課程“四位一體”教學模式探究

趙娟 黃玉金 王改芳 游偉壇

摘要：結合“新工科”的特征，通過分析模電課程的自身特點，對中國地質大學（武漢）自動化學院的模電課程進行了教學改革實踐。以學生為中心，將“產學融合”“因材施教”“實訓提能”和“以賽促教”迭代更新到現有教學過程中，構建了一種“產-教-訓-賽”四位一體的多元化教學模式。實踐證明，該教學模式使教學質量得到了全面提升，培養了學生的實踐動手能力和工程創新能力。

關鍵詞：新工科;模擬電子技術;人才培養;創新型;四位一體

中圖分類號：G642.0? 文獻標志碼：A? 文章編號：1008-4657（2021）02-0090-07

0 引言

“新工科”是我國工程教育改革的方向[1-2]。其內涵是以立德樹人為引領，以新理念、新結構、新模式、新質量和新體系為特征，以培養多元化和創新型卓越工程人才為目標[3]。“新工科”的提出，為工程教育的實踐教學提出了全新的視覺。

以“新工科”研究和實踐為契機，全國高校積極響應，開展了多角度的工程教育人才培養模式探究[4]。路冬等[5]以南方科技大學為例，打造“國際化教學體系、校企融合基地、能力遞增型實踐平臺”的工程教育模式。王旭等[6]基于OBE理念，對課程的教學內容、目標和體系等進行改革，達到課程創新實踐的教學模式。劉阿娜等[7]將CDIO工程教育理念引入課程教學，有效融合了教學內容的本體性和人文性，用創新教學改革推動“新工科”建設。這些教學改革經驗和實踐做法，已取得了一定的成就。然而，教學模式的探索永無止境，具體到不同課程在專業教學計劃中的地位和作用，更需構建適合課程特色的教學模式，為人才培養尋找新思路、新方式。

模擬電子技術（簡稱“模電”）作為電子信息類專業的基礎課程之一，是相關領域技術的關鍵樞紐點[8]。此課程知識點多，某些概念理論性較強，晦澀難懂，不僅理論知識要求高，而且對學生的實踐應用能力要求也非常高，是教學的重中之重。然而，由于教學手段和考核方式傳統單一等因素，導致教學效果并不理想。因此，在模電教學中，探究創新的教學模式，對培養學生的自我學習能力、創新精神和綜合工程實踐能力，具有重要的研究意義。本文結合中國地質大學（武漢）自動化學院的模電課程教學改革實踐，融合“新工科”人才培養內涵，構建一種“產-教-訓-賽”四位一體的多元化教學模式。

1 模電的教學現狀及存在問題

目前，隨著電子、自動化的飛速發展，電子信息類領域的高素質工程人才供不應求。模擬技術作為最基礎的電子信息類技術，需要緊跟時代前沿。但大多數學生在上完此課程后，依舊缺乏一定的實踐能力和創新能力，無法達到相應領域的技能要求。不難發現，傳統模電教學過程中普遍存在如下問題。

1.1 理論課與實驗課的分離

由于學時設置和教學條件的局限性，模電課程的理論課和實驗課在時間和空間上處于分離狀態。理論課一般以教師為主，教師在教室里進行理論知識點的講解，學生被動地接受這種灌輸填鴨式教學方法;實驗課以學生為主，由于實驗設備的多樣性和復雜性，一位教師很難同時“照顧”所有同學，往往出現學生盲目進行實驗操作的現象。并且，教師在實驗課中往往忽略相關理論知識點的講解和分析，導致理論內容與實踐內容聯系不夠緊密，造成學生對相關內容難以理解;缺少將操作規范和實驗結果進行現場示范，極大影響學生的實際操作能力，難以適應復雜工程問題分析的需要。

1.2 實驗項目設計不合理

在實驗課中，通常設計的驗證類項目多，綜合設計類項目少。這種驗證性項目多以書本內容為中心，采取固定的設計方案，無太大難度和創新。學生在這種單一教育模式下，容易養成精神上的惰性，逐漸缺乏學習熱情，也缺乏創造性和個性化發展的思維。這種項目鮮有對創新產品的評價和導向，難以給學生提供創新空間，無法培養學生的創新思維和能力。在實驗教學中，學生缺少知識點的綜合運用和自我學習、解決問題的實戰經驗，學習效果不理想。另外，這些實驗項目很少有與企業合作的工程實際案例，使學生缺乏對社會前沿技術、熱門技術的了解。所以，過多驗證類項目的設置，容易導致本科生畢業后無法直接與社會接軌。

1.3 考核方式單一

傳統的考核方式以閉卷筆試作為唯一的考核方式，缺乏對學生學習態度、學習過程和動手能力等方面的考核，不能夠全面地反映學生掌握該課程的實際情況。目前，有的高校已做出一定的改革，既采用期末試卷成績占70%、實驗成績占30%之類的做法。但是，由于實驗內容設置的不合理性，以及缺乏可量化的測試標準，教師容易對所有學生采取統一的考核要求，既無法看出學生的作品指標差異，也忽略了學生的平時表現和個性能力考驗，導致難以拉開此部分的分數差距，最終成績則依舊以閉卷考試為準。

2 課程教學模式的改革思路

通過分析以上所列舉的教學現狀及存在問題，發現傳統模電課程的教學內容和教學方式與“新工科”的特征存在一定的差距，這為模電課程的教學模式改革提供了新的目標和思路。

首先，模電課程的教學需全面貫徹工程教育理念，培養學生的實踐動手能力和創新能力。而實踐是工程教育理念的核心[9]。加強實驗教學，注重理論和實踐的平衡發展，是提升工程人才培養水平的有效手段[10]。在實驗教學中融入理論的指導作用，在理論教學中融入實踐的客觀結果;以學生為中心，著眼于學生的個體差異，以及教學的實際教學情境，設立多元化實驗任務和考核指標，才能解決理論教學與實踐教學相脫離、考核方式單一等問題。因此，本文將“實訓提能”和“因材施教”作為模電課程教學模式改革的核心手段。

其次，模電課程的教學需注重產業需求導向，強化學生的工程應用能力。推進校企合作、產教融合的機制創新，深化產學協同育人，對于高等教育發展質量的提升意義重大[11]。整合校內外資源，深入實施創新訓練計劃，可拓展學生的知識視野，激發學生的技術創新潛能[12]。以學生的發展和企業的需求為導向，學校和企業共同進行課程建設，開發實踐項目，實現學生知識、能力和素質的全面發展，才能解決設計項目不合理的問題。同時，延伸學生的實踐環節，努力構建競賽平臺，鼓勵學生參賽，以學生的參賽成果作為學生實踐創新能力的評價指標之一。因此，本文將“產學融合”“以賽促教”作為模電課程教學模式改革的重要舉措。

最后，模電課程的教學應有獨特的演化邏輯。相對傳統工科而言，新工科是一個更顯動態的概念[13]。其新體系的建設不能完全脫離傳統工科，而是需要有一個發展的邏輯過程[14]。模電課程的教學改革，不可以與傳統教學有絕對的界限，要不斷與時俱進，不斷迭代優化教學過程。因此，本文遵循循序漸進的原則，以中國地質大學（武漢）自動化學院開設的模電課程為主要對象，將“產學融合”“因材施教”“實訓提能”和“以賽促教”迭代更新到傳統教學過程中，形成一種新的教學模式方案。

3 課程教學模式的改革方案

融合“新工科”人才培養內涵，本文提出一種“產-教-訓-賽”四位一體的多元化教學模式，其組成框架如圖1所示。

3.1 產教融合

面對新時代對工科人才的要求，高校對學生的能力培養提出了更高、更新的要求。企業處于緊跟市場需求變化的實踐陣地，有著新技術、新設備的實際應用[1]。高校只有加強和企業的合作，才能構建協同教育的長效機制，實現培養創新型卓越工程人才的目標。

3.1.1 結合企業需求，調整教學內容

由于模電大多數內容概念抽象、原理復雜，傳統的模電課程教學主要采用教師理論講授、學生簡單實驗操作的方式。學生難以深刻理解相關教學內容，不僅降低了學習積極性，也磨滅了分析問題能力和創新探索精神。因此，與企業商討，按照行業的發展需求對教學內容進行調整，對實現學生知識、能力和素質的全面發展具有重要的意義。

首先，調整實驗內容和時間分布，加強學生實踐環節。把一些和實驗緊密聯系的理論內容安排在實驗課內，使實驗課和理論課融合在一起。例如，將“雙極結型三極管及放大電路基礎”這個內容，調整到實驗項目“BJT共射放大電路”中。在實驗教學中，先向學生演示不同靜態工作點對三極管輸出特性的影響，再引導學生自己動手調節相應電阻，觀察電路的輸出波形。這種教學把枯燥的知識生動化，把抽象的理論形象化。學生既在規定時間內完成了實驗，也加深了對三極管靜態性能和動態性能的理解。

其次，大幅增加核心內容和綜合性、設計性實驗，壓縮非核心內容和驗證性實驗。隨著新技術的發展，集成電路比分立元件更具優勢，應用更廣泛。為此，在保證基本理論完整的前提下，選擇性講解分立電路及器件內部結構，而重點學習集成運放的相關內容。同時，考慮到驗證性實驗缺乏層次性，不利于培養學生的獨立分析解決問題能力，對實驗內容也進行了改革。例如，去掉“積分運算電路”“電壓比較器”實驗內容，增加“方波-三角波-正弦波”綜合性實驗內容。學生融合所學知識，提出設計方案，能讓其自主參與到實踐環節中，碰到問題時開動腦筋，激發其創新潛能。

3.1.2 緊跟時代發展，開設校企合作課題

當代科技的發展和科技成果在企業中有著大量的綜合性應用。學校的教學內容和課程體系必須緊跟科技前沿和產業發展水平，才能培養出科技素質高的優秀人才。因此，在模電的實驗教學中，開設校企合作課題，也是貫徹理論聯系實際的一種手段。例如，增設“無接觸溫度測量裝置”和“放大器非線性失真研究裝置”等校企合作課題，讓學生自由組隊，根據自己的知識水平和自信程度，選擇合適的課題，設計步驟方案;教師檢查方案可行后，學生開始實施實物制作，并調試成功，再交由教師驗收。參與校企合作課題的設計，可以開闊學生的視野，使學生了解模電技術發展的前沿，激發學生對電子專業的興趣，從而獲得良好的教學效果。

3.2 因材施教

每個學生的學習能力、興趣愛好、智力傾向有所差異。如果教師按照同一標準、同一難度教學及考核，就會出現有的學生“吃不消”、有的學生“吃不飽”的情況。只有根據學生的個體差異，適當調整教學內容和教學方法，才能達到激發學生學習興趣、發揮學生特長和促進學生全面發展的目的。

3.2.1 引入案例教學，將枯燥的知識生動化

在理論教學時，充分考慮學生的知識背景和已有基礎，盡量縮短抽象概念的文字展示和理論公式的純推導過程。利用虛擬仿真和網絡學習，引入實驗圖片、科研動態和精彩科研故事等，使學生快速消除對理論知識的枯燥感，從而激發其學習興趣，加深其對相關內容的立體感覺，幫助其快速吸收。

例如，在講解電壓跟隨器時，首先引入信號源和負載之間的直接連接電路（圖2），及信號源和負載之間加入電壓跟隨器的連接電路（圖3），讓學生明白電壓跟隨器的硬件接法。然后，展示示波器測試兩種電路時的測試結果，分別如圖4、圖5所示。比較圖4和圖5，可以看出，兩種電路的輸入信號相同，但輸出信號的幅值有所不同。以此說明電壓跟隨器的隔離效果。通過這種案例，學生能對電壓跟隨器的電路連接方法、作用及應用一目了然，不僅解決理論課堂的枯燥問題，也能幫助學生明確相關電路的設計思路和方案。

另外，在講授運算放大器時，引入幾個前沿的科研實例和對應運算放大器的芯片手冊，說明其中出現的選型思路和測試結果，讓學生了解運算放大器的指標和測試方法在科研中發揮的作用。在講解濾波器的原理時，引入濾波器的發展史和相關科學家的科研歷程。通過簡單的資料分享，激發學生的學習熱情和創造潛能。

3.2.2 以學生為中心，設立多層次任務要求

在教學活動中，以學生的發展為根本出發點，設計不同難度的實驗內容和考察作業。例如，設立A、B、C三個層次的實驗任務（如表1所示）。A級實驗以“面”的普及為止，偏向驗證性實驗，以達到教學的基本要求。B級實驗具有一定的挑戰性，由驗證性實驗向設計性、綜合性實驗轉變，旨在為有興趣和學有余力的學生提供一定的實戰機會。C級實驗則全部為綜合性設計實驗，知識點交叉性強，設計方案不唯一，設計指標要求高。學生可以自由組隊，分工協作。這種方式不僅可以讓學生“量力而行”，激發學生學習能動性，而且可以提高學習互動性，營造良好的學習氛圍。

3.2.3 融合多因素，實行綜合考核

在考核方式上，不拘泥于閉卷筆試這種單一的形式，可增加平時考勤、作品驗收、口頭匯報、實驗報告和科創成果等方式，分配各考核部分的百分比權重，相加后得到最終的考核總分。在作品驗收環節，制作驗收記錄表，對每一項測試項目和對應的測試結果，都給予相應的評分標準。在口頭匯報環節，記錄學生的口頭表達能力和對課程內容的理解程度等等，給予相應的評分。這種融合多因素的考核方式，能全方位地考察學生的能力，引導學生各抒己長，增強學生的自信心，激發其發散思維，以促進學生的全面發展。

3.3 實訓提能

“實踐是檢驗真理的唯一標準”。學生的實踐能力是“新工科”人才必備的基本能力之一。模電課程的知識、技術必須和實踐有效結合，才能讓學生真正理解和學會應用相關的教學內容[15]。因此，教學過程中，必須加大學生的實踐環節，提高其動手操作能力。

3.3.1 調整課時分配，加強實驗教學

在課程教學學時固定的情況下，適當減少課堂教學的學時量，而增加實驗教學的學時量。如當模電總課時為60學時時，傳統的分配方法為：課堂教學44學時，實驗教學16學時。現調整課時比例后，設置課堂教學30學時，實驗教學30學時。課堂教學中的部分非核心的教學內容可以讓學生自學，通過調研報告、作業等方式考察學生的學習效果。大幅度提高設計性、綜合性實驗比例，并增設企業合作課題。另外，引入Multisim仿真軟件，與課程教學相結合，不僅可以使課堂教學中的抽象理論變得形象、直觀，也能加強學生對實驗教學中的電路原理、元器件選型和電路性能的理解，為課程的課堂教學和實驗教學搭起一座橋梁，大大提高教學效果。

3.3.2 增設開放性教學，改善實驗教學方法

中國地質大學（武漢）自動化學院于2018年聯合企業建立了相應的智能化專業實驗室。此實驗室以常用的示波器、函數信號發生器、穩壓電源和萬用表為主體，配備有無線網卡、智能插座、視頻監控和門禁等，將整個實驗室的硬件設施整合成一個基于互聯網的智能化管理平臺。這種現代化的環境，為實施開放性教學提供了可行性。

依托基于互聯網的智能化管理平臺，破除課內與課外的邊界，完成實驗教學從“集中課堂”到“開放課堂”的轉變。不僅推行實驗室的時間開放和空間開放，也推行實驗內容的開放和實施方法的創新，以及實驗設備的監管及開放數據的采集。讓學生進行實時預約和安全規則等方面的自主管理，根據不同的學習需求，完成學習目標的確定和實驗效果的驗收。同時，建立QQ群和微信群等社群，保證師生隨時隨地進行教學互動。

3.4 以賽促教

學科競賽是一種群眾性科技活動，與相關專業的課程體系、內容改革密切結合。它可以培養大學生的創新思維、實踐動手能力和團隊意識，激發大學生對電子技術的愛好，提高學生的競爭力。模電課程的實驗教學強調創新和綜合工程的設計應用。“新工科”背景下的實驗教學要借助學科競賽平臺，達到“以賽促教、以賽促改、賽教融合”的效果。

3.4.1 以競賽為標準，內化教學新理念

調研電子信息類學科競賽在國家、企業中的認可度，篩選出具有教學價值、符合學情的大型比賽項目，如全國大學生電子設計競賽（簡稱“電賽”）。以此競賽的比賽形式和模擬類賽題知識點為標準，設計教學實踐案例，調整教學內容，豐富教學活動。

設計實踐案例時，考慮其是否符合本課程的教學大綱及學生的認知水平，保證案例能調動學生的學習積極性。當一個案例涉及知識點過多時，可以將其分解為多個子案例，通過子案例將相應知識點串聯起來，達到融會貫通的目的。電賽的比賽形式采取的是每組3名學生自由組合，分工協作。在教學活動中，即采取3人一組的合作方式。引導有共同學習興趣的學生一同討論學習，提高學習效率。

如針對某個子案例，可以設置一場3人一組的口頭匯報活動。在這個教學活動中，學生從傳統課堂上的“觀眾”變成了參與教學活動的“演員”;教師則從傳統講臺上的“演員”變成了控制此活動的“導演”及評判學生學習效果的“評委”。通過這種方式給學生一定的壓力，增強其學習主動性和積極性，充分體會到獲得知識的樂趣、途徑和方法。

3.4.2 以競賽為載體，鼓勵學生參賽

依托電賽，鼓勵能力稍強或有興趣創新創業的學生參賽。此競賽要求學生在任務的驅動下，完成方案設計和實物制作。以2020年湖北省大學生電子設計競賽E題“放大器非線性失真研究裝置”為例。此題目要求利用晶體管、阻容元件、模擬開關等元器件設計并實現一個受控晶體管放大器裝置，并使其能夠輸出的各種失真或無明顯失真的信號。從任務可以看出，此題涉及到共射極放大電路的設計、出現飽和失真、截止失真的原因、交越失真的產生等多個知識點，命題方向與模電課程結合緊密。

此參賽過程實際是一個不斷迭代的學習過程[16]。學生首先研究賽題的任務需求，確定最終目標為設計制作一個受控晶體管放大器裝置。之后結合理論教學中所學的相關知識點，設計共射極放大電路及其靜態工作點的調節方案，并完成相關元器件參數的計算。確定方案后，組員分工協作，完成電路仿真、硬件制作、程序編寫和系統調試，并按照賽題要求測試作品指標。為了得到更好的測試指標，需不停迭代硬軟件，擴展人機交互界面，完善作品。當競賽結束后，對賽題作進一步分析總結，記錄設計過程中出現的問題和解決方法，并寫下自己的心得體會，為再次完善作品提供新的思路。此參賽經歷是學生不斷發現問題、解決問題的過程，對其將來步入社會、參加工作崗位或從事創業都有著深刻的影響，具體過程如圖6所示。

4 教學效果

模電課程教學改革后，通過“產教融合”和“因材施教”，使得教學內容與學生的接收能力更吻合，學生能聽懂、會應用，在適合自己的實驗案例中找到了自信。“實訓提能”的教學方式，提高了學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力。在大多數教學活動中，學生分組討論，互動性好，科創氛圍和整體學風良好。基礎較差的學生能跟上教學進度，基礎較好的學生也有了進一步提高和創新的空間，這使得最終考核的綜合成績大幅度提高。學生對此課程的評價較高。他們認為，通過此課程的學習，不僅提高了實踐動手能力和創新能力，而且培養了團隊合作、競爭意識和自我進取精神。“以賽促教”的教學手段，使得學生參加科創實踐活動的積極性較2017年以前有大幅度提高。近3年來，中國地質大學（武漢）自動化學院的本科生累計在大學生電子設計競賽、大學生智能汽車競賽中獲得國家級獎項14項，省級獎項63項，在科技創新項目中立項163項，申請發明專利、實用新型專利及軟件著作權84項，成果頗豐（如表2所示）。

5 總結

本文以電子信息類專業的人才培養為主線，根據“新工科”人才培養目標，探究模電課程的教學改革方案。通過實施“產-教-訓-賽”四位一體的多元化教學模式，實現產教融合、因材施教、以訓提能、以賽促教等方面的有機結合，增強學生的實踐創新能力。在教學過程中，強調“以學生為中心”“開放型教學”和“多元任務”，激發學生的學習潛能，培養學生搜集和處理信息的能力、分析和解決問題的能力、總結交流和團隊合作的能力，達到提升課程教學效果的目的。此模式的構建，能有效地提升學生的專業技能、工程實踐能力和綜合素質，培養出的學生在讀研和就業中也得到了高校和企業的青睞。

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[責任編輯：鄭筆耕]