基于新工科電子技術實驗課程的學生能力培養研究

謝洪途 鄒鵬 謝愷 呼嘯 姜新橋 王國倩

摘? 要：電子技術實驗是一門重要的電子信息類基礎實踐課程，在工程實踐類人才的培養上發揮著舉足輕重的作用。文章結合目前我國大力發展新工科建設的需求，探討傳統類型電子技術類實驗課程存在的問題，提出分拆校企合作或在目前正熱門的實際課題中的電子技術類相關模塊進行實驗選題，要求學生在課前使用虛擬仿真軟件對實驗任務進行模擬仿真并完成所布置的設計類任務，再在線下實際課程中完成實體電路實驗的培養模式，從而達到培養學生設計性思維、鍛煉學生動手能力和鞏固理論教學所學知識的目的。

關鍵詞：電子技術實驗;新工科;能力培養;虛擬仿真教學;自主設計;科教結合

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）06-0076-04

Abstract： Electronic Technology Experiment is an important basic practical course of electronic information， which plays an important role in the training of engineering practical talents. Combining the demand of developing new engineering construction in our country， this paper discusses the existing problems in the traditional type electronic technology experiment course， puts forward the spin-off university-enterprise cooperation， and selects the experimental topics fromthe modules related to electronic technology in current hot practical subjects. Students are required to use virtual simulation software to simulate the experimental tasks and complete the assigned design tasks before class. Then the training mode of solid circuit experiment is completed in offline practical courses， so as to train students' designing thinking， exercise their hands-on ability and consolidate the knowledge learned in theoretical teaching.

Keywords： Electronic Technology Experiment; the new engineering; ability cultivation; virtual simulation teaching; independent design; the combination of science and education

隨著歷史的車輪不斷向前滾動，我國綜合國力及教育水平得到了極大的發展。在創新驅動發展理念愈發明顯的國際大環境下，第四次工業革命的展開速度正以指數形式快速增長。隨著現代計算機的計算力不斷增強及數據傳輸技術的不斷完善，人工智能技術的發展也在不斷深入。在此背景下教育部推出了“復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”[1-3]，為我國新工科建設定下人才培養新基調，為各大高校相關專業的人才培養提出新目標，開拓并探索了工程教育改革新路徑。

與此同時，我國正不斷完善“中國制造2025”、“網絡強國”等相關行動綱領，推進“互聯網+”行動、國家大數據戰略和“一帶一路”倡議等，“工業4.0”的概念逐漸深入人心。但是近年來高校培養的專業人才數量不足，培養過程中學生缺乏足夠的技術性訓練，所學內容與產業脫節情況較為嚴重。因此，當下新技術與傳統工業技術緊密結合且高速發展的行業（諸如大數據、云計算、機器人等）面臨著較大的行業缺口，而現行的教育模式又不能使培養的學生很好地匹配業界工程化實踐需求，學生處理實際工程項目的能力尚有欠缺，與我國目前正大力推崇的以“提升學生創新創業能力”為目標的高等工程類教育不太相符。

一、新工科電子技術實驗教學培養需求

近年來隨著高等院校不斷擴招，高等教育大眾化的趨勢愈發明顯，我國高等院校的培養模式也逐漸從精英教育向大眾教育轉變。目前，以新工科為代表的新興技術及多學科交叉融合的發展規律也表明社會對于專業技術人才的需求愈發多元化。同時，電子信息及相關工科類學生在畢業后無論是升學還是就業所研究的課題通常都具有很強的應用背景，亦或是需要解決一個實際工程上的科學問題，“厚基礎、寬口徑”的培養方式便成為各高等院校工程類專業的首選。而電子技術類課程包含大量的理論理解和推導計算，與實際應用的聯系不密切，所學內容較為抽象，盡管目前線下線上教學同步結合的翻轉課堂模式有助于學生對概念的理解[4-5]，但學生依然易于陷入概念的理解和公式的推導而不知道實際工程中應當解決的是什么問題，更不知道在一個工程類項目中應如何結合自身所學知識對目標任務進行解決和優化。有學者將理論與實踐結合，將項目教學法作為一種新型教學模式應用于教學中[6]，與此同時，注重培養學生的探索能力及創新性思維十分重要，這就要求教師在課程規劃時應當更注重過程性評價[7]，并在制定整體評價標準時考慮到課前任務的驗收，細致了解每個組員所對應的任務，保證每個學生都能很好地參與實驗。

作為電子信息類專業及部分非電子類專業的核心實踐類課程，電子技術實驗是一門要求學生深入理解電子技術中數字電路和模擬電路的基本概念、基本原理和基本分析方法，并對理論知識進一步深化掌握和鞏固的課程。其中，實驗是學習電子技術的一個重要環節，能夠鞏固和加深理論課程中的教學內容，提高學生實際動手能力，培養科學的研究思維，樹立嚴謹的科研作風，建立完整的知識體系，對學習后續課程、從事實踐技術工作及相關學術研究具有重要作用[8]。因此，需要突出學習過程中的實踐與研究活動的融合。結合工科教學特色，在傳統的以若干個項目實驗為教學內容基礎上增加自主設計部分，循序漸進從易到難，既培養學生獨立思考的能力，將課堂實踐與后期所要面對的科研任務相結合，又能促進學生對知識進行回顧，并積累設計類實踐任務的經驗，同時還可以結合目前較新的科研競賽試題為學生進行分拆講解[9]，鼓勵學生結合自身情況接觸實際科研任務。也可參考國外高校的實驗類課程安排，在結課考核時不僅僅只是收取實驗報告，還要對設計所得電子系統的功能和性能進行考察[10]。本文所提出的電子技術實驗的課程安排如圖1所示。

二、新工科電子技術實驗教學改革實踐

以集成運放基本應用之一的模擬運算放大器設計實驗為例，集成運算放大電路是一種高性能的直接耦合多級放大電路。除了常見的加法和乘法外，其可在與不同元器件組成負反饋電路或輸入時形成不同的線性及非線性函數特性，比較常見的還有積分、微分、對數、指數等模擬運算電路。實驗中，如圖2所示，給出難度較低但十分重要的反向比例運算電路、同向比例運算電路的電路原理圖，要求學生在預習階段通過諸如Multisim等EDA軟件進行模擬仿真，增加對實驗原理的理解及相關知識點的掌握。

傳統的電子技術類實驗課更像是一種程序式任務，學生根據實驗書籍對器件進行連接，按照要求測定相關儀器讀數并完成相關分析即可，使得部分學生在實驗過程中甚至不明白自己究竟在干什么，每一步究竟是為了什么，所得參數究竟代表什么，在課后寫實驗報告時才會結合以往所學知識對數據進行回憶式分析，而實驗進程中出現的問題則會忽略，達不到實驗課程預期的培養效果。同時，這種課程設計方式容易造成與理論課程相分離，在理論課程學習中得不到有效的實踐，實驗課程中又無法對理論進行有效的回顧，使得教學情況達不到預期效果。

虛擬仿真軟件對于電子類專業的科研及工作都有著很深遠的影響和幫助，電子技術類實驗課程可以適當增加仿真類設計任務作為線下實驗的準備工作，既加強了學生對于理論知識的回顧理解，又能讓學生提前體會到電路設計實際工作的相關過程，同時增進學生的團隊合作意識。在實驗任務的布置中，要求學生根據給定的基礎實驗原理圖，自行設計難度較大的反向加法運算電路和電壓跟隨器（圖3），或在分組進行實驗的課程中增加差分放大電路和積分運算電路（圖3）的設計任務供學生自行組內分配。這樣既能增強學生對于知識的理解，又不會因為難度較大擠占學生們過多的時間，同時增加學生們對于EDA軟件的熟悉程度，便于在未來更好地開展科研工作。此外，應鼓勵學生課后更多地參與到實際科研工作中，鼓勵學生參加科研競賽、進實驗室接觸實際課題，教師在授課時也可主動結合當下比較新穎的競賽試題為學生拆分講解，幫助學生構建知識體系框架，更好地理解工程實踐，實現知識交叉融合，開闊科研視野。

此外，校企結合的選題模式應予以鼓勵實施，在本就以設計類任務為主的期中和期末課程設計考核時，導師可從自身與企業合作項目中尋找方向，根據授課學生能力情況擬定設計題目，并根據實際情況對試題不斷更新。諸如，可讓學生完成一個音頻功率放大器或簡易無線遙控系統等有著實際應用場景的設計類任務。現以2019年全國大學生電子設計競賽F題紙張計數測量電路為例，如圖4所示。該綜合類題目對于學生來說自然是有一定難度的，但老師可以將該試題分解為若干模塊后為學生們大致講解各個模塊間的協同邏輯及涉及學科，并將類似于信號放大模塊、D/A輸入模塊、顯示模塊和電源模塊等電子技術實驗相關部分拆解后分給不同的小組進行實驗設計。圖5為該試題中可用于小信號放大的模塊電路圖，學有余力的學生也可根據題目背景對小組所選題目進行一定的功能性優化，并對整體架構提出自己的建議和看法。

三、結束語

目前新工科發展趨勢火熱，高等院校的培養方式愈發轉向以社會需求為導向，在此背景下，我國對于人才需求多樣化、知識結構交叉化的特點更加突出，本科生教育及研究生教育也更加注重理論聯系實際。電子技術實驗課程作為引導學生將理論課程所學知識與實際工程所需相結合、更好地構建工程設計性思維的骨干類實踐課程，其所承擔的構建學生知識及實踐框架的教學任務也更加突出。

通過對所布置實驗任務的優化，引導學生通過虛擬仿真軟件對實驗原理圖進行仿真，實驗前便對整個實驗體系進行整體性了解，并通過設計類任務引導學生們自主學習并仿真設計。在期中和期末課程設計任務中加入校企合作類項目或與實際關聯緊密的題目，幫助學生更加全面系統地認識何謂工程，有利于引領學生提前適應未來工作及科研的學習方式。從本質上認識工程類專業在具體實踐中究竟應該如何工作，提升學生的綜合能力。

參考文獻：

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