模擬電子技術課程培養工程師文化的探索與實踐

楊成林

摘要：現代工程師文化的核心元素是熱愛創造、善用工具、工程思維、目標導向、團隊協作。模擬電子技術作為通信工程專業學生所接觸到的第一門工程性較強的專業基礎課，是完成工程師文化、思維啟蒙的最佳載體。結合模擬電子技術的課程目標和當前教學過程中存在的問題，通過工程近似法融入教學、問題驅動式課堂教學、以產品為載體項目化教學、打造開放式實驗環境四個方面改進教學過程，塑造工程師文化，為培養現代工程師人才打下基礎。

關鍵詞：工程師文化；模擬電子技術；工程近似；問題驅動；項目化教學

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）27-0178-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

現代工程師的培養絕不是孤立單純的知識和技能教育，還需要工程思維和文化的培養，二者是相互融合、相輔相成的關系。近現代工程技術的發展史表明，其不斷前進的內生動力，凝聚著歷代工程師們的特定思維方式和核心價值觀，它的內涵沉淀出了厚重的工程師文化[1]。這種文化的核心就是熱愛創造、善用工具、工程思維、目標導向、團隊協作。

模擬電子技術（以下簡稱模電）課程作為通信工程專業重要的專業基礎課，具有很強的工程性、實踐性和系統性[2]，在電子工程技術人才培養方案中，占有十分重要的地位。它的教學目標是培養學生掌握模擬電子電路的基本設計理念、基本方法；培養學生熟練使用電子儀器、設備，分析問題和解決問題的能力；培養具有工程實踐技能，工程思維和職業素養，能在通信工程領域解決問題和有所創新的應用型工程技術人才。

作為通信工程專業學生所接觸到的第一門工程性較強的專業基礎課，學生在模電中第一次接觸非線性電路，因而模電課程是完成工程師文化、思維啟蒙的最佳載體。而且目前模電教學過程中，存在：缺失工程思維導致畏懼復雜電路、缺乏目標導向理念導致無法應用知識、缺少團隊合作意識和方法導致無法應對實際工程項目、缺乏對元器件、工具、儀器熟練使用度導致創造力不足等問題，亟需通過改變教學方法及手段等方式，補齊工程師文化短板，帶動知識、技能教育共同進步，從而達到模電的教學目標，培育合格的應用型工程技術人才。

問題的具體形式表現如下：

1）學生工程思維尚未建立。大多數學生延續中學學習方法，習慣線性思維模式，注重嚴格的理論分析及公式推導，缺乏工程近似估算理念。不善于從工程的角度思處理問題，把握主要的物理特性和電路規律，對復雜的非線性電路望而生畏。

2）知識灌輸型教學方法造成學用分離。傳統“滿堂灌、填鴨式”教學方法，強制學生與抽象的知識直接發生關系，學生被動學習，缺乏獨立思考，不但難于激活學習動機，也不利于培養學生運用知識解決實際工程問題能力[3]。

3）實踐教學載體脫離工程實際。傳統的實驗內容單一，多數只涉及一個基礎型電路，但實際的工程項目卻是多個電路模塊的系統組合。導致學生分工協作搭建、制作實際電路產品的綜合能力得不到訓練，難以應對實際工程項目。

4）缺少提供學生綜合使用電子儀器與工具的開放式實驗環境。目前模電實驗室設備大多為固定的實驗箱、實驗板，且實驗模式固化單一，學生并不能自由改變參數或者完成設計性實驗。不利于培養學生熟練使用儀器和自主創新的能力。

為此，本文嘗試從以下四個方面改進模電教學過程，塑造工程師文化，為培養現代工程師人才打下基礎。

1 工程近似法融入教學，培養工程思維模式

模電是一門技術，而非純理論，具有較強的工程性，因此需要引導學生，不要沉迷于晦澀的數學推導，而更應該以工程的角度去處理電路問題。實際工程中，在滿足基本性能指標的前提下會容許存在一定的誤差范圍，那么根據實際情況，可在誤差允許的范圍內對器件的數學模型合理地近似。要善于抓住器件和電路的主要特性進行定性分析和實踐應用[2]。“抓主要矛盾，簡化電路分析”，建立工程思維，可以采用簡單有效的方案解決復雜問題。

縱觀模電課程，工程近似法的應用貫穿始終，及時引導學生建立正確的思維方式，會讓學生不被非線性電路的復雜表象欺騙，產生畏難情緒，也會讓學習效率事半功倍。

例如在分析含有晶體管的基本放大電路時，雖然由于半導體材料的非線性及溫度敏感特性，導致由其組成的電路分析過程復雜。但可以針對小信號（即誤差允許的范圍內），建立微變等效電路模型，將非線性電路轉化為線性電路，利用線性電路理論知識分析問題。但是對于深度負反饋放大電路的分析，如果還是采用微變等效電路進行計算閉環電壓放大倍數，卻會變得很復雜。而如果根據深度負反饋的條件（開環放大倍數A很高）做一個[Xi≈Xf]（輸入量≈反饋量）的近似，閉環增益的求解便會迎刃而解。同樣的，對集成運算放大器的運算，如果將集成運放近似成理想集成運放，根據其工作在線性區的條件，得出“虛短”和“虛斷”的條件，會讓集成運算電路的分析大大簡化。

工程思維的培養可以幫助學生更好地掌握模電的理論知識，更長遠的意義在于，培養抓主要矛盾的科學觀和化繁為簡的人生智慧，進入社會能以工程思路解決作戰難題。

2 問題驅動式課堂教學，培養目標導向理念

問題驅動式教學是反轉課堂教學設計，老師設計、設定目標，經過問題分解，串聯起知識點；學生經問題驅動，自主思考和探索，并通過生生、師生互動，一步步解決問題、實現目標，同時收獲知識。這樣，告別傳統的以知識為主線，而以問題為主線，變被動學習為主動學習，培養學生分析、解決問題的能力和目標導向理念，幫助從學生到工程師的轉型。

在問題驅動式教學方法中，關鍵的步驟包括：目標的設定、問題的設計、問題的引導、問題的解決等多個層面[4]。其中，目標的設定需要考慮既與生活實際相關，又與學生知識儲備匹配，能吸引學生的注意力，也能激發學生自主探索；問題的設計要能將目標化整為零，由淺入深，指引學生層層深入，實現目標；問題的引導，需要借助討論、互動等手段，在合適的時間拋出問題、引導分析，把握正確的解題方向和課堂節奏；問題的解決需要讓學生自己提出解決問題的方案，創造交流討論的環境，鼓勵提出不同的觀點和新問題。

例如，在共射放大電路課程設計時，以“搭建一個共射放大電路”為目標，通過預設條件，將目標分解為4個環環相扣的問題，引導學生自己尋找解決方案，最終實現目標。圖1為問題驅動下的共射放大電路演進圖。

相比于傳統的模電教學，以目標為導向的教學，由于電路的設計都是學生自己完成，對電路的掌握程度更高。同時，以目標為導向、以問題為驅動的教學能培養學生面對真實工程問題時的“解題指導思想”，培養會解決問題的合格工程師。

3 以產品為載體項目化教學，培養團隊協作精神

為了培養與時代接軌的工程師人才，增強學生團隊協作的意識，嘗試以產品為載體的項目化教學方法。即以現實生活中或者實際工程中常見的電子產品為載體，將課程分為若干教學項目，每個教學項目要求通過設計、組裝、焊接、調試，完成一個具體的、可視的作品[5]。每個項目又分解為若干教學模塊，每個模塊由一位同學負責，通過各個模塊的設計調試，模塊與模塊間的對接，模塊與整體間的協調測試，最終組成一個完成的產品。在制作產品的過程中，既鍛煉學生目標導向，解決問題的能力，又培養學生團隊協作的精神。

以音頻功率放大器項目為例，組建項目團隊。各個小組成員根據項目系統結構框圖（圖2）進行分工：1名成員擔任項目經理，承擔團隊的組織協調工作；4名成員分別承擔1個模塊的設計開發任務。團隊成員之間的協作體現在：各子模塊之間需要聯調對接，上一級的輸出滿足下一級的輸入要求；并且子模塊功能服務于產品整體目標，根據整體目標隨時調整。

以產品為載體項目化教學，模擬真實的工程項目運作方式和流程，通過一個團隊共同實施一個完整的項目，可初步形成項目制的工程意識和分工協作的團隊合作精神；項目化教學也進一步鍛煉了學生目標導向以及解決問題的能力；同時，通過具體電子產品的產出，讓學生體會到工程師的自豪感，激發創新、創造熱情。

4 打造開放式實驗環境，引導熱愛工具和創造

1）建造開放式實驗臺，幫助學生熟悉基本儀器。實驗臺配置通用電路插板，定制電路板。實驗元件可以電路板上任意拼插組成實驗電路，而不需要焊接電路。使用實驗臺可以大大減少電路焊接的時間，規避電路接錯的風險，方便學生搭建簡單電路熟悉基本工具的主要技術指標、性能及正確使用方法。

2）配備常用元件和設備，支持學生自主設計產品。實驗室配置齊全的基本元器件、器材，基本儀器和常用設備工具，在學生通過仿真軟件完成設計、制板后，可以焊接完成電路進行測試及調試。

3）增加實驗室開放時間，打造“創新之家”。建立“誰在誰管理”的實驗室管理制度，加強對使用者的安全培訓、管理制度培訓，打造12小時開放實驗室，為愛創造的學生提供家一樣的支持[8]。

由于模電強實踐性的特點，它的創新離不開實驗室硬件的支撐和實驗室氛圍的營造。打造開放式實驗環境，有利于培養學生拿起工具改造世界的熱情和能力。

5 結語

在傳統的模電教學過程中，教師容易局限于培養知識能力和專業技能的“硬實力”，而往往忽視了培養學生的工程思維模式、職業素養、文化素質的“軟實力”。如今，軟實力逐漸上升為核心競爭力，而且軟實力對硬實力的提升也有積極的作用。創造世界、改造世界是工程師的使命，立德樹人是教育的使命。模電在塑造工程師文化，提升工程師人才的軟實力，培育合格的現代工程師的路上，任重而道遠。

參考文獻：

[1] 唐林軒，黃俊偉，謝騏，等.“卓越工程師教育培養計劃”背景下工程專業文化精神滲透的研究[J].湖南工程學院學報（社會科學版），2011，21（4）：119-121，126.

[2] 陳兆龍，楊秀，許昌滿.地方高校“模擬電子技術”教與學探析[J].巢湖學院學報，2020，22（3）：157-164.

[3] 陳軍波，周慧，楊丹丹，等.新工科背景下“模擬電子技術”課程教學改革探索[J].電氣電子教學學報，2020，42（3）：41-44，48.

[4] 羅桂娥，毛先柏，劉獻如.基于問題驅動的模擬電子技術教學模式研究[J].文化創新比較研究，2020，4（16）：34-36.

[5] 張耀鋒.以電子產品為載體的模擬電子技術教學改革[J].邢臺職業技術學院學報，2020，37（4）：12-15，18.

【通聯編輯：李雅琪】