基于STEM教育理念的電子電路課程教學(xué)改革研究

葛微，詹偉達(dá)，唐雁峰，郝子強，李銳，嵇曉強

（長春理工大學(xué)，吉林 長春 130033）

0 引言

信息技術(shù)時代，信息的產(chǎn)生、存儲和處理等過程均由電子電路完成，電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展對電子行業(yè)創(chuàng)造性人才的培養(yǎng)提出了更高要求。本文結(jié)合作者的教學(xué)經(jīng)驗，深入研究了培育學(xué)生創(chuàng)造力的電子技術(shù)課程體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。課程是否適應(yīng)當(dāng)前學(xué)科發(fā)展水平和技術(shù)應(yīng)用狀況是教學(xué)改革研究的主要方向，電子電路課程教學(xué)是此類型人才培養(yǎng)的主要渠道，時代變革促使我們進(jìn)行電子電路教學(xué)改革[1]。

1 傳統(tǒng)授課模式的現(xiàn)狀與問題

1.1 理論聯(lián)系實際不夠

中國高等學(xué)校電子類專業(yè)的特點是：以培養(yǎng)科技應(yīng)用型和高素質(zhì)技術(shù)型的專業(yè)人才為根本任務(wù)，以滿足社會需求為目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)與工作技能為主線，設(shè)計能夠提高學(xué)生的知識、能力、素養(yǎng)的教學(xué)方法。電路分析和模擬電路基礎(chǔ)是各個高校電子類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，兩個課程聯(lián)系很密切，屬于理論性與實踐性都很強的課程，是電子行業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)。但是在傳統(tǒng)的電子電路課程中，理論聯(lián)系實際的教學(xué)內(nèi)容還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而且關(guān)于操作技能與實踐運用部分的理論知識也講述得較少。此外，由于高校在實驗室建設(shè)上所支持的力量不足，實驗室設(shè)施也相對陳舊落后，無法為學(xué)校實驗及實訓(xùn)教學(xué)工作的開展創(chuàng)造一個優(yōu)越的實驗環(huán)境，由此導(dǎo)致了學(xué)生的“學(xué)”與“用”之間嚴(yán)重脫節(jié)。而傳統(tǒng)的電路分析與模擬電路基礎(chǔ)兩個課程相互獨立且在不同時間內(nèi)設(shè)置課程，也不利于將原本就一脈相承的知識體系進(jìn)行融會貫通，更不利于學(xué)生形成完整的電子系統(tǒng)概念。STEM教育理念強調(diào)綜合性、學(xué)科交叉與知識融合，培養(yǎng)學(xué)生解決問題、創(chuàng)新、跨界的能力所以引入STEM理念指導(dǎo)電子電路課程教學(xué)改革極具適切性[2]。

1.2 教學(xué)模式不當(dāng)

傳統(tǒng)的教學(xué)方法中，由于老師是整個教學(xué)活動的主導(dǎo)人，而學(xué)習(xí)者也只能被動地聽，將理論知識一成不變地按章節(jié)加以分配，因此教學(xué)結(jié)果也就只能由學(xué)習(xí)成績來決定，這不利于學(xué)生真正的學(xué)科素質(zhì)與學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。電子類專業(yè)教學(xué)目的是提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，成為適應(yīng)時代的行業(yè)人才，而課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的渠道，為順應(yīng)科技的快速發(fā)展，電路分析和模擬電路基礎(chǔ)課程改革迫在眉睫。

2 整合后的電子電路教學(xué)改革

2.1 教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)STEM教育理念中“元科學(xué)”的課程融合導(dǎo)向，展開電路分析和模擬電路課程的融合研究。首先，經(jīng)過充分調(diào)研，凝練電路分析的課程知識點，將課程核心知識點與模擬電路相融合，形成科學(xué)合理、相互支撐的多維知識結(jié)構(gòu)內(nèi)容，以項目或任務(wù)的形式展現(xiàn)。從實用入手，突破了傳統(tǒng)課程中按章節(jié)分類的方式，按照“從完成簡單工作任務(wù)到完成復(fù)雜工作任務(wù)”的基本能力養(yǎng)成法則，把有關(guān)知識點分成了學(xué)習(xí)性工作任務(wù)，把學(xué)習(xí)的知識點整合在工作任務(wù)中，任務(wù)中包含了哪些知識點就通過任務(wù)引入該知識點。注重器件外部特性和宏觀的設(shè)計應(yīng)用，將器件內(nèi)在機(jī)理和微觀細(xì)節(jié)內(nèi)涵列為次重點，與任務(wù)內(nèi)容無關(guān)的知識點置于知識擴(kuò)展部分，用于學(xué)生自修[3]。

2.2 教學(xué)方法

采取以工作任務(wù)為驅(qū)動的教學(xué)方法，將各知識點細(xì)分成各項任務(wù)工作，每項任務(wù)由工作任務(wù)目標(biāo)、工作任務(wù)解析、相應(yīng)知識點、任務(wù)實施和任務(wù)拓展五個相互貫通的部分組成。在任務(wù)執(zhí)行過程中，以學(xué)生為主體，以教師為輔助。基于STEM教學(xué)理念，使用五E教學(xué)方法，通過真實的工程項目環(huán)境，使學(xué)生通過協(xié)作的方式，以小組為單位開展研討和探究。在研究過程中，學(xué)生必須找到實際可行的技術(shù)去分析數(shù)據(jù)，并設(shè)計實驗和改進(jìn)解決方案，與此同時進(jìn)行交互研究，綜合應(yīng)用各學(xué)科知識，從而有效鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和實際問題解決能力，這與任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方式高度一致，更能提高學(xué)生綜合運用各科專業(yè)知識應(yīng)對現(xiàn)實問題的才能[4]。

2.3 教學(xué)場所

授課場地由傳統(tǒng)的理論課堂改為專用教室或?qū)嶒炇遥瑢Ｓ媒淌乙溆薪虒W(xué)工作臺、各類儀器儀表、電子電路工具箱和視頻投影等實驗設(shè)備和多媒體設(shè)施。在專業(yè)課堂中，學(xué)員分組開展學(xué)習(xí)、探討、發(fā)言、軟件仿真、電路搭建以及任務(wù)結(jié)題總結(jié)，這就需要學(xué)校在教學(xué)場地建設(shè)上予以全面支持。

2.4 成績評定

以往的電子電路學(xué)科的成績評價都是以理論知識考核為主，導(dǎo)致了很多學(xué)校都一味追求單純的理論知識掌握，卻忽略了學(xué)生動手能力的實際訓(xùn)練。在這樣成績評價方式下培養(yǎng)出來的學(xué)生大都是“高分低能”，并不能適應(yīng)現(xiàn)今社會對技術(shù)型人才的要求。為此，改革考核方式，從任務(wù)開始即嚴(yán)格按照其難易程度進(jìn)行評分，每項任務(wù)的評分都嚴(yán)格地根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)來給定，最后把各項工作任務(wù)的總分視為本課程的主要成績。

3 任務(wù)實例

以運算放大器的非線性應(yīng)用為例，來說明任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法的具體實施過程。

3.1 根據(jù)實驗提出任務(wù)

教師根據(jù)運算放大器的非線性應(yīng)用實驗，制定任務(wù)：利用運算放大器設(shè)計并實現(xiàn)電壓比較器和非正弦波發(fā)生器。要求學(xué)生：①使用multisim對設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，并根據(jù)任務(wù)設(shè)計指標(biāo)調(diào)試器件的基本參數(shù)；②根據(jù)仿真電路圖，完成實際硬件電路的搭建。

3.2 任務(wù)目標(biāo)

①進(jìn)一步了解運算放大器的非線性工作狀態(tài)；②逐步掌握運算放大器在開環(huán)和引入正反饋時的特點；③學(xué)會用運算放大器構(gòu)成電壓比較器，還有矩形波、三角波以及鋸齒波等非正弦波形發(fā)生器。

3.3 相關(guān)知識

任務(wù)中涉及到電子電路的相關(guān)知識，以學(xué)生為主體、具體任務(wù)為導(dǎo)向進(jìn)行學(xué)習(xí)，教師提供輔導(dǎo)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力。

此次任務(wù)涉及運算放大器非線性工作狀態(tài)相關(guān)知識。當(dāng)運算放大器處于開環(huán)或接入正反饋時，其傳輸特性為非線性，工作于非線性狀態(tài)。在非線性工作區(qū)，其輸出為正向飽和狀態(tài)或負(fù)向飽和狀態(tài)，即構(gòu)成電壓比較器。而比較器是非正弦波形發(fā)生器的重要組成部分。常見的電壓比較器有過零比較器和遲滯比較器等，常見的非正弦波發(fā)生器有方波、三角波和鋸齒波發(fā)生器等[5]。

此外，運算放大器除構(gòu)成波形產(chǎn)生電路外，還可通過電路的運算功能實現(xiàn)不同波形的轉(zhuǎn)換，組成波形變換電路。如通過調(diào)整電路元件參數(shù)和結(jié)構(gòu)，改變矩形波的占空比，得到方波；對矩形波積分得到鋸齒波；對方波積分得到三角波等。

3.4 任務(wù)分析

任務(wù)分析過程也以學(xué)生為主，教師為輔。先將班級學(xué)生進(jìn)行分類，并以分組的形式討論運算放大器非線性應(yīng)用的工作原理，接著由各組選派一名學(xué)生代表上臺解說，最后由老師對整個過程進(jìn)行分析和講解，指出學(xué)生的不足，指導(dǎo)其進(jìn)行改進(jìn)。針對本任務(wù)模擬電路的分析，應(yīng)當(dāng)注意哪些問題，需要一一列舉，并進(jìn)行著重講解，做到通過實驗的方式加深對相應(yīng)知識點的理解。

3.5 任務(wù)實施

完成此項任務(wù)所需設(shè)備：雙路穩(wěn)壓電源一臺，示波器一臺，數(shù)字萬用表一臺，μA741集成運算放大器2塊，定值電阻若干，電容若干，雙向穩(wěn)壓管2只，100K電位器2只。

任務(wù)實施完全由學(xué)生完成。此項任務(wù)需要學(xué)生完成三個工作：①設(shè)計一個單門限電壓比較器，要求閾值電壓為-3V，在輸入端加入正、負(fù)直流電壓，完成輸入、輸出電壓的測試，并自擬表格，繪制其電壓傳輸特性曲線；②自行設(shè)計一個同相滯回比較器的電路，進(jìn)行閾值電壓理論計算，完成輸入、輸出電壓的測試，并自擬表格，繪制其電壓傳輸特性曲線；③設(shè)計一個頻率為100Hz至1kHz、可連續(xù)調(diào)節(jié)、輸出幅值為6V的方波發(fā)生器，并測試其輸出波形高、低電平的周期值。以上三項均在實驗室完成其調(diào)試過程。

4 結(jié)語

本文討論了以STEM為理念指導(dǎo)的電子電路課程教學(xué)改革，改進(jìn)了相應(yīng)的教學(xué)方法，增加了綜合設(shè)計性實驗的比重。強調(diào)設(shè)計性與綜合性實踐以培養(yǎng)學(xué)生處理工程問題的能力，根據(jù)STEM教學(xué)理念中“做中學(xué)”的實踐培養(yǎng)導(dǎo)向，將電子電路課程結(jié)構(gòu)拆分為各項目模塊，每一個項目就是一個綜合性質(zhì)的實驗項目，項目下劃分的任務(wù)模塊則為實踐型學(xué)習(xí)任務(wù)。這種實踐和理論結(jié)合的“做中學(xué)”的教學(xué)方式，既培養(yǎng)了學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)能力，又鍛煉了其實踐動手能力，提高了學(xué)生解決工程問題的能力。綜上所述，希望本文的研究能為培養(yǎng)符合時代要求的電子行業(yè)創(chuàng)新人才做出貢獻(xiàn)。