基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程教學(xué)改革*

藍海江 曾玉菊 韋榮昌 （廣西科技師范學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院）

《普通高等學(xué)校本科專業(yè)類教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，電子技術(shù)是電子信息類及電氣類等專業(yè)的核心課程。該課程理論緊密聯(lián)系實踐，具有承前啟后的作用。[1]在新工科建設(shè)背景下，為了培養(yǎng)符合新時代要求的專業(yè)技術(shù)人才，與時俱進地對該課程的教學(xué)進行改革勢在必行。近年來出現(xiàn)了線上線下混合式新型教學(xué)體系和教學(xué)模式改革，[2]以及工程能力與科研能力并重的人才培養(yǎng)模式改革，[3]融合EDA 技術(shù)[4]也是該課程教學(xué)改革的熱點。

地方應(yīng)用型本科院校重在“應(yīng)用”二字。相對而言地方應(yīng)用型本科院校學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)偏弱，其相關(guān)專業(yè)中電子技術(shù)課程的課時普遍偏少。在此背景下，筆者在多年教學(xué)實踐及改革探索的基礎(chǔ)上，總結(jié)形成了理論、仿真、實踐“三融合”理念，并以該理念為載體積極地對電子技術(shù)課程教學(xué)進行了系列教學(xué)改革。教學(xué)實踐表明，基于“三融合”理念的教學(xué)改革符合新工科建設(shè)理念，改革之后該課程的教學(xué)效率和質(zhì)量明顯提高。

一、電子技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀

在課時偏少的背景下，傳統(tǒng)的電子技術(shù)課程教學(xué)存在諸多不足，其主要如下：第一，教學(xué)方式單一。在理論教學(xué)中，許多教師的教學(xué)方式是“PPT 課件+板書”，少用或者不用仿真軟件工具進行輔助教學(xué)，使學(xué)生難以理解抽象的電子技術(shù)理論知識。在實驗教學(xué)中，許多教師的教學(xué)方式是先講解實驗原理或設(shè)計思路，然后進行實驗演示。學(xué)生只需按照指導(dǎo)書上的步驟進行操作即可完成實驗，不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程技能和設(shè)計能力。[5]第二，教學(xué)內(nèi)容陳舊。該課程的教學(xué)還存在教學(xué)內(nèi)容陳舊以及新技術(shù)、新器件、新知識不能充分體現(xiàn)等問題。[6]比如在實驗教學(xué)中，許多教師采用實驗箱或評估板來完成一些傳統(tǒng)的驗證性或小設(shè)計實驗，這些器材難以滿足綜合性或創(chuàng)新性實驗教學(xué)要求。第三，評價模式單一。比如該課程的實驗教學(xué)評價，多數(shù)教師采用“測量結(jié)果+實驗報告”或“實驗報告+期末考核”等模式。[7]這種重結(jié)果輕過程的評價模式忽視了教學(xué)過程，會讓許多學(xué)生只重視實驗報告的書寫而輕視實驗的操作過程，致使學(xué)生的實驗參與度和積極性不高。

這些不足，與新工科建設(shè)“天大行動”提出的“問學(xué)生志趣變方法”相違背，不符合新工科建設(shè)“復(fù)旦共識”提出的“新工科建設(shè)需要加強研究和實踐”的要求。因此，對該課程的教學(xué)進行改革勢在必行。

二、理論、仿真、實踐“三融合”理念

“理論、仿真、實踐‘三融合’電子技術(shù)課程教學(xué)改革的研究與實踐”，是廣西高等教育本科教學(xué)改革工程重點項目。近年來，項目組成員積極進行項目的研究與實踐，總結(jié)形成的理論、仿真、實踐“三融合”關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 理論、仿真、實踐“三融合”關(guān)系

圖1 的融合關(guān)系是“三融合”理念的基礎(chǔ)。理論與實踐的融合，即利用理論知識指導(dǎo)實踐電路設(shè)計，并通過實踐過程及結(jié)論驗證理論知識的內(nèi)涵；理論與仿真的融合，即利用理論知識指導(dǎo)仿真電路設(shè)計，并通過仿真過程及結(jié)論呈現(xiàn)理論知識的內(nèi)涵；實踐與仿真的融合，即首先利用仿真軟件設(shè)計實踐電路并模擬電路的工作過程及結(jié)果，然后依據(jù)仿真設(shè)計搭建實物電路并通過實踐驗證電路是否符合設(shè)計要求。

歷經(jīng)多年研究與實踐，項目組總結(jié)形成的理論、仿真、實踐“三融合”的核心理念是：以提高教學(xué)效率和質(zhì)量為目標(biāo)，以深度融合仿真技術(shù)為手段，利用仿真展現(xiàn)理論內(nèi)涵，突出重點、破解難點，遵循“先仿真、后實驗”原則，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維。

三、基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程理論教學(xué)改革探索

（一）基于“三融合”理念整合理論教學(xué)內(nèi)容

在電子信息化、智能化時代，電子技術(shù)課程所涉及的內(nèi)容千變?nèi)f化、日新月異。在電子技術(shù)課程課時偏少、學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)偏弱的背景下，特別是在新工科建設(shè)的背景下，基于“三融合”理念整合教學(xué)內(nèi)容尤為重要。整合后的電子技術(shù)課程理論教學(xué)內(nèi)容，應(yīng)切合學(xué)生及其專業(yè)特點實際，應(yīng)具有應(yīng)用性及前沿性，并符合培養(yǎng)應(yīng)用型人才要求。整合教學(xué)內(nèi)容之后是精選優(yōu)秀教材。精選的教材應(yīng)具備先進性、科學(xué)性及適用性。基于“三融合”理念精選的教材，還應(yīng)符合以下兩個特點：一是教材的主要內(nèi)容應(yīng)符合地方應(yīng)用型本科院校學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)水平，二是教材中的邏輯符號圖及函數(shù)表達式等應(yīng)符合仿真軟件的語言表達規(guī)則。

（二）理論教學(xué)與仿真技術(shù)深度融合的措施

新工科建設(shè)“北京指南”指出，應(yīng)積極“推進信息技術(shù)與工程教育深度融合”。仿真軟件是電子技術(shù)課程教學(xué)的好助手。在理論教學(xué)中，利用仿真技術(shù)展現(xiàn)理論知識內(nèi)涵，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、加深學(xué)生對理論知識的理解，突出重點、破解難點，從而提高教學(xué)效果和質(zhì)量。但是，僅把仿真技術(shù)作為輔助教學(xué)手段是不夠的，應(yīng)該做到理論教學(xué)與仿真技術(shù)的深度融合。

理論教學(xué)與仿真技術(shù)深度融合的主要措施如下：一是理順理論教學(xué)內(nèi)容，確定重、難點。二是深度融合仿真技術(shù)呈現(xiàn)理論知識，讓學(xué)生直觀地觀測到理論知識蘊涵的原理，從而突出重點、破解難點。比如在“微分電路和積分電路”教學(xué)中，深度融合仿真技術(shù)能讓學(xué)生直觀地觀測到電路瞬態(tài)的“微分”和“積分”過程，從而深入理解電路的工作原理。[8]又如在“計數(shù)器”教學(xué)中，深度融合仿真技術(shù)不僅能讓學(xué)生直觀地觀測到計數(shù)器的工作過程及時序波形圖，而且還可深入探究計數(shù)器的工作原理。[9]

（三）基于“三融合”理念的理論教學(xué)策略

在課時偏少的背景下，基于“三融合”理念的理論教學(xué)策略是：融仿真、固基礎(chǔ)、重應(yīng)用。融仿真，即深度融合仿真技術(shù)呈現(xiàn)理論知識內(nèi)涵，讓學(xué)生直觀而深入地理解電子技術(shù)的理論知識，突出重點、破解難點，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。比如競爭冒險現(xiàn)象是數(shù)字電子技術(shù)的教學(xué)難點之一，通過搭建仿真程序，可把“動態(tài)”的競爭冒險現(xiàn)象變?yōu)椤办o態(tài)”圖像，讓學(xué)生深入理解產(chǎn)生冒險現(xiàn)象的原因及其消除原理，從而突出重點、破解難點。[10]固基礎(chǔ)，即理順課程中的基礎(chǔ)內(nèi)容，深度融合仿真技術(shù)呈現(xiàn)基礎(chǔ)知識內(nèi)涵，讓學(xué)生牢固掌握電子技術(shù)的基礎(chǔ)知識，為學(xué)習(xí)相關(guān)后續(xù)課程打下扎實基礎(chǔ)。比如數(shù)字電子技術(shù)的核心基礎(chǔ)之一是“門電路原理”，通過仿真技術(shù)呈現(xiàn)這一基礎(chǔ)知識內(nèi)涵，能讓學(xué)生牢固掌握這些門電路的工作原理。重應(yīng)用，即在教學(xué)中應(yīng)弱化電路模塊內(nèi)部的工作原理分析，而深度融合仿真技術(shù)強化其功能，并展示其在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。教學(xué)實踐表明，充分介紹、展示各種電子技術(shù)電路模塊在探測、通信及家電等領(lǐng)域中的應(yīng)用，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四、基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程實驗教學(xué)改革探索

（一）基于“三融合”理念精選實驗項目

實驗項目太簡單，會讓學(xué)生覺得實驗索然無味；實驗項目太復(fù)雜，則讓學(xué)生對實驗望而卻步。地方應(yīng)用型本科院校各專業(yè)的電子技術(shù)實驗課程，一般為理論課的配套課程，課時偏少。在此背景下，基于“三融合”理念精選實驗項目極為重要。精選后的實驗項目，應(yīng)遵循由淺入深、循序漸進原則，并包含基礎(chǔ)性和綜合性實驗。此外，這些精選出來的項目，應(yīng)能融合仿真軟件進行設(shè)計與仿真。新工科建設(shè)的六大理念之一是“問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容”，鑒于此，在開展實驗教學(xué)時，具體的實驗項目還應(yīng)依據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點及當(dāng)下的應(yīng)用熱點與時俱進地進行調(diào)整。

（二）基于“三融合”理念的實驗教學(xué)措施

該課程基于“三融合”理念的實驗教學(xué)主要措施如下：一是理論指導(dǎo)實踐，基于“三融合”理念編寫實驗指導(dǎo)書。據(jù)此，項目組編寫了特色鮮明的電子技術(shù)實驗指導(dǎo)書，其主要特色是以仿真電路圖作為實驗原理圖。二是遵循“先仿真、后實驗”原則。要求學(xué)生在進行實物實驗之前，充分利用課余時間設(shè)計、預(yù)習(xí)和仿真實驗項目，并提交預(yù)習(xí)仿真報告。歷經(jīng)項目設(shè)計及仿真調(diào)試過程，能培養(yǎng)學(xué)生的分析、解決問題能力及創(chuàng)新思維。此外，歷經(jīng)預(yù)習(xí)及仿真過程，還能讓學(xué)生深入理解實驗項目原理、熟悉實驗內(nèi)容及步驟。教學(xué)實踐表明，實施“先仿真、后實驗”改革之后，在3 學(xué)時的實驗教學(xué)單元內(nèi)，可比改革之前再增加1至2 個實驗子項目，教學(xué)效率和質(zhì)量明顯提高。

（三）基于“三融合”理念優(yōu)化實驗教學(xué)評價

有效的評價模式是提高實驗教學(xué)效果和質(zhì)量的重要保障。項目組承擔(dān)的電子技術(shù)實驗課程均為理論課的配套課程。改革之前，該課程主要以“測量結(jié)果+實驗報告”為評價模式，致使一些學(xué)生的實驗參與度及積極性不高，教學(xué)效果和質(zhì)量不盡如人意。新工科建設(shè)“北京指南”指出，應(yīng)“完善個性化的人才培養(yǎng)質(zhì)量評價”。鑒于此，為了提高該課程的教學(xué)效果和質(zhì)量，項目組摒棄傳統(tǒng)的“重結(jié)果、輕過程”評價模式，在總結(jié)教學(xué)改革成果的基礎(chǔ)上，基于“三融合”理念建立并完善了“實驗全過程評價”的評價模式。

“實驗全過程評價”模式的實施策略如下：第一，實驗前的預(yù)習(xí)仿真評價（權(quán)重30%）。要求學(xué)生充分利用課余時間預(yù)習(xí)及仿真實驗項目，并在進行實物實驗之前提交預(yù)習(xí)仿真報告。教師采用審閱及抽查等方式，評價學(xué)生完成此項任務(wù)的質(zhì)量，評價的主要目的是督促學(xué)生獨立完成此項任務(wù)。第二，實物實驗各階段的即時評價（權(quán)重50%）。在學(xué)生進行電路搭建及測試過程中，教師即時對每組學(xué)生的每個階段進行實時評價，并依據(jù)學(xué)生所搭建的電路質(zhì)量及測量結(jié)果的正確性評定相應(yīng)等級。在此過程中，若發(fā)現(xiàn)學(xué)生未能完成某階段的實驗任務(wù)，立即令其整改，直至實驗完成。第三，實驗報告評價（權(quán)重20%）。實驗完成后，要求每位學(xué)生提交項目實驗報告。實驗報告評價的主要依據(jù)是實驗數(shù)據(jù)的正確性及實驗分析的合理性，以及實驗報告內(nèi)容的完整性及規(guī)范性等。

“實驗全過程評價”的重點是“實物實驗各階段的即時評價”。教師應(yīng)以多種方式及時了解學(xué)生在實驗過程中遇到的各種問題，全面掌控實驗進程。此外，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生充分預(yù)習(xí)、精心設(shè)計及認(rèn)真實驗。項目組采取的主要激勵措施是：在實驗教學(xué)單元內(nèi)，提前完成實驗項目的學(xué)生可提前離開實驗室，而未能完成實驗項目的學(xué)生則必須另找時間補做，直至完成。教學(xué)實踐表明，實施“實驗全過程評價”，能增強學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，激發(fā)學(xué)生的實驗積極性，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題能力，從而有效提高實驗課程的教學(xué)效率和質(zhì)量。

五、融入“三融合”理念深入挖掘電子技術(shù)課程的思政元素

教育部2019 年9 月29 日發(fā)布的《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》指出，要充分發(fā)掘各類課程和教學(xué)方式中蘊含的思想政治教育資源。電子技術(shù)既是電類專業(yè)的核心課程，也是其專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程具有基礎(chǔ)性強、覆蓋面廣等特點。因此，在基于“三融合”理念進行教學(xué)的同時，同樣應(yīng)該“春風(fēng)化雨”地挖掘該課程中的思政元素，并且“潤物無聲”地對學(xué)生進行思政教育。[11]

比如，在“基本放大電路”理論教學(xué)過程中，除了深度融合仿真技術(shù)呈現(xiàn)“基本放大電路”的工作原理及其放大過程外，還應(yīng)積極地挖掘其中的思政元素。即挖掘出“基本放大電路”所蘊含的“內(nèi)因和外因的辯證關(guān)系原理”，并據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生正確對待內(nèi)因和外因的關(guān)系，辯證地看待機遇，只要練好內(nèi)功，就一定能夠“放大”出光彩艷麗的人生。又如，在“555 定時器”實驗教學(xué)中，學(xué)生歷經(jīng)“先仿真、后實驗”之后就會充分意識到，“555 定時器”芯片雖小但功能非常強大。此時，教師可引入華為芯片斷供等案例啟發(fā)學(xué)生思考如何破解缺芯困境。然后，進一步讓學(xué)生認(rèn)識到，只有掌握了核心技術(shù)才能在關(guān)鍵技術(shù)上有自主權(quán)和話語權(quán)，從而激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。[12]

六、基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程教學(xué)改革實踐與成效

近年來，項目組成員積極進行該項目的研究與實踐工作。隨著研究與實踐工作的順利開展，基于理論、仿真、實踐“三融合”理念的電子技術(shù)課程教學(xué)改革的優(yōu)勢和成效相繼呈現(xiàn)。以數(shù)字電子技術(shù)為例，我校電氣工程及其自動化、電子信息工程及軟件工程等專業(yè)，基于“三融合”理念實施教學(xué)改革前后的學(xué)生期末考試平均成績對比，如圖2 所示。

圖2 教學(xué)改革前后數(shù)字電子技術(shù)期末考試平均成績比較

由圖2 可知，基于“三融合”理念教學(xué)改革實施之后，在考核題目難度及區(qū)分度相近的情況下，各專業(yè)學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)期末考試平均成績提高明顯。

再以數(shù)字電子技術(shù)實驗2021 年秋季學(xué)期期末操作考核為例。考核的對象是我校電子信息工程專業(yè)學(xué)生。考核的項目是計數(shù)器設(shè)計與測試、施密特觸發(fā)器設(shè)計與測試及多諧振蕩器設(shè)計與測試等。學(xué)生通過抽簽選擇其中一個項目進行操作考核。考核的要求是正確搭建電路、展示實驗結(jié)果及簡要回答與該項目相關(guān)的問題。在此次考核中，有32%的學(xué)生在20 分鐘內(nèi)就能完成考核任務(wù)，所有學(xué)生的平均完成時間為29 分鐘。由此說明，實施基于“三融合”理念的實驗教學(xué)改革，能提高學(xué)生的實踐能力。

總之，電子技術(shù)既是電子信息類及電氣類等專業(yè)的核心課程，也是其專業(yè)基礎(chǔ)課程。近年來鑒于該課程傳統(tǒng)教學(xué)模式存在諸多不足，筆者基于理論、仿真、實踐“三融合”理念對該課程的教學(xué)進行了積極改革探索。基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程理論教學(xué)的改革重點是深度融合仿真技術(shù)呈現(xiàn)理論知識。基于“三融合”理念的電子技術(shù)課程實驗教學(xué)的改革重點是遵循“先仿真、后實驗”原則。“實驗全過程評價”不可或缺，即時評價每組學(xué)生的每個實驗階段，既能督促學(xué)生認(rèn)真對待每個實驗階段，又能全面掌控實驗進程。深入挖掘電子技術(shù)課程中的思政元素，自然融入課程思政，能達到潤物無聲的效果。基于理論、仿真、實踐“三融合”理念的教學(xué)改革符合新工科建設(shè)理念，教學(xué)改革探索實踐表明，改革實施后電子技術(shù)課程的教學(xué)效率和質(zhì)量明顯提高。本文的教學(xué)改革策略和措施，對其他課程的教學(xué)改革亦有借鑒作用。