新工科背景下“電子技術實驗”教學的探索實踐

楊俊潔，南余榮

（浙江工業大學信息學院，浙江 杭州 310023）

0 引言

2017 年2 月，教育部高等教育司正式發布《關于開展新工科研究與實踐的通知》，以“培養引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才”為目標，提出了“新工科”理念，啟動了新工科建設，為我國高等工程教育指明了方向。隨著科技水平的飛速提高，中國經濟蓬勃發展，對工程科技人才提出了更高要求，高校應發揮自身優勢，加強學生實踐能力和創新能力的培養，以適應地方經濟發展和企業技術創新的要求。有效推進實驗教學建設，培養學生解決復雜工程問題和實踐創新能力，以應對新一輪產業變革和科技革命帶來的挑戰，這是高校實驗教學要達到的教學目標[1-2]。

“電子技術實驗”是高校電子信息、通信工程、電氣工程、計算機，及其他工科專業開設的一門必修的電子類專業基礎實驗課，具有涉及知識點多，儀器操作性強，課程內容實踐性強的特點。課程在加強學生的動手能力和理論聯系實踐的能力方面，以及對學生參加電子類學科競賽和工作崗位適應度等方面都有非常重要的作用。電子技術實驗教學要適應課程定位要求，達到教學目標，需要不斷探索如何提高學生綜合實踐和創新能力，為學生在后續課程的學習打下良好基礎。

1 教學方法改革

1.1 循序漸進善于引導

“電子技術實驗”是高校工科專業普遍開設的一門基礎實驗課，學生來自包括電子信息、通信工程、電氣工程、計算機、機械工程等多個專業，不同專業的學生由于學科知識結構、側重點有很大差異，使得他們在電子技術基礎知識的掌握程度參差不齊。要使實驗教學對不同基礎的學生都能得到良好的教學效果，需要教師進行正確地引導?！芭d趣是最好的老師”，如何引發學生對電子技術實驗的興趣，教師的作用不可低估。有些教師在講授知識時，喜歡將書本內容復刻下來，一步步推導公式，學生往往在面對這些高深的公式推導時感到茫然，不知這些推導的目的是什么，知識的趣味性也消耗殆盡。其實每個重要的知識點都是有其歷史根源的，將這些發展歷史引入授課中，可以讓知識點的脈絡變得更清晰，復雜的公式也會變成對實驗現象的符號總結，難學的知識變得簡單而親切。以半導體三極管教學為例,三極管往往被說成是可放大的電流和電壓。事實上，從它產生的歷史可以清楚地看到，被放大的是電流或電壓的變化量。最早是約翰·弗萊明利用愛迪生效應發明了真空二極管，進行無線電檢波，把微弱的無線電信號發大；后來李·德弗雷斯特發明了帶有柵極的真空三極管，可以進行變化電流的放大，并最終制作了世界是第一個音頻放大器；再后來，貝爾實驗室的三位科學家在半導體上實現了現代意義的晶體三極管，但是它的工作原理和最初的真空三極管是一致的，它們都是通過控制柵極的電流，來進行變化電流或電壓的放大作用。通過講授三極管的發展歷史，可以讓學生很容易地理解三極管的放大作用，還有基極、集電極、發射極等聽上去怪異的概念，并理清楚它們之間對應的數學關系。再引入這些技術對社會發展、改善人民生活產生的巨大影響，與現在的科技前沿與電子技術的密切關系，及面臨的挑戰和現在發展中遇到的難題，激發學生的好奇心。這樣的引導在教學中產生了較好的效果，讓學生理解了原理后，在電子技術實踐中體驗到學習的樂趣，并創造條件使之長期保持。

1.2 增加設計型實驗的比重

為了更好地調動學生的學習積極性，在打好前期驗證性實驗的基礎之后，可以在后續綜合性強的實驗中融入某些實際生活相關的內容[3]。例如，在進行計數器74LS192 的實驗時，以前的實驗內容是將192 組成12 進制計數器，然后將脈沖計數計數結果用數碼管直接顯示出來；現在的實驗內容進行了修改，用計數器加數碼管，制作完成一個顯示小時和分鐘的電子鐘，增加了六十進制計數用于電子鐘的分鐘顯示，十二進制計數器進行電子鐘的小時顯示，簡單的修改，卻大大增加了實驗的實用性，讓學生發現所學的知識可以用于實際生活，大大增加了學習興趣，取得了良好的效果。

基礎型實驗主要培養學生動手操作能力和知識應用能力，而綜合設計實驗在培養以上能力的基礎上，還培養了自主研究探索能力。因此在實驗內容中，增加一些設計型實驗，可以很好的鍛煉學生的設計、創新能力[4]。目前的電子技術實驗不論是模擬電子實驗，還是數字電路實驗，都在最后的環節增加了大型的設計實驗內容。教師提出每個實驗的設計要求，讓學生查找資料，結合實驗教材進行電路及參數設計，最后在實驗室檢驗完成自己設計的電路，這在很大程度上調動了學生學習的主動性。例如，模電課程設計要求完成方波、三角波的波形發生器，并且需要的直流穩壓電源也要自己設計完成，對整個電路供電。這個實驗把前面所學的集成放大電路、電源電路等分開的教學內容串聯到了一起，學生需要合理運用所學知識，完成設計要求，要查資料，做修改，對知識的整合和創新，起到很好的鍛煉效果，并且實驗內容對后續的課程學習以及參加電子設計競賽等，都有很好的幫助。

1.3 引入仿真軟件輔助教學

在電子技術實驗教學中引入multisim 仿真軟件輔助教學，是對傳統實驗教學重要的補充。通過計算機軟件模擬來完成實驗過程，具有直觀、方便、可重復操作等優點，可以不受時間和場所的限制。讓學生在實驗前利用仿真軟件進行預習，通過仿真練習，進行電路分析和設計，特別是可以隨意變動實驗參數，檢驗對實驗電路的影響，使得學生對實驗原理的理解大大加深，對實驗目的、實驗內容都會有一個更直觀的了解。仿真時得到的各種數據和波形，可以讓他們掌握預期得到的實驗結果；然后再進入實驗室，進行實際操作，做到每個實驗步驟心中有數，得到了很好的效果[5-6]。這種方式激發了學生自主學習的積極性，使他們在實驗中碰到問題時，可以更好地找到針對性的問題并解決，大大提高了實驗分析、調試的能力，有效提高了學生實驗成績；并且使學生掌握一個新的電路設計方法，在仿真調試的過程中，拓展了知識面，激發了學習熱情，使他們對于電路知識不再感到高深莫測，也有助于創新能力和創新思維的培養。

2 基于學情分析創新教學模式

電子技術實驗作為工科專業的基礎實驗課，學生來自全校多個專業，不同專業的學生電子技術基礎知識的掌握程度差別較大。學生在剛接觸電子技術實驗時，對實驗模式及方法不熟，基本的儀器操作也不了解，這就要求教師在講解實驗時，要把實驗中各種可能普遍碰到的問題提前預判，對實驗要求及調試方法等，細致講解清楚。對不同基礎的學生，碰到的問題也不盡相同，例如計算機學院的學生因為之前沒有上過電路方面的課程，沒有接觸過示波器、信號源等基本實驗設備，所以在講解時，要考慮到這點，即使是最基礎的示波器探頭的連接方式，也要耐心講解清楚。另一個沒有電路課程基礎的學生最容易碰到的問題，就是不給芯片連接電源線，原因是實驗教材上的電路原理圖中的芯片默認都是加好電源的，因此，不會畫出電源引腳，所以學生容易忽視這個問題。這些在實驗指導過程中需要非常耐心講解，尤其現在的學生大多是獨生子女，心理素質較為脆弱，所以在進行實驗指導時，需要教師照顧學生的情緒，保持耐心、細心以達到良好的教學效果[7]。

在實驗中，學生碰到實驗結果一直出不來的時候常常懷疑是器件有問題，有些時候，器件的好壞很容易判斷，比如74LS00 之類的邏輯功能器件，通過接高低電平就能驗證，有些則不能夠一下判斷出來，需要搭接一些小電路，而學生有時因為怕麻煩，有的可能因基礎知識不夠牢固，不太能夠將所學的知識用在當下的情景，不知怎么檢測。為了保障實驗的順暢性，在指導實驗時，可以在旁邊搭建一些檢測小電路，方便學生測試自己的實驗元件是否故障，讓他們把更多的時間和精力放在實驗相關的電路分析檢查上。這些小電路在實際實驗中起到很好的效果，學生不會因無根據懷疑器件，而錯過了真正該去關注的知識點的練習。

3 實驗室的開放建設

目前筆者的學校電子技術實驗室在教學大綱安排的實驗課程之外的時間，是面向全體師生開放的，既可以讓學有余力的學生在課余時間來實驗室進行自己想做的電路設計；也可以給實驗情況不理想的學生提供實驗重做和補做的機會，這樣學生在實驗學習中有更大的空間，可以針對自身情況進行相應的調整；在完成實驗教學任務的同時，開放實驗平臺還可以進行學生自主選題，大學生創新實踐、電子設計競賽、畢業設計等，實驗室提供進行實驗所需要的條件，學生在相關教師的輔助下，參與科研項目。開放實驗室可充分利用實驗室資源，為師生服務，提升高校的辦學水平，是實驗教學改革的必然趨勢。實驗室的開放模式可以充分調動學生學習的積極性和主動性，發揮他們的想象力與創造力，也讓實驗室的資源得到充分利用。實驗室在對外開放過程中，需要特別注意安全教育，避免安全事故發生。進入實驗室的人員都需要接受實驗室的安全培訓；嚴格遵守實驗室安全操作規程。實驗老師在每次實驗后會對實驗室儀器設備進行安全檢查，防范安全隱患[8-9]。

4 實驗考核模式的改革

電子技術實驗在歷經課程改革后，目前屬于獨立設課的實驗，因此考核模式從傳統的每次實驗的預習準備、實驗操作表現以及實驗報告，來進行打分評判，又增加了最后的期末實驗考試，形成了比較完整的的考核方式，而考核方式中最關鍵的一環就是期末的實驗考試。因為是獨立設課，所以同其他課程一樣，有最后的期末考試，但是考試方式是通過做實驗來進行。與理論課考試的區別在于，學生因為更換元器件的原因，是可以在實驗室內走動的，因此可能會其他同學有接觸。為了保證考試的公平性，每次實驗考試，都會在設計要求上做適當地修改和調整，出具多道參數要求和實驗內容有區別的考試題目，學生通過抽簽的方式，確定自己的題目，使得每位同學的題目要求與周圍的盡量不一樣，最大程度地避免抄襲或討論的現象出現。具體操作如下：每位學生依次抽簽，發放對應題目試卷，學生根據自己題目試卷的實驗內容和設計要求，現場進行電路設計，包括對電路原理圖中元件參數的計算等；按照設計的電路圖，選取元器件，搭建實驗電路，并完成對實驗電路的測試；記錄實驗數據，完成對實驗數據的處理和計算，對實驗結果進行簡單的故障分析和誤差分析等；最后由教師驗收實驗結果，上交試卷。這樣的實驗考核方式，因為必須通過現場操作完成實驗，所以較好地體現了學生的實驗能力和對實驗課程知識的理解程度，比較客觀地反映了學生的實驗課程水平，取得了良好的效果。

5 結語

新工科背景下，高校教育更注重學生綜合素質的培養，實驗教學在這方面有著重要的作用，在整個教學環節中已不再是理論教學的補充，而是成為了獨立設課的單元。我校電子技術實驗在實際教學中進行了多個方面的探索，把理論知識與實踐教學有機結合，教學中注意知識循序漸進，有效引導，激發學生學習主動性和學習興趣；實驗設計上結合實際生活，增加綜合設計類的實驗，改革考核方式，啟發學生獨立思考，培養學生解決實際問題的能力和創新的能力；運用仿真實驗和線下實踐相結合的方法，科學有效地提高教學效果等等，這些措施取得了良好的教學效果，為學生營造了開放、有序的實驗教學環境，激發了學生實驗的興趣，提高了學生的實際動手能力和創新能力。當然實驗教學的探索之路還很長，我們會不斷完善電子技術實驗教學的教學模式，以達到提高實驗教學質量的根本目的。