探究式教學在“模擬電子技術實驗”教學案例中的應用

趙 靜

（南京信息工程大學 物理與光電工程學院，江蘇 南京 210044）

“模擬電子技術實驗”是理工科大學生進入大學后最基礎的實驗課程，是學生進入大學后接受的系統實驗方法和實驗技能訓練的開端。實踐是檢驗真理的唯一標準，在科學前行的道路上實驗始終占有重要地位?！澳M電子技術實驗”正是為了培養學生良好的實驗素質，提高學生分析問題、解決問題的能力，為學生將來從事科研、工程技術和新技術應用開發等工作奠定扎實的實驗基本技能。

實驗教學中，現代教學理念主張要讓學生成為教學活動的主體，重點培養學生的創新能力和科研能力，突破傳統的以知識傳授為主的教學方法［1-3］。教育部印發的《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中強調，積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力，對開展探究式教學做出了明確的要求，各高校積極響應［4-7］，這就要求教師更應注重啟發和引導學生進行自主學習和探究，在掌握一定的實驗方法和技能的基礎上深化教學改革，使學生提高創新思維能力。

一、現有實驗模式

現有的“模擬電子技術實驗”課程已經逐步融入了線上線下混合式教學［8-9］。線上提供課程簡介、課程目標、課程任務、教學進度、考核辦法、教學大綱等總體內容。針對每個實驗提供預習要求、教學課件、教學視頻、操作視頻、在線練習和參考資料；線下實際操作，課后整理實驗報告。考核方法上采用線上線下綜合評分。但總體而言，實驗內容還是較為基礎，綜合性、提高性的實驗開設較少；操作視頻引入后，一方面使學生完成實驗的效率提高了，另一方面，實踐能力強的學生能夠迅速完成實驗，但由于缺乏后續安排，無法針對優秀學生及時開展探索創新性實驗。

二、實驗設計與實施

實驗設計需要讓學生將知識、能力、素質結合用以解決復雜的工程問題，這就要按層次設計一系列需要探索研究的問題，引導學生層層深入，實現在基礎實驗的開展中讓普通學生變得優秀、讓優秀的學生更優秀。這對教師提出了更高的要求，需要了解學生學情、了解學生專業特征、設計符合教學規律的實驗內容與實驗環節，增加實驗的層次性并設置一定難度，以實現學生探究能力的培養。

“模擬電子技術實驗”中的實驗內容基礎典型且涉及面廣。其中，I/V變換是光電專業方向的代表性實驗；直流電源是電力電子的設計方向之一；集成電路專業關注放大器的基本參數測試實驗；電子信息專業會強化集成運放的應用與設計。不同專業通過深入探究“模擬電子技術實驗”在各自專業上的入門電路，可以讓學生對專業認識更深刻。探究實驗就要打破原有的用固定實驗裝置、固定器件、固定連線，要從實驗內容上操作上、實驗實施過程的把控上做深入設計，將各電路模塊分解替換、引入新內容，培養學生扎實的實驗能力和創新精神。

（一）典型實驗案例設計——I/V變換

1.整體設計。以I/V變換實驗為例，該實驗原有要求為：掌握I/V變換電路的原理與組成，測量并掌握光電流與輸出電壓的關系。為了讓學生認識并探索生產生活中I/V變換電路的作用，增加了不同測量方式下的I/V變換。不同的測量方式主要指裝配方式的不同，在不同的裝配方式下配以不同的器件參數就可以形成不同用途的測量裝置。進一步，要求在連接與測量過程中，能根據異?，F象定位并排除電路故障。為此將該實驗按階段性、層次性重新設計，分為基礎階段、晉級階段、課后拓展，并在晉級階段和課后拓展中引入科研與競賽內容，既有利于實驗內容的革新，也可提高學生探究的積極性。

2.實驗層次設計。為實現逐步深入地開展實驗探究，將實驗設計為基礎、晉級、拓展三個階段。（1）基礎階段，要求學生會搭建對射式電路和反射式電路，通過選取不同的元件參數研究光電流和輸出電壓的關系，探究各器件在電路中的作用；能結合專業知識點和電路檢測方法，分析并排除實驗中的障礙。（2）晉級階段，實現將基礎電路用于實際環境。提供兩種典型應用裝置，一種是將科研項目的雛形引入課堂，另一種是引入學科競賽中與本實驗相關的部分，要求學生選取一種實現具體應用?？蒲许椖亢蛯W科競賽都有一定難度，同時也具備著時代性和創新性，這一階段允許兩人一組，共同探索實驗細節。（3）拓展階段，要求完善典型應用，三人一組、協調分工，實現批量數據測量，研究如何實現測量的穩定性與準確性；進一步地，可以將完善后的實驗裝置再次投入學科競賽。

（二）實驗實施

實驗的實施上總體分為：課前—課中—課后。細化流程如圖1所示。

圖1 實驗流程

圖1中，明確實驗目的、原理論證、方案設計、電路設計要求學生在課前利用課程的線上資源完成預習，利用仿真軟件完成電路功能仿真并在線上提交仿真結果。要求學生掌握仿真軟件的基本使用方法，學會各種元件的參數設置，基本儀器的使用。

線下課程安排講授、討論和實驗操作三部分。講授環節對實驗原理進行簡要講解，適時融入課程思政，把實驗按基礎要求和晉級要求布置解析。通過器件性能和裝配方式的對比，討論電路應用場景，引入晉級階段實驗內容，并提示影響實驗結果的多種因素。實驗操作部分要求完成基礎要求和晉級要求，拓展階段不要求全體學生參與，感興趣的學生可利用課余時間向實驗室申請進行實驗操作。

1.基礎要求實施?；A要求的實施過程如圖2，要求學生以對射式和反射式的裝配方式完成分立式電路和集成式電路的搭建。兩種裝配方式都可以測量信號的強弱和有無，實驗中要求使用對射式檢測信號的有無，反射式測量信號的強弱。

圖2 基礎要求

分立元件電路實驗中，提供紅外發射器與接收器，紅外接收器實質是光電三極管，這就要學生在實驗中能夠回顧典型放大電路的特性，通過集電極電阻參數的調整，研究在光電轉換電路中輸出量與電路參數的關系；通過發射參數的調整研究發射強度與接收信號的關系。

集成元件電路實驗中，提供可見光波段的光電二極管，要求學生在實驗中能夠運用典型的運放電路實現電流電壓轉換，關注集成運放的反饋電路，通過反饋電阻的調整研究光電流與輸出電壓的關系?？梢赃M一步探究反饋端電容的作用。

2.晉級要求實施。晉級階段提供了兩方面實驗裝置，一個來源于教師的科研項目槍管口徑與彈道測量，是對射式多路I/V變換；一個是反射式的紅外光測量蘋果甜度，源于全國大學生光電設計競賽賽題，要求學生選做一個。多路I/V變換中引導學生探索多路信號的一致性；蘋果甜度測量中，只要求測量得到反射的電壓值，過程中要學生關注影響測量結果的各種因素，探索提高測量結果可重復性與準確性的方法。

三、考核方式與拓展效果

教學考核貫穿整個實驗流程，實行過程式評分?？己隧椖?、分值比例與要點如表1所示。

表1 教學考核評分項目表

軟件仿真的考核為預習內容檢查，需課前在線上完成。線下課程實驗操作開始后，教師根據學生完成實驗基礎階段的時間進行實驗效率評分。為保證大多數學生能順利完成實驗，保持對實驗的熱情和信心，實驗質量和實驗數據均按實驗基礎階段的完成情況評分；實驗晉級階段完成后進行自主創新環節評分。課后完成實驗報告，要求必須包括實驗方法的小結，寫清楚實驗中遇到的障礙及解決方法，以此加深學生對問題的思考與經驗總結。

2019級與2020級光電專業本實驗的考核成績如圖3，從整體上看，各分數段的人數比例變化不大。探究式教學的引入雖然難度上有所提升，但內容的新穎性和任務的層層遞進提升了學生的參與度，在保證較高的優良率的基礎上，2020級的優秀率較上一屆有所提升。

圖3 2020級與2019級考核成績

2020級教學中引入的拓展環節是更高層次的探究，部分學生對該環節中的甜度測量實驗做了進一步完善，并以此為題參加了當年的大學生光電設計競賽；部分學生將I/V變換電路引入振動測量實驗參加了當年的大學生物理實驗競賽，并取得了成績。按以往我校參賽情況統計，通常在三年級會參加這些競賽并取得成績，經過探究式的實驗鍛煉，二年級的學生就開始逐步具備了設計實驗、創新實驗的能力。

結語

通過在基礎實驗中貫徹探究式教學，可以看出盡管是基礎實驗，通過緊密結合專業特色，線上線下融合，層層深入地探究式設計，逐步培養了學生解決復雜問題的能力。在探究的過程中讓科研內容與競賽題充分融入，讓學生有機會體驗出基礎實驗在科研中的位置，在競賽中發揮的作用。不同階段的探究內容也讓各層次的學生都在原有基礎上提升了自己的探究能力。拓展階段的開展，讓優秀學生有了進一步發展的空間，大大提高了人才培養質量，實現了以學生為中心的培養方式。