基于基礎與專業相融合的研究型實驗教學方法探索

李明 趙建輝 張延順 李帆

摘? 要：以卓越工程師教育為背景，針對創新型、實踐型工程技術人才培養目標，該文將筆者多年課堂教學、實驗教學和相關科研工作的經驗融入到實驗教學中，探索基礎與專業相融合的研究型實驗教學方法。方法注重學生對基礎知識與專業應用的融合訓練，基于基礎實驗系統和綜合開放式實驗平臺，通過對學生在基礎電路測試、知識分解、電路獨立設計與測試方面的訓練，幫助學生創新性和科學研究素養的培養。該文方法在教學實踐中進行應用，并起到較好的效果。

關鍵詞：電子技術；實驗教學；工程實踐；專業融合；科學研究素養

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）05-0094-04

Abstract： Under the background of the excellent engineer education program， the author integrates many years of experience in classroom teaching， experimental teaching and related scientific research into the experimental teaching， and explores the research-based experimental teaching method that integrates foundation and specialty. Methods based on the basic experimental system and the comprehensive open experimental platform， students were trained in basic circuit testing， knowledge decomposition， independent circuit design and testing， so as to help students to cultivate their innovation and scientific research quality. The method in this paper has been applied in teaching practice and achieved good results.

Keywords： electronics technique; experiment teaching; engineering practice; specialty combination; scientific research literacy

創新能力培養是當前評價高校學生教育質量的重要參考指標，實驗教學是助力學生創新能力培養的一個有效途徑，得到廣泛認可和大力推廣[1-3]。現階段，各高等院校在實驗教學方面投入了很大力量，針對創新型、實踐型工程技術人才培養目標提出了許多舉措[4-6]，如通過基礎實驗課程和專業實驗課程建設，為培養學生的科學素養和創新能力搭建平臺，高校教師們也相應地在教學方法、課程設計、評價方法等方面開展了探索工作。

以北京航空航天大學實施卓越工程師計劃、建設工程教育強校為契機，針對儀器科學與技術學科和專業特點，基于北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院教學實驗中心的實驗條件，并結合筆者多年的教學實踐經驗，開展了融合基礎與專業知識的研究型實驗教學方法的探索，在本科課程模擬電子技術基礎和慣性導航技術綜合實驗的教學過程中進行實際應用，此外，還與儀光科苑、馮如杯、全國大學生電子設計競賽等科技活動相結合，進行教學內容與方法實踐，取得了一定成果。

一? 基礎與專業結合的研究型實驗教學思路

現階段，高校的基礎實驗教學和專業實驗教學還是以傳統的實驗教學方法和模式為主，在實施過程中存在一些問題，總結起來主要包括以下幾點。

不論是基礎類還是專業類課程，其相關的實驗部分常被作為理論教學內容的組成和補充，一般不單獨設置實驗課程，而且實驗部分的占比往往受制于課程總學時，實驗學時和內容均較少，甚至存在實驗內容與理論課程契合度欠缺的情況。

基礎類實驗課程和專業類實驗課程均是針對自身對應的理論課程內容來單獨設立的，二者之間缺乏相關性和聯結性，在基礎-專業實驗教學體系的構建方面尚存在較大的問題，難以實現專業知識向基礎理論的下沉、專業應用對基礎知識的有效檢驗，以及基礎知識對科技實踐和創新應用支撐的實踐檢驗。

實驗課程一般以教材給定或配套設定的實驗項目為主，實驗內容具有一定的固定性和局限性，在知識深度拓展及向專業應用與科技活動融合等廣度發散等方面尚有欠缺，而且相應的實驗教學方法與考核方式較為單一，在實驗過程中引導和激勵學生發揮主觀能動性的效果有待提高。

存在實驗設備數量不足和更新不及時、實驗場地面積不夠等問題，與實驗教學質量保障相關的條件還需進一步完善，比較而言，研究生的教學實驗條件與資源尤為不足。

目前，各高校在基礎課程和專業課程的教學計劃和課程規劃方面，進行了大量探索研究，開展了以問題為導引，基于課堂教學、實驗教學、科技活動和科研工作的基礎實驗和專業實驗課程的融合支撐教學方法嘗試。目前，這些探索研究主要可以歸納為兩個方面：一方面為開展培養學生創新能力的實驗教學方法探索，以針對課程特點的基礎實驗課程教學和考核方法為其主要研究內容；另一方面為探討基礎知識與專業應用緊密融合的課程設計，側重于二者的有機結合和互相支撐的教學實施與考核方法研究。

相對而言，探討基礎知識與專業應用緊密融合的課程內容設計，是現階段各高校和教師們逐漸深耕的研究方向，也是筆者近年來一直努力開展的主要工作，總結來說即為：基于科學研究、專業應用和科技活動等與實驗教學聯系的深入挖掘，借助課堂教學與實驗教學的緊密結合，實現融合基礎與專業知識的開放式綜合實驗平臺搭建，為學生提供檢驗理論的條件，并用于創新設計，從而助力課程教學效果和質量的提高。

二? 模擬電子技術基礎實驗教學方法

模擬電子技術基礎是電子技術系列課程的重要組成部分，課程具有鮮明的工程性與實踐性特點，借助實驗實現理論內容的實物化與展現，培養學生動手操作和解決工程問題的能力，是課程教學目標的重要組成部分。因此，實驗作為理論知識內容的驗證，是模擬電子技術課程的重要組成部分，為學生實際電路設計與調試能力、相關專業實踐應用等科學素養的培養提供必要支撐。模擬電子技術基礎課程的實驗教學方法探索注重從教學準備、實施、總結幾個方面進行架構設計，實驗內容以基礎理論內容為本，以對應于基礎理論知識的設定實驗為主要項目，同時，注重融合專業知識與科研成果，進行特色實驗項目開發設計，助力學生的操作技能、研究思維、創新能力培養。

（一）? 實驗教學準備工作

在實驗課程的準備工作方面，教師和學生各自的側重不同，為了保障實驗課程效果達到預期目標，需要學生和老師的共同配合。教師主要從教學規劃、教學目標、要求和內容方面進行準備。實驗課程的教學總體計劃需要每個學期開課前完成，這有助于借鑒往屆學生的歷史學習狀況，并與當前學生的實際情況相結合，對開課學期的實驗內容與時間做好統籌安排。在對實驗目的、要求、內容及具體操作步驟等詳細進行規劃時，以理論內容為實驗規劃的基礎依據，根據實驗內容和學生的經驗、動手能力選擇最佳的實驗教學方案，合理設置實驗問題，引導學生在實驗過程中觀察、思考、分析。

學生的準備工作主要以熟悉實驗流程、實驗內容、相關器材為主。為了調動學生對實驗課程的學習積極性，開課前以分組或志愿參加形式，邀請學生完成電子器件的檢測與購置，讓學生熟悉器件與儀表，初步鍛煉學生的實際測試與排故能力，為實驗課程的全面開展打下良好基礎。加強學生閱讀和分析實驗指導書的要求，使學生提前了解實驗操作所用到的儀表、電路圖、操作步驟和順序，明確實驗過程中需要記錄的數據和圖表，分析可能遇到的問題，預先思考解決方案，從而提高實驗的效果。

（二）? 實驗操作與創新能力培養

實驗過程中的規范操作，對實驗現象的細致觀察，對實驗問題的分析與解決等實驗教學環節，既是對學生理論知識掌握程度及利用理論知識解決實際應用問題能力的檢測；也是培養學生科學研究和創新思維的有效手段；同時，還是對學生個人能力和協作能力的客觀考察。在實驗過程中，引導學生以科學研究的態度和方法進行實驗，啟發學生根據基礎理論知識，結合觀察到的實驗現象提出問題，以問題為引入進行理論研討，從而達到通過實驗幫助學生加深對所學知識的理解，鍛煉其工程設計能力，并實現對學生科學研究思想和方法的入門引導等目的。

堅持以訓練學生的個人實踐能力為實驗教學的主要內容與要求，根據課程的目的和學生自身情況，適當增加技能訓練環節，允許試錯性實驗方法，目的在于引導學生通過實驗現象與理論分析對比，訓練學生提出問題、解讀實驗數據、分析實驗結果，并基于實驗報告和科技小論文等方式，鍛煉學生基于實驗現象深入總結和挖掘問題的能力，進行學生科學探究素養的訓練，也為學生的“個性化”培養和考核提供條件。

此外，注重培養學生分工協作的團隊作戰能力，鍛煉學生在實驗開始前迅速做好基本分工，各司其職，保證實驗操作的順利進行。實驗進行中，實驗現象觀察和記錄、實驗問題的分析和解決，均以團隊研討形式進行，借助團隊各個分工角色的成果集合完成實驗過程，使學生能夠以團隊力量進行理論知識復盤、驗證、理解與鞏固，在實現實驗對理論有效驗證的同時，鍛煉學生的“個性化”能力與“團體性”合作能力。

模擬電子技術基礎實驗課程作為理論課程的必要和有益補充，主要以課程的理論內容為基礎，與精密儀表和航空航天儀器等專業相關的特色多體現在課堂教學、答疑、問題研討過程中。為了實現利用專業應用（科研工作）和實踐實驗（科技活動）幫助學生理解基礎與專業的融合和相互支撐，一個有效的途徑即是為學生提供基礎與專業相結合的實驗研究平臺。以此為出發點和目標，筆者結合多年的教學實踐經驗，開展了融合基礎知識與應用實例的實驗教學平臺搭建和教學方法研究。

三? 基礎與專業結合的實驗教學方法

通過探索模擬電子技術基礎課程，乃至電子技術系列課程的相關基礎理論知識在專業中應用的系統構建，基于科研成果向基礎理論下沉的技術分解的目的，開發了電子技術應用設計實驗模塊，以科技活動、科研項目、專業實驗課程為結合對象，進行了相關實驗內容設計，搭建了創新實驗教學平臺。基于該教學平臺，采用開放型實驗教學模式，對學生開展創新實踐和研究素養的訓練與培養，幫助學生更好地理解所學基礎知識在專業知識和科學研究中的應用。本文以兩個實驗教學案例為例，展示融合基礎與專業的實驗教學方法探索的成果。

（一）? 與科技活動相結合的實驗教學案例

科技制作的內容為實現“心電圖信號采集系統”，其中的重要組成部分為信號采集電路的設計與仿真測試。心電信號采集電路主要包括以下幾個部分：前段放大電路和帶通濾波電路，用于信號的預處理，消除共模信號，放大微弱信號并提取相關頻段信號；后級放大電路，用來放大有用信號；電平抬升電路，使后級放大電路輸出電壓滿足單片機的輸入信號范圍需求；50 Hz陷波電路，用來去除工頻干擾。考慮到給定模擬心電信號的幅值為0.5 mV，頻率為1/10/60/100 Hz，為獲得有效采集輸出信號，需要合理地進行電路規劃設計。在設計實驗內容之前，首先進行技術分解，使學生理解科技活動內容與基礎理論知識的關聯。這一環節以教師引導為輔，以學生團隊研討為主的形式開展，學生需要根據給定任務進行技術分析和電子技術相應知識的構建，總結出所有或部分相關知識點。

基于上述分析，學生科研明確任務內容和設計目標，提出合理的電路設計方案，整體設計思路為：按照實際電路的搭建方式，先完成各部分電路的設計，然后利用仿真平臺進行電路搭建和調試，最后進行整體電路的調整分析（圖1）。

實驗任務一般在模擬電子技術基礎課程的“基本原理電路”部分講授完成后進行發布。學生根據課程進度和自身掌握程度，從任務中解構放大、反饋、運算和濾波等相關知識點，進行實際電路設計并完成仿真實驗。本實際案例已在兩個學期進行了應用練習，每組學生都能分解出相應知識點，完成1～2個電路的設計和仿真，基本達到了教學要求。

（二）? 與專業實驗課程相結合的實驗教學案例

借助北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院實驗教學中心的慣性導航技術綜合實驗課程資源，通過慣性測量與導航實驗演示，為學生提供基于慣性測量系統驗證電子技術應用的綜合實驗教學平臺。慣性測量與導航系統主要由MEMS慣性測量器件及組件、控制子系統、運動滑軌和數據采集與處理系統組成。其中，控制子系統用于控制驅動器實現運動滑軌的運動控制，慣性測量單元（也可只有加速度計或陀螺儀）敏感滑軌的運動，進行運動參數測量，測量的運動參數與設定的運動參數進行比較，完成導航解算。

根據慣性測量和導航系統的結構組成，可以將其分解為測量、導航計算和控制幾個主要部分。經過知識點分解，支撐相應功能的電子信息系統部分主要包括：①預放大和濾波電路的預處理電路、信號轉換電路，用來實現速度、加速度信號的測量和轉化為電信號的輸出；②通帶濾波電路，用于在信號測量和計算過程中濾除干擾，提取有用信號；③運算電路和比較電路，用于導航解算及運動控制。

實驗任務一般在模擬電子技術基礎課程“信號的加工和處理”部分講授完成后發布。因為實驗內容涉及大三的專業課程，為了使學生對慣性技術有初步了解，在技術分解和實驗內容設計之前，由實驗教學中心的老師對學生進行簡單的專業導論培訓，在此基礎上，以教師引導為輔，學生團隊研討為主的形式開展技術分析。學生通過對慣性測量和導航系統進行技術分解和電子技術相應知識點構建，設計電路并利用仿真平臺進行電路搭建和調試。此外，教學實驗中心統一為每組學生提供一次利用基礎電子實驗設備進行實際電路搭建和測試的條件。

本設計案例已在兩個學期進行了實驗教學應用，每組學生能夠完成知識點分解并設計兩個電路，基本達到教學要求。基于本案例，通過設計與完成實驗，還幫助學生直觀了解慣性器件輸出信號的物理意義，理解電路在慣性測量和導航實現過程中作用，實現了對學生的專業引導。

（三）? 實驗考核

為了與提出的實驗教學方法相匹配，對學生進行全面評價，筆者經過研究和實踐，探索提出了分階段、多模式的實驗教學評價方法。

對學生實驗的各個時段和階段進行考核評價。在實驗前的準備階段，考核評價內容包括團隊組建與分工、技術分解研討、實驗方案設計及熟悉實驗流程和實驗器材等；實驗過程階段，考核評價內容包括實驗操作、實驗現象觀察記錄、實驗問題分析與解決等；實驗總結階段，考核評價內容包括實驗報告撰寫、研討與答辯等。通過分階段考核，兼顧個人和團隊的表現評估，全面評價學生的實驗完成情況，激發學生的學習主動性和自主性。

以撰寫和提交實驗報告為基本要求，鼓勵學生基于觀察到的實驗現象和問題，結合基礎理論知識，通過查閱文獻資料，撰寫技術報告和研究論文，形成學術成果。通過模式豐富的考核方式，鼓勵學生深入挖掘、學以致用，增強模擬電子技術基礎課程的創新性和挑戰度，為“個性化”培養提供條件，激發學生探索知識的積極性和進取精神，幫助對學生創新思維、科研能力、綜合素養的培養。

四? 結束語

模擬電子技術基礎課程及電子技術系列課程的基礎實驗教學，能夠幫助學生深入理解和掌握基礎理論課程的內容，豐富課堂教學資源，優化教學模式，有效調動學生的學習積極性和主動性。結合學科、專業特色與內容的實驗設計練習，在學生基礎與專業知識的融合、技術分解、電路自主設計和創新實踐等方面，能夠提供有效助力，幫助學生鍛煉上層科學研究向底層基礎需求的理論知識提煉與總結，拓展實驗內容的深度和廣度，豐富實驗教學的方法和模式，引導學生立足理論基礎，放眼科學研究發展的現狀與未來，為學生創新能力和科學研究素養培養奠定良好基礎。

基于本文列舉的結合科研和專業應用的實驗實例，還能進一步幫助學生了解測量與控制、探測與制導專業中，精密測量和精確計算的重要性，以及電子技術在其中應發揮的作用，并在器件選擇、電路設計過程中深化理解這一知識點，從而加深學生對學科和專業特點的理解，實現對專業知識的導引。

基于研究提出的實驗教學方法，學生學習的積極性與主動性得到顯著提高，在實驗方案設計研討和問題解決過程中，加深了對理論知識及其應用的本質認識，同時也培養了學生提出科學研究思路和解決方案的能力。本文所提出的實驗教學方法能夠有效激發學生的創新性，提升學生的工程設計與科學研究素養，對工科學生培養具有普適性，可在各學科中進行推廣。

參考文獻：

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