工程教育認證背景下高頻電路課程改革與實踐

摘 要 工程教育專業認證背景下，為滿足工程教育專業認證對本科層次人才培養應能解決復雜工程問題的質量要求，對高頻電路課程教學進行改革探索。在明確課程目標的基礎上，通過分析高頻電路課程的特點和教學中遇到的問題，進行高頻電路課程理論教學改革、實驗教學改革和校企合作工程實踐，旨在提高學生解決復雜工程問題的能力，培養學生的動手能力、創新意識和工程實踐能力。

關鍵詞 高頻電路；工程教育認證；實驗教學；校企合作

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）18-0088-04

0 引言

工程教育認證是國際通行的工程教育質量保證制度，也是我國高等教育質量保障體系中的重要組成部分。截至2022年底，全國共有321所普通高等學校2 385個專業通過了工程教育認證，涉及機械、儀器等24個工科專業類[1]。《工程教育認證通用標準解讀及使用指南（2022版）》（以下簡稱《指南》）明確了落實立德樹人根本任務有關要求，直觀地表述了產出導向理念和認證標準的內涵，突出了以學生學習的產出目標（畢業要求）達成為主線，以產出目標評價機制為底線的認證要求?！吨改稀愤M一步明確以工程師為主要目標的本科層次人才培養應將解決問題的范疇定為“復雜工程問題”，而不是“寬泛工程問題”，也不是“一般工程問題”，確保滿足《華盛頓協議》的實質等效要求[2]。

高頻電路是通信工程、電子信息工程等專業的一門非常重要的專業課，有很強的理論性、工程性和實踐性，主要介紹無線通信系統各組成單元電路的工作原理及設計方法。通過該課程的學習，學生可以掌握通信系統的基本組成及各模塊的功能，培養高頻電路的工程設計能力和實踐動手能力。由于高頻電路課程內容概念繁多、電路形式復雜，分析方法以復雜的非線性分析為主，高頻電路實驗現象不穩定，且有些實驗現象不易觀察到，因此，學生普遍反映學習高頻電路比較困難，教學效果不理想。

在工程教育專業認證背景下，如何調動學生的學習興趣，切實提高學生解決復雜工程問題的能力，是高頻電路課程的重要任務。西南大學為對標工程教育專業認證、建設一流課程，提高學生的高頻電路工程實踐能力，對高頻電路課程進行了全方位的教學設計和改革。

1 明確課程目標

課程目標是課程結束時學生能夠達到的專業能力、相關素養、社會責任等能力產出或成果。課程目標的設計原則是：課程目標決定于畢業要求（指標點），必須支撐畢業要求的達成[3]。西南大學的高頻電路課程是電子信息類專業的必修課程，在大二下學期開設，包括48個理論學時和8個實驗學時。高頻電路課程根據學生的畢業要求，以及課程與畢業要求指標點的支撐關系，制定四點課程目標，如表1所示。課程目標與畢業要求的關系如表2所示。

可以看出，基于工程教育認證體系制定的課程目標非常具體翔實，圍繞提升學生解決復雜工程問題的能力而制定，體現了課程內容的工程性和系統性。

2 教學改革措施

高頻電路的課程目標確定后，就要確定課程教學內容、課程教學方式，課程教學內容的設計要能支撐課程目標的達成，要與教學方式相適應[4]。西南大學高頻電路課程組以工程教育認證為導向，根據課程目標的要求，重新修訂高頻電路課程的教學大綱，以課堂理論教學、實驗教學與校企合作工程實踐作為高頻電路課程教學的三個部分，形成一個完整的課程結構體系，切實加強學生工程實踐能力和科技創新能力的培養。

2.1 理論教學改革

本課程以高等教育出版社出版，馮軍等[5]主編的《電子線路：非線性部分》為基礎，主要內容是無線通信系統所涉及的各單元電路的組成、工作原理和性能特點。典型的無線通信系統包括發射機和接收機兩部分。以調幅發射接收機為例，圖1是采用調幅方式的中波廣播發射機的一種組成框圖，圖2是采用調幅方式的無線廣播接收機組成框圖。

上述電路中，除了低頻小信號放大器外，都屬于高頻電路的研究對象，主要包括功率電子電路、振蕩電路、波形變換和頻率變換電路等三種類型的電路。其中，功率電子電路的作用是在輸入信號的控制下，使輸出信號按輸入信號變化，并使其功率大于輸入信號的功率，內容主要包括第1章中的非諧振功率放大器、功率合成電路和第2章中的諧振功率放大器；振蕩電路不需加入輸入信號就能產生特定頻率范圍的振蕩信號，內容主要是第3章的LC振蕩器、晶體振蕩器、RC振蕩器等；波形變換和頻率變換電路種類最多，電路形式也最復雜，其能在輸入信號的控制下，產生與輸入信號波形和頻譜完全不同的輸出信號，內容主要包括第4章的調制電路、解調和混頻電路，以及第5章的角度調制與解調電路。

高頻電路是包含非線性器件的電路，其響應特性的分析需要求解非線性代數方程和非線性微分方程，求解非常困難。在工程應用中，往往根據實際情況對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以圖解法、指數函數分析法、折線近似分析法、開關函數分析法、線性時變電路分析法和頻譜法進行求解，分析方法不統一，難以系統化梳理。并且高頻電路工作在高頻范圍內，需要考慮有源器件的高頻效應以及電路的高頻效應帶來的電路性能下降、參數不穩定、電磁干擾等影響。該課程雖然與實際工程應用聯系緊密，卻也是比較難學的一門課程[6]。

為了提高本課程的教學質量和人才培養質量，培養學生高頻電路與系統的研究分析能力、工程設計能力和實踐動手能力，學校高頻電路課程組經過認真討論，并充分聽取專家意見，對理論課程教學方式作了進一步探討和改進。

1）設計了專家授課主題。學校已和國內多家知名企業建立了合作關系，由企業委派從事無線通信系統設計、制造和運行維護的一線知名專家，進課堂給學生講授高頻電路導讀方面的內容。企業專家帶來了前沿知識和技術，也帶來了典型案例，將學生的學習目標與國家需求、行業需求結合在一起，讓學生切身理解學習高頻電路的意義。

2）設計了MOOCs授課主題。對高頻電路課程的基本理論和基本方法等知識性較強的章節，采用MOOCs作為課程內容的主要傳授方式，形成翻轉課堂。學生利用課外時間觀看講座視頻或瀏覽課本，上課時由一名學生講解其中的一個知識點，其他學生參與質疑和討論，教師也參與質疑和提問并作適當引導。由于學生在課前通過自主學習掌握了一些基本的知識，在課堂上便可拋出大量的問題進行探究。利用課堂時間進行學習經驗的交流與觀點的相互碰撞，不僅激發了學生的學習興趣，也深化了學生的認知。

3）設計了專題研究主題。教師將專題研究任務下發給研究小組，研究小組成員分工合作，通過查閱文獻、收集整理學習資料，完成文獻綜述和書面研究報告的撰寫。上課時，組長用PPT對研究成果做口頭匯報，其他學生參與質詢和討論。通過專題研究主題，可以培養學生解決復雜工程問題、口頭匯報工作和撰寫研究報告的能力。

2.2 實驗教學改革

高頻電路是一門實踐性、工程性和綜合性很強的課程，不僅要求學生能較深入地掌握相關理論知識，更對學生的工程實踐能力提出較高要求。但學生普遍對做高頻電路實驗興趣不高，實驗效果不理想，主要原因如下。

1）高頻電路實驗現象不穩定。在高頻條件下，構成電路的元器件物理性質發生明顯變化。例如：電阻和電容在高頻區表現出引線電感性質；并行傳輸線呈現電容特性；電感容易受到集膚效應的干

擾；三極管在高頻區放大倍數下降；導線的電阻和電感量因集膚效應也會隨著頻率的變化而變化。因此，受電路參數的影響，高頻電路分析和研究變得相當復雜，實驗現象不穩定，調試困難，實驗結果有較大誤差，影響學生對實驗結果的觀察和分析。

2）有些高頻實驗現象不易觀察。由于實驗儀器不足或現有儀器無法測試，導致高頻電路有些實驗現象不明顯或不易觀察。例如：在正弦波振蕩器實驗中，用示波器可以觀察到正弦波振蕩后的情況，但起振的過程稍縱即逝，根本無法觀察到[7]；在功率放大實驗中，幅頻特性曲線可以借助掃頻儀進行測試，但是相頻特性曲線就沒有相應的儀器進行測試；還有各種干擾現象也不易用現有儀器測試，導致學生不能很好地驗證高頻電路的理論知識[8]。

3）基于實驗箱的實驗缺乏創新性。實驗箱的電路模塊由生產廠家提前設計好，實驗電路已固定，學生不能進行更改和升級，實驗內容大多是驗證性實驗，按照實驗步驟進行簡單的連線就可完成實驗任務。學生沒有參與電路的設計，實驗過程缺乏創新性和探索性，抑制了他們的自主開發潛力。

在工程教育專業認證背景下，對實驗教學的定位是兼具綜合性、設計性以及研究探索性的實驗。實驗教學除了培養學生動手實踐能力，更加注重學生獨立思考的能力、運用所學知識解決復雜性工程問題的能力。傳統的實驗操作模式并不能滿足這一點，這就要求對傳統的實驗教學進行改革[9]。

1）引入軟件仿真實驗。在高頻電路實驗教學中，把用硬件電路不能實現或實現困難的項目用軟件仿真實驗代替，這樣學生既能進行硬件操作，又能利用仿真軟件對一些硬件不易觀察和不易實現的現象獲得感性認識[10]。例如：用Multisim軟件仿真實驗觀察正弦波振蕩器起振的過程，測試功率放大電路的相頻特性曲線等。引入軟件仿真實驗，可以彌補硬件實驗的不足，加深學生對電路工作原理的理解，增強實驗效果。在設計性實驗中利用仿真軟件可以快速完成電路的設計并驗證設計結果是否正確。對一些新技術新器件，學生可以通過仿真軟件自行進行分析，完成電路的設計和參數的修改，并分析輸出信號的特征。引入仿真軟件及時跟蹤了解新技術，有助于培養學生的創新思維，鍛煉學生的設計創新能力和工程實踐能力。

2）制作單元電路板。由于實驗箱已經提前設計好典型模塊電路，元器件已經提前集成好，不利于學生了解高頻單元電路的基本結構和元器件的選擇方法，因此，高頻電路課程組對高頻電路所涉及的部分單元電路讓學生重新設計制板，如正弦波振蕩器、寬帶功率放大器、小信號諧振放大器等模塊。學生通過仿真軟件在原有實驗電路的基礎上自行進行分析設計，完成電路的變換和參數的修改，仿真通過之后自行繪制PCB板，然后在學校的電路制板實驗室加工制作。學生通過自主設計、加工電路板，不僅加深了對高頻電路基本單元電路的掌握，而且實現了知識掌握向實踐創新能力的轉化。

3）增加設計性和綜合性實驗。目前，高頻電路實驗主要是以實驗箱為基礎的驗證性實驗，不能滿足工程性、綜合性的實驗要求。為此，高頻電路課程組在實驗中大幅增加綜合性的整機電路設計實驗，如半雙工調頻無線對講機、超外差中波調幅收音機、超外差式調頻收音機等綜合性實驗，要求學生根據實際的設計需求和性能參數，綜合運用學過的高頻電路知識設計符合要求的電路。此外，高頻電路課程組將全國電子設計競賽中的高頻電路類題目作為學生綜合設計類實驗，將競賽中采用的新技術、新方法在高頻電路實驗中推廣，引導學生將所學知識進行運用和拓展，提高學生的綜合設計能力。

2.3 校企合作工程實踐

傳統的高頻電路課堂主要專注于講解電路的組成及其工作原理，脫離了工程的需要去理解晦澀難懂的理論知識，沒有從現實產品需求出發驅動學生設計電路方案、論證電路工作特性，沒有站在整個產品的角度去考慮問題、分析問題、解決問題。為此，學校采用校企合作的方式來提高學生的工程實踐能力。目前已和國內多家知名企業建立了合作關系，合作方式有以下幾種。

1）建立校企合作高頻電路實踐平臺。以工程問題導向延伸和拓展理論知識內容，以工程項目式實驗實訓方式深化學生對高頻電路理論知識的認知，以專業競賽的實戰訓練方式提升學生系統分析、設計和制造的能力。

2）共建一系列的專業實習基地。學生在學習高頻電路課程之后到校外實習基地進行實習，參與企業產品的生產和開發，解決生產中的實際問題，實現工程實踐能力的訓練和培養，以增強專業適應能力和就業競爭力。

3 結束語

工程教育專業認證要求培養學生的工程實踐能力、創新思維能力、系統分析與設計能力，能夠運用所學知識解決復雜性工程問題。高頻電路課程組在重慶市教育教學改革項目、西南大學實驗技術研究項目的支持下，對高頻電路課程進行改革與實踐。本文根據高頻電路的課程目標，對課程教學內容和特點進行分析，在此基礎上進行了理論教學改革、實驗教學改革和校企合作工程實踐。高頻電路課程改革在2021級電子信息工程、通信工程專業本科教學中進行了實踐，收到良好的教學效果。在今后的高頻電路課程教學中，課程組將繼續優化資源配置、改進教學方法，加強學生實踐能力和科技創新能力的培養，為國家培養更多優秀的電子信息工程類人才。

4 參考文獻

[1] 中國工程教育專業認證協會 教育部教育質量評估中心 關于發布已通過工程教育認證專業名單的通告[EB/OL]. （2023-06-28）[2023-11-26].https：//www.ceeaa.org. cn/gcjyzyrzxh/xwdt/tzgg56/632172/index.html.

[2] 《工程教育認證通用標準解讀及使用指南（2022版）》 修訂說明[EB/OL].（2022-11-08）[2023-12-26].https：// dpb.ncu.edu.cn/docs/2024-03/8c6f3bda45944723bb4b 628871f7d998.pdf.

[3] 工程教育認證工作指南（2018版）[EB/OL].（2017-11- 01）[2023-08-22].https：//www.hfuu.edu.cn/_upload/ article/files/37/a1/d79a5f3b4e3e8ecbc00576024b5 c/8072abfd-df38-4637-8687-b88239ea885c.pdf.

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[5] 馮軍，謝嘉奎.電子線路（非線性部分）[M].6版.北京： 高等教育出版社，2021.

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[8] 梁麗芳.高頻電路實驗教學改革與探索[J].實驗室科 學，2017，20（2）：147-150.

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[10] 趙彥平，王波，王勇，等.仿真實驗在“高頻電子電路” 課程中的作用[J].電氣電子教學學報，2023，45（4）： 208-211.