“模擬電子技術”課程培養工程思維能力的方法

［摘 要］ 為適應新時代工程教育的人才培養需求，提高學生解決復雜工程問題的能力，針對“模擬電子技術”課程傳統教學中重知識、輕思維，理論教學與工程應用割裂的問題，在分析“模擬電子技術”課程工程特點的基礎上，將產品案例融入教學，拓寬學生工程視野。在課堂教學中，采用啟發式、研討式教學方法，從模擬電子電路的定性分析、定量估算、電路設計以及硬件實現等四個維度，訓練學生掌握和運用工程思維方法，綜合性、創造性地應用所學知識解決電子技術領域的復雜工程問題。

［關鍵詞］ 模擬電子技術；工程思維；產品案例；電路設計；項目實踐

［基金項目］ 2021年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“模擬電子技術與電路分析課程整合及教學模式創新改革與實踐”（2021JGB187）；2020年度教育部第二批新工科研究與實踐項目“新工科背景下地方高校電子信息類人才創意創新創業能力培養探索與實踐”（E-DZYQ20201425）；2020年度廣西高等教育本科教學改革工程項目“新工科背景下一流專業建設的探索與實踐——以電子信息類專業為例”（2020JGZ118）

［作者簡介］ 李旭瓊（1973—），女，廣西南寧人，工學碩士，桂林電子科技大學信息與通信學院副研究員，主要從事電路與系統研究；劉慶華（1974—），女，四川南江人，工學博士，桂林電子科技大學信息與通信學院教授，主要從事信號處理研究；韋雪明（1978—），男，廣西河池人，工學博士，桂林電子科技大學信息與通信學院副教授，主要從事集成電路設計研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）42-0153-04 ［收稿日期］ 2023-07-18

2016年6月2日，我國正式加入《華盛頓協議》，這被認為是中國高等教育取得的具有里程碑意義的歷史性突破。在工程教育專業認證標準的12項通用畢業要求中，從第一條至第七條及第十條都直接指向解決“復雜工程問題”的能力要求，明確體現了本科工程教育的基本定位是培養學生解決復雜工程問題的能力［1］。培養工科學生解決復雜工程問題能力不能只注重知識傳授，更重要的是在思維結構方面突出工程思維能力建構，訓練學生掌握和運用工程思維方法，綜合性、創造性地應用所學知識分析問題和解決問題。學生解決“復雜工程問題”能力的培養不能僅依靠畢業設計、綜合實踐等一兩個實踐環節，而必須通過整個培養體系實現，分解落實到教學各個環節、各門課程之中［2］。

“模擬電子技術”是電氣、電子信息類專業的核心專業基礎課程，具有很強的實踐性和明顯的工程技術特征，是學生接觸的第一門直面工程應用的課程，因而是啟蒙引導學生建構工程思維、培養解決實際工程問題能力的重要載體［3］。目前，“模擬電子技術”課程的教學由于受到學時、教學資源的限制以及傳統教學理念、教學方法的局限，在實際授課中教師難以開展系統有效的工程思維訓練，造成理論教學與應用能力培養割裂的困局。大部分學生在學完課程后，只是了解掌握了基本概念和單元電路的工作原理和分析方法，但由于缺乏工程知識和工程思維的指導，不能將理論知識靈活應用到工程實際中，稍微復雜的電路不會分析，設計、制作和調試電路的能力較弱，不能達到學以致用的教學目標。

本文在分析“模擬電子技術”課程工程特點的基礎上，通過改進教學內容和教學方法，引導學生建立全局系統觀和工程意識，強化學生綜合運用模擬電路知識解決實際問題的工程思維培養，提升學生的工程素養及實踐創新能力，促進工程教育人才培養目標的達成。

一、“模擬電子技術”課程中的工程思維

工程思維是以價值為導向的建構性的造物思維，是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維。首屆北大新工科國際論壇（2021）主論壇上，百度創始人李彥宏認為，化繁為簡、知道妥協和循序漸進是工程化思維和科學化思維的主要區別。古魯·馬達范在《轉向：用工程師思維解決商業難題》中對工程思維做了深入闡釋，提出工程思維的三大要素是結構、約束和取舍［4］。

根據工程思維的內涵特點，結合“模擬電子技術”課程內容以及學生實際情況，在“模擬電子技術”課程教學中培養學生的工程思維能力主要包括以下四個方面。

1.系統思維能力。任何電子產品都是由多個電子元件或功能模塊組合而成的系統，系統各要素之間相互聯系、相互制約，任何一個要素發生變化，都會影響其他各要素，甚至使整體功能發生變化。研制電子產品，除了技術本身以外，還要考慮成本、外觀以及營銷等諸多因素，需要具備全局系統觀，學會用整體的、關聯的方法思考問題。

2.簡化思維能力。工程以創造價值為目標，在允許的誤差范圍內，力求用最簡單、有效的方案解決實際問題。實際的電子系統在滿足功能和基本性能指標的前提下，允許存在一定的誤差范圍。在分析設計電子電路時，由于電子元件參數的分散性、溫度敏感性和各種物理效應，進行嚴格精確的計算既不現實也沒有必要，因而需要善于抓住問題的主要矛盾，忽略次要矛盾，采用工程近似的方法化繁為簡，學會高效地分析處理問題。

3.權衡取舍能力。凡事“有一利必有一弊”，模擬電路設計中充滿著技術指標、功耗以及成本等各種約束，而這些約束往往不能同時滿足，甚至會互相沖突。在電路設計和器件選型時，需要統籌考慮，權衡利弊，懂得取舍，不要盲目追求某一方面的性能特別優秀，要建立“合適的設計才是最好的設計”的折中設計理念。

4.實驗至上觀念。實際的電子系統必然會受到環境的影響，包括電路布局布線、溫度、濕度、光照以及噪聲等，這些影響因素在理論設計和仿真過程中是很難計算和模擬的，尤其是電路的穩定性和各種設計缺陷，只有在實驗調試過程中才容易暴露出來。實際的電子系統通常需要經過不斷的實驗測試、調試改進才能達到預期的指標［5］。

二、在教學中培養學生的工程思維能力的方法和策略

在教學中培養學生工程思維的關鍵是做好教學設計，包括教學內容組織和教學方法。教師從課程知識點中挖掘工程問題，在課堂教學中創設工程應用情境，采用啟發式和研討式教學引導學生運用工程思維分析設計模擬電子電路。經過若干單元的訓練逐步養成一定的工程思維能力，然后通過綜合設計性的項目任務讓學生在實踐中提升解決復雜工程問題的能力。

1.以電子產品為載體組織教學內容，增強工程認知，培養系統思維。把教學單元內容“封裝”到一個實際的電子產品中，通過整機電路清晰呈現各個單元模塊以及元器件的連接匹配關系，有利于學生站在系統的高度了解各個模塊在整個電路中的地位、作用和相互影響，幫助學生建立全局觀念，引導學生用聯系的方法理解系統對各個單元模塊提出的性能指標要求。表1是“模擬電子技術”課程教學單元內容與對應的電子產品案例。

以“基本放大電路”為例，該教學單元主要包括共射電路、共集電路和多級放大電路，考慮學生為初學水平，選擇由分立BJT三極管組成的拾音器來組織教學內容。在這個電子系統中，駐極體麥克風（傳感器）為信號源，內阻幾百歐，輸入級要求具有較高輸入阻抗以利于提取有效信號；輸入電壓只有毫伏數量級，需要較高的電壓增益獲得足夠大的信號才能驅動喇叭，因此采用兩級共射放大電路實現放大電壓；喇叭電阻只有32 Ω，為了實現最大功率傳輸，后級采用了低輸出阻抗的共集電路實現阻抗匹配。通過對電子產品進行整體上的定性分析，使學生能夠全面深入地理解系統對輸入級、輸出級在指標上的要求，以及它們在系統中的作用、相互影響和匹配關系，有利于培養學生的系統思維。另外，作為實用產品設置了抗干擾濾波電路（C1、C3、C10、C11），提高穩定性的負反饋電路（C4、C7），用于監控設備運行樁體的指示燈，這些輔助電路就是實際電路需要考慮的工程因素，可以幫助學生跳出原理電路的局限，增強對工程的理解。

2.以“工程近似”簡化定量分析，培養用簡化思維解決復雜問題的能力。模擬電子電路的核心是半導體器件，包括二極管、BJT三極管、場效應管等。這些半導體器件是非線性器件，其伏安關系比較復雜，而且半導體器件存在多種物理效應，如PN結電容效應、BJT的基區寬度調制效應、MOSFET的溝道長度調制效應等。因此，想要建立反映全部特征效應的電路模型進行精確計算是非常困難且不切實際的。在實際工程應用中，電子電路定量分析的目的不是追求理論的深入和結果的極致精確，而是衡量評價電路是否滿足設計需求。在教學中要引導學生打破嚴謹推導、精確計算的慣性思維，從工程的角度運用簡化思維分析思考問題，善于抓住器件或電路的主要特征，忽略次要因素，學會用“工程近似”的方法簡化電路的建模和分析過程，力求用簡單有效的方案解決問題。

用“工程近似”方法分析求解模擬電子電路，一定要強調近似的條件及合理性，實際應用時應根據具體應用場景和工作條件，通過合理近似獲得高效快速解決問題的方案。

3.在電路設計中學習取舍之道，提升權衡取舍能力。電路設計包括需求分析、拓撲結構設計、元器件選型、仿真驗證以及電路實現等方面。一個好的電路設計必須完全滿足系統功能和性能要求，在此基礎上應盡可能地簡化電路結構，避免片面追求高性能指標和過多的功能，合適的設計才是最好的設計。

電路設計過程其實就是在多約束條件下進行選擇、平衡、取舍和優化的過程。以小信號放大器為例，放大器的性能參數除了增益、帶寬之外，功耗、電源電壓、線性度以及最大電壓擺幅等參數也很重要，還有輸入輸出阻抗決定了電路該如何與前級和后級互相配合。在實際中，這些參數往往相互牽制，甚至會互相沖突。比如，增益帶寬積是常數，提高增益則勢必會使帶寬變窄，增大輸出電壓擺幅則功耗會增大，增大輸入電阻噪聲減小但是會使高頻特性變差等。因此，在電路架構設計和器件選型過程中，需要從整體出發進行綜合考慮，在各種性能指標之間權衡取舍，同時還要考慮成本和可靠性等工程因素，經過反復評估、優化才能得到一個滿足需求的電路方案。

多約束條件下的電路設計，不僅需要熟練掌握器件及單元電路的結構、原理、性能和指標估算，還要用到一些設計經驗，對學生來說具有一定的挑戰性。在課堂教學中，可以結合工程案例，采用啟發式、研討式的教學方法，指導學生如何根據需求選擇電路方案和器件選型，傳授一些設計經驗，并輔以電路仿真進行驗證。課后可以布置一些設計性作業，由簡單到復雜循序漸進，使學生在電路設計過程中逐漸形成平衡取舍的思維習慣，提高權衡決策的工程能力。學會選擇、學會妥協、學會權衡取舍，這種思維方法也是正確看待世界的方法，是人際溝通、為人處世的方法和智慧［6］。

4.實驗至上、躬行實踐，善用工具分析解決問題。實驗至上觀念是工程思維培養的重中之重，只有通過實踐才能實現工程思維的社會應用與遷移。教師可以設置具有一定挑戰度的綜合設計項目并要求學生以團隊合作形式，通過電路設計、焊接安裝、測試調整等，最終完成實物作品。綜合設計項目應在總評成績中占有較大的比重，如10%～15%，以推動學生投入精力認真完成。此外，教師需要開放實驗場所，配備基本元器件、常用工具和儀器設備，給學生提供良好的硬件支持。

要完成綜合設計項目，學生不僅需要扎實的理論知識儲備，還要熟練掌握EDA軟件工具（如Mulitism、SPICE、Altium Designer等）和各種儀器設備（如萬用表、示波器、信號發生器、直流電源、掃頻儀等）的使用。在實驗調試過程中，教師要引導學生善于借助工具儀器進行故障診斷和排除，通過不斷調整和改進，最終使作品達到預期的功能和指標。

在電路設計方案轉換為“硬件實現”的過程中，學生可以深刻體會原理電路、仿真電路與實際電路的區別，強化工程認知，積累一定的工程經驗。在實驗調試的過程中，進一步鍛煉了學生發現問題、解決問題的能力。同時，硬件作品成果的產出，使學生收獲成就感，激發其創造熱情和專業自信。

結語

新時代的工程教育強調學生解決復雜工程問題能力的培養，以知識傳授為主的傳統教學已經難以適應新工科人才培養的需求，這需要在教學的全過程中加強工程思維的訓練，讓學生在未來工程實踐中面臨各種未知與復雜問題時能夠靈活運用、妥善解決。系統思維、簡化思維、平衡取舍能力都是解決復雜工程問題的利器，只有通過實踐才能實現工程思維的社會應用與遷移。

參考文獻

［1］寧濱.以專業認證為抓手，推動“雙一流”建設［J］.中國高等教育，2017（Z1）：24-25.

［2］蔣宗禮.本科工程教育：聚焦學生解決復雜工程問題能力的培養［J］.中國大學教學，2016（11）：27-30.

［3］王衛東.模擬電子技術基礎［M］.4版.北京：電子工業出版社，2021：Ⅳ.

［4］馬達范.轉向：用工程師思維解決商業難題［M］.北京：中信出版社，2016：65.

［5］童詩白，華成英.模擬電子技術基礎［M］.5版.北京：高等教育出版社，2015：5.

［6］楊成林.模擬電子技術課程培養工程師文化的探索與實踐［J］.電腦知識與技術.2022（18）：178-180.

Strategies for Cultivating Engineering Thinking Ability in the Teaching and Learning of Analog Electronic Technology

LI Xu-qiong， LIU Qing-hua， WEI Xue-ming

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi 541004， China）

Abstract： In order to meet the talent cultivation needs of engineering education in the new era， improve students’ ability to solve complex engineering problems， in response to the traditional teaching of analog electronic technology courses that emphasizes knowledge imparting over thinking training， and the separation of theoretical teaching and engineering application， this paper proposes improvement methods for course teaching based on the analysis of the engineering characteristics of analog electronic technology courses， integrating product cases into teaching content to broaden students’ engineering perspective. Using heuristic and deliberative teaching methods in classroom teaching， students are trained to master and apply engineering thinking methods from four dimensions： qualitative analysis， quantitative estimation， circuit design， and hardware implementation of analog electronic circuits， enabling students to comprehensively and creatively apply their knowledge to solve complex engineering problems in the field of electronic technology.

Key words： Analog Electronics; engineering thinking; product case; circuit design; project practice