CDIO理念在模电教学中的探索与实践

张静秋，桂卫华，陈宁，陈明义

（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙，410000）

0 引言

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果，其培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力四个层面，并分解为12个标准，这也是目前我国高校“双一流”专业建设努力要达成的目标。2017年2月18日教育部在复旦大学召开综合性高校会议，发布了“新工科”建设“复旦共识”，对国际工程教育改革发展做出了中国本土化的回应，阐明了“新工科”着重要培养的是两方面能力，工程创新能力和适应变化能力。

随着计算机应用的飞速普及，IM（Intelligent Manufacturing）智能制造时代滚滚而来，高校的教学目标、教学手段、教学理念以及教学对象都发生了巨大变化，“知识”和“课程”是大家上网一搜即可获得的东西，与时俱进调整教学模式是每个教师都面临的首要问题。

近年来教育界倡导从“独白式教学”走向“对话式教学”，由“依赖性教学”走向“独立性教学”，从“有效教学”走向“卓越教学”，由“知识性课堂”走向“生命性课堂”，教师由教学中的主角转向“平等中的首席”，从传统的知识传授者转向现代的学生发展促进者。

模拟电子技术作为工科学生尤其是电类机电类学生的一门重要的专业基础课程，在构建学生电子技术基础理论、基本技能和创新能力方面起着重要作用。该课程概念比较抽象、知识点繁杂，研究对象是以非线性器件为核心的非线性电路。在计算机辅助分析不够发达的时代，为了简化模拟电路的分析计算引入了工程估算法，在特定工作条件下，将非线性器件和非线性电路进行外特性建模做了线性化处理，同一个元件在不同工作条件下，采用不同的线性电路模型来近似；不同的单元电路分析方法也不同，给初学者带来了困扰，有“魔电”之称！

本文探索了一种高效的、混合的模拟电子技术教学模式，引领学生借助于现有的网络资源和图书资料进行课前预习和课后练习，在问题串式课堂互动以及虚实结合的课外实践中，达到模电课程教学目标。并协同其它课程一起，共同帮助学生提升“新工科”要求的两个重要能力，达成CDIO描述的四个层面的预定目标。

1 目前教学现状分析

近些年，来自企业的抱怨不绝于耳：应聘的人才似乎“满腹经纶”，但却一无是处。他们只会做题、应付考试，或者复述书上的东西，一旦遇到问题就不知道如何解决了；知识对他们来说是一种负担；应聘人员动手操作的能力、发现问题的能力都很差，更不用说创新能力了。在经济高速发展20多年后，高校的培养模式广受诟病，一方面用人单位找不到合适的人才，另一方面大量的高校毕业生失业，还有许多毕业生进入社会以后难以适应工作需要。这就不能不检讨我们的教育了，高校的教学模式几十年没有明显变化，严重滞后于科技发展步伐。学校培养的“人才”有许多不仅不能引领时代潮流，而且成了落伍者。

为此高校进行了一系列的尝试，例如雨课堂、翻转课堂、MOOC（Massive Open Online Courses）大规模开放式在线课程、对分课堂、混合教学模式等。试图探索一条适合于中国经济和社会发展需要的人才培养模式。罗素指出，教育就是在教师的指导下让学生学会自主思考。英国教育家威廉·亚瑟说，“平庸的教师只是叙述，较好的教师是讲解，优秀的教师是示范，伟大的教师是启发”。所谓教无定法，因材施教，教学没有最优范式。张楚廷教授在其《大学里，什么是一堂好课》中说，能够唤起学生提问，居然被学生的问题问倒了（教师一时答不出来）的课，算是最好的课。但是，“凡事向来知易行难，教师要做到这一点，需要对学生怀有无尽的爱和对教育事业怀有执着的精神，更要努力培养自己善于思考的行事特征和独立见解的思维品质。用自己的思想点燃学生自主思维的意识，点燃学生独立探索的精神，这是教师的天职”。大学老师应该恪守职业道德，为人师表，传道授业，报着为国家培养人才、为社会培养高素质公民的心态，努力提高教学水平，从有效教学到卓越教学迈进。

2 模拟电路课程教学组织

低频模拟电路归纳起来有两大核心问题：一是放大，二是反馈；三大核心器件：二极管、三极管和集成运放；以及四大功能电路：信号放大与调理、信号发生与转换、信号比较与整形、直流稳压电源。

在教学组织上，可以根据教学内容采用不同的教学模式，例如以点带面辐射式；多头汇集聚焦式；集成运放工作区归类式等。学生需要进行课前预习、课堂互动问答、大纲规定的知识点练习，以及课外实践。

■2.1 教学内容组织

在主讲知识点的教学模式选择上，可以采用以点带面辐射式，讲透一个点辐射一个面。围绕着核心器件与功能电路，精选有代表性的电路作为“点”，这种方式适合于不同研究对象的共性问题教学。以基本放大电路的分析为例，以点带面辐射图如图1所示。以固定偏置共射放大电路为“点”，将其构成原则、静态分析方法、动态性能指标计算方法以及Q点稳定等问题讲透，围绕图1中心的“点”辐射的6个电路—分压式偏置共射/共源放大电路、共集/共漏放大电路、共基/共栅放大电路，引导学生自己对电路进行分析，研究电路特性和应用场合，发现存在问题，找寻解决方案。

图1 基本放大电路以点带面辐射图

再如基本运算电路的分析，以点带面辐射图如图2所示。以反相比例运算电路为“点”，将这类电路的共性问题，如集成运放工作在线性区的分析方法、平衡电阻取值、是否存在共模输入、输入电阻是否有利于获取信号、输出电阻是否有利于驱动负载、集成运放的选择等问题讲透，其它6个电路引导学生自己对电路进行分析，借助仿真手段，研究各电路的特性，并进行设计和虚拟实践。

对于牵涉面广的复杂元件或者电路，宜采用汇集聚焦式。例如以集成运放为“焦点”，其内部结构复杂，包含的单元电路多，涉及到的问题也多，但是归根结底就是要达成两个目标：一是要方便集成到一块芯片上，即构成集成电路的元件选择有特殊的要求和限制；二是有足够的放大能力，这就包含有良好的信号获取、放大、抑制零漂和驱动负载的能力。采用汇集聚焦式教学法介绍集成运放的思维导图如图3所示。引导学生围绕“焦点”—集成运放，去理解其中各单元电路的组成和特性，级间耦合，信号有效传输等问题。为后续集成运放的电路分析和应用打下坚实的基础。

图2 运算电路以点带面辐射图

图3 集成运放的汇集聚焦式思维导图

而对于围绕核心器件的常用应用电路，宜采用归类法。以集成运放的应用电路为例，采用工作区归类模式教学的思维导图如图4所示。将集成运放的应用电路分为三类：第一类电路中的集成运放均工作于线性区；第二类电路中的集成运放均工作于非线性区；第三类电路中的集成运放，既有在线性区工作的，也有在非线性区工作的。

例如当集成运放在线性区工作时，有一致的结构特征—负反馈，相同的分析依据—虚短和虚断，基本相同的分析方法—利用KVL、KCL、叠加原理等列出电路方程，求解集成运放线性区应用电路的输出电压与输入电压之间的函数关系。虽然各电路组成元件不同、特性不同、应用不同，但是分析方法一样，归为一类便于学生学习其分析和设计方法。

掌握了第一类和第二类的应用电路的分析和设计方法，那么第三类综合应用电路的分析和设计问题就迎刃而解了。

■2.2 课堂互动设计

为了达成CDIO和“新工科”的培养目标，训练学生分析、总结、归纳、表述、质疑和创新思维能力，由传统的“独白式教学”走向卓越的“对话式教学”，教与学的双方都将面临极大的挑战。在课堂上最棘手的问题就是如何激发学生参与课堂互动的热情和勇敢表达的意愿。《教学勇气—漫步教师心灵》作者帕克·帕尔默说，“作为一个教师，当我让恐惧占上风时，不管是教学时我恐惧学生还是我弄得学生恐惧我，我都处于最糟糕的状态”。教与学的双方都需要克服恐惧心理，去营造一个“教育共同体”，当教师“愿意放弃自我保护的专业自主，让我们像学生依靠我们那样去依靠我们的学生，我们就会更加走进那个真正的共同体所需的相互依存关系。当我们因需要我们的学生而说‘请’，因为我们真诚地感谢他们而说‘谢谢’时，通往共同体的障碍就开始消失，教师与学生就会展开更有共识和意义的深层对话，而学习会奇迹般地、生气勃勃地发生在所有人身上。……我在教室中的任务，相当于所想象中的牧羊犬的任务。学生一定要他们自己去喂饱自己……优质教学不能被贬低至技术层面：优质教学来自教师的自身认同和完整”。这些观点为教学互动组织提供了方法论的支持。

图4 集成运放应用电路工作区归类式思维导图

下面针对模电课堂互动，在技术层面上探索一些套路和技巧。对于重要知识点，可以采用问题串讲模式，将教学内容细分为一环扣一环的问题串，分析总结当前问题时，引导学生自己提出下一个问题，并寻求解决方案。老师所提问题应该具有开放性，学生需要用自己的语言总结和提炼，而不是在本章小结中可以直接找到答案。比如讲解基本放大电路时，可以设置如下问题串：

设问1：从“固定偏置阻容耦合的共射放大电路”这个名称，说明该电路有哪些特点呢？

设问2：固定偏置带来工作点不稳定问题有哪些解决方案呢？

设问3：与其他Q点稳定方案相比，分压式偏置的优势在哪里呢？设问4：怎么验证分压式偏置可以稳定静态工作点呢？设问5：有了分压式共射放大电路，为什么还需要共集和共基放大电路呢？

设问6：如何测量放大电路的静态参数和动态性能指标呢？

设问7：老师讲课用的扩音电路，能否用共射、共基和共集放大电路中的某个电路单独承担呢？

这种问题串讲的互动教学模式，使得学生知道要解决什么问题，解决方案的局限性以及可能带来的新问题。没有完美解决方案，如何取长补短，权衡各性能指标满足设计要求，从能用到好用，直到设计出性价比更高的电路。

在互动教学中教师经常会面临一个很尴尬的事实，当你想讲透一个点时，会发现牵涉面太大不可能讲透，有些问题可能目前还没有更好的解决方案。这会让学生看到老师的不足，感觉到人类认知的局限性，这未尝不是好的教学呢？教师不只是知识的传授者，更是学生发展的促进者，促进学生达到CDIO要求的工程基础知识和个人能力。

■2.3 课外实践

在电子技术发展日新月异的今天，电子技术课程的教学更应该站在计算机应用的前沿，将虚拟仿真作为理论和实践之间的桥梁，引导学生使用仿真软件进行辅助学习和虚拟实践。从以前用海量习题作为学习模拟电路的手段，过渡到注重知识的应用与工程实践。作为资深的模电老师，为了教学需要，围绕涵盖重要知识点的典型应用电路的分析和设计，在《电子制作》杂志发表了10篇基于Multisim仿真研究的论文，引导学生关注模拟电路在实际应用时的性能要求以及如何达到，让学生从老师的仿真范例中学习电路分析测试和设计方法，并进而研究自己感兴趣的问题。

在讲完二极管的结构原理和分析方法之后，发布仿真范例：“二极管及其典型应用电路仿真测试”，引导学生了解二极管常用典型电路，通过虚拟仿真分析，如何调节电路参数满足实际电路的性能指标要求。

在基本放大电路课堂教学中，引出了静态工作点稳定问题，共射、共基和共集三种接法带来性能指标和应用场合不同等问题，课后布置仿真实践作业，参照两篇论文：“静态工作点对放大电路性能指标的影响”、“共射共基和共集三种基本放大电路特性的仿真研究”，要求学生自己设计实验方案，测试放大电路的信号获取、放大以及负载能力与哪些性能指标有怎样的关系。

在介绍集成运放在线性区的应用电路时，给出仿真范例：“基于Multisim的差动放大电路典型应用特性研究”、“基于集成运算放大器的加减法运算电路的分析与设计”。介绍集成运放在非线性区的应用电路时，给出仿真范例：“基于Multisim的滞回电压比较器的设计及其应用”、“基于集成运算放大器的窗口电压比较器的设计”。介绍集成运放在综合应用电路时，给出仿真范例：“二阶有源低通滤波电路的计算机辅助设计”、“基于集成运放的压控振荡电路仿真研究”以及“限幅放大器的仿真研究” 。引导学生对集成运放的典型应用电路进行分析、测试和设计。

在学生进行仿真实践的基础上，发布小型实用模拟系统的设计制作任务，学生可以在寝室里用便携式实验箱完成制作和测试。例如声控路灯电路、助听器电路、音调控制器、分频扩音电路、移相信号发生器、直流稳压电源等等。还可以给出更具有开放性的课题，例如围绕核心元器件三极管和集成运放的应用，给出可供选择的主要元器件：集成运放、中小功率三极管、稳压管、二极管、各色LED、传声器、红外发射和接收元件、光敏电阻、光电耦合器、继电器、蜂鸣器、扬声器等等，引导学生了解常用电子元器件，让学生充分发挥想象力，自己查找资料确定一个具有完整功能的制作目标，在要求的时间内完成制作并提交报告。鼓励学生组建3～5人的小组进行仿真和实际制作。通过虚实结合的课外实践，促成学生达到CDIO要求的人际团队能力和工程系统能力。

3 考核标准

考核的意义除了评价学生的学习效果，还应该使我们的考核“是强化学习而不是审判，强调合作而不是竞争，从而提升成绩在共同体中所做的贡献”。为此，为了加强学习过程的评价，平时成绩和闭卷考试可各占总评的50%。

平时成绩评分标准：互动问答占25%，阶段考试占25%，知识点练习占25%，课外实践25%。为了培养学生独立思考，上课互动评价不讲究标准答案，学生给出的理由能支持自己的观点就是好的回答。对于课外的知识点练习主要针对学习态度考核，作业是否认真、整洁干净、独立思维没有抄袭等。对课外仿真实践的考核主要看有没有自己的独立思考，以及涉及问题的深度等。对于小组课外实践，给小组每个成员相同的分数，鼓励成员共同进步。

4 结束语

学生从中学时代经历过大学教育进入社会，完成成长过程的巨大跨越，会伴随着破茧成蝶的不情愿和痛，老师必须成为有力的推手，让不断获得的小成就和喜悦促进学生自觉自愿地锻造培养自己成为满足社会需要的人才，成为国之栋梁。