基于新工科电子技术实验课程的学生能力培养研究

谢洪途 邹鹏 谢恺 呼啸 姜新桥 王国倩

摘  要：电子技术实验是一门重要的电子信息类基础实践课程，在工程实践类人才的培养上发挥着举足轻重的作用。文章结合目前我国大力发展新工科建设的需求，探讨传统类型电子技术类实验课程存在的问题，提出分拆校企合作或在目前正热门的实际课题中的电子技术类相关模块进行实验选题，要求学生在课前使用虚拟仿真软件对实验任务进行模拟仿真并完成所布置的设计类任务，再在线下实际课程中完成实体电路实验的培养模式，从而达到培养学生设计性思维、锻炼学生动手能力和巩固理论教学所学知识的目的。

关键词：电子技术实验;新工科;能力培养;虚拟仿真教学;自主设计;科教结合

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）06-0076-04

Abstract： Electronic Technology Experiment is an important basic practical course of electronic information， which plays an important role in the training of engineering practical talents. Combining the demand of developing new engineering construction in our country， this paper discusses the existing problems in the traditional type electronic technology experiment course， puts forward the spin-off university-enterprise cooperation， and selects the experimental topics fromthe modules related to electronic technology in current hot practical subjects. Students are required to use virtual simulation software to simulate the experimental tasks and complete the assigned design tasks before class. Then the training mode of solid circuit experiment is completed in offline practical courses， so as to train students' designing thinking， exercise their hands-on ability and consolidate the knowledge learned in theoretical teaching.

Keywords： Electronic Technology Experiment; the new engineering; ability cultivation; virtual simulation teaching; independent design; the combination of science and education

隨着历史的车轮不断向前滚动，我国综合国力及教育水平得到了极大的发展。在创新驱动发展理念愈发明显的国际大环境下，第四次工业革命的展开速度正以指数形式快速增长。随着现代计算机的计算力不断增强及数据传输技术的不断完善，人工智能技术的发展也在不断深入。在此背景下教育部推出了“复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”[1-3]，为我国新工科建设定下人才培养新基调，为各大高校相关专业的人才培养提出新目标，开拓并探索了工程教育改革新路径。

与此同时，我国正不断完善“中国制造2025”、“网络强国”等相关行动纲领，推进“互联网+”行动、国家大数据战略和“一带一路”倡议等，“工业4.0”的概念逐渐深入人心。但是近年来高校培养的专业人才数量不足，培养过程中学生缺乏足够的技术性训练，所学内容与产业脱节情况较为严重。因此，当下新技术与传统工业技术紧密结合且高速发展的行业（诸如大数据、云计算、机器人等）面临着较大的行业缺口，而现行的教育模式又不能使培养的学生很好地匹配业界工程化实践需求，学生处理实际工程项目的能力尚有欠缺，与我国目前正大力推崇的以“提升学生创新创业能力”为目标的高等工程类教育不太相符。

一、新工科电子技术实验教学培养需求

近年来随着高等院校不断扩招，高等教育大众化的趋势愈发明显，我国高等院校的培养模式也逐渐从精英教育向大众教育转变。目前，以新工科为代表的新兴技术及多学科交叉融合的发展规律也表明社会对于专业技术人才的需求愈发多元化。同时，电子信息及相关工科类学生在毕业后无论是升学还是就业所研究的课题通常都具有很强的应用背景，亦或是需要解决一个实际工程上的科学问题，“厚基础、宽口径”的培养方式便成为各高等院校工程类专业的首选。而电子技术类课程包含大量的理论理解和推导计算，与实际应用的联系不密切，所学内容较为抽象，尽管目前线下线上教学同步结合的翻转课堂模式有助于学生对概念的理解[4-5]，但学生依然易于陷入概念的理解和公式的推导而不知道实际工程中应当解决的是什么问题，更不知道在一个工程类项目中应如何结合自身所学知识对目标任务进行解决和优化。有学者将理论与实践结合，将项目教学法作为一种新型教学模式应用于教学中[6]，与此同时，注重培养学生的探索能力及创新性思维十分重要，这就要求教师在课程规划时应当更注重过程性评价[7]，并在制定整体评价标准时考虑到课前任务的验收，细致了解每个组员所对应的任务，保证每个学生都能很好地参与实验。

作为电子信息类专业及部分非电子类专业的核心实践类课程，电子技术实验是一门要求学生深入理解电子技术中数字电路和模拟电路的基本概念、基本原理和基本分析方法，并对理论知识进一步深化掌握和巩固的课程。其中，实验是学习电子技术的一个重要环节，能够巩固和加深理论课程中的教学内容，提高学生实际动手能力，培养科学的研究思维，树立严谨的科研作风，建立完整的知识体系，对学习后续课程、从事实践技术工作及相关学术研究具有重要作用[8]。因此，需要突出学习过程中的实践与研究活动的融合。结合工科教学特色，在传统的以若干个项目实验为教学内容基础上增加自主设计部分，循序渐进从易到难，既培养学生独立思考的能力，将课堂实践与后期所要面对的科研任务相结合，又能促进学生对知识进行回顾，并积累设计类实践任务的经验，同时还可以结合目前较新的科研竞赛试题为学生进行分拆讲解[9]，鼓励学生结合自身情况接触实际科研任务。也可参考国外高校的实验类课程安排，在结课考核时不仅仅只是收取实验报告，还要对设计所得电子系统的功能和性能进行考察[10]。本文所提出的电子技术实验的课程安排如图1所示。

二、新工科电子技术实验教学改革实践

以集成运放基本应用之一的模拟运算放大器设计实验为例，集成运算放大电路是一种高性能的直接耦合多级放大电路。除了常见的加法和乘法外，其可在与不同元器件组成负反馈电路或输入时形成不同的线性及非线性函数特性，比较常见的还有积分、微分、对数、指数等模拟运算电路。实验中，如图2所示，给出难度较低但十分重要的反向比例运算电路、同向比例运算电路的电路原理图，要求学生在预習阶段通过诸如Multisim等EDA软件进行模拟仿真，增加对实验原理的理解及相关知识点的掌握。

传统的电子技术类实验课更像是一种程序式任务，学生根据实验书籍对器件进行连接，按照要求测定相关仪器读数并完成相关分析即可，使得部分学生在实验过程中甚至不明白自己究竟在干什么，每一步究竟是为了什么，所得参数究竟代表什么，在课后写实验报告时才会结合以往所学知识对数据进行回忆式分析，而实验进程中出现的问题则会忽略，达不到实验课程预期的培养效果。同时，这种课程设计方式容易造成与理论课程相分离，在理论课程学习中得不到有效的实践，实验课程中又无法对理论进行有效的回顾，使得教学情况达不到预期效果。

虚拟仿真软件对于电子类专业的科研及工作都有着很深远的影响和帮助，电子技术类实验课程可以适当增加仿真类设计任务作为线下实验的准备工作，既加强了学生对于理论知识的回顾理解，又能让学生提前体会到电路设计实际工作的相关过程，同时增进学生的团队合作意识。在实验任务的布置中，要求学生根据给定的基础实验原理图，自行设计难度较大的反向加法运算电路和电压跟随器（图3），或在分组进行实验的课程中增加差分放大电路和积分运算电路（图3）的设计任务供学生自行组内分配。这样既能增强学生对于知识的理解，又不会因为难度较大挤占学生们过多的时间，同时增加学生们对于EDA软件的熟悉程度，便于在未来更好地开展科研工作。此外，应鼓励学生课后更多地参与到实际科研工作中，鼓励学生参加科研竞赛、进实验室接触实际课题，教师在授课时也可主动结合当下比较新颖的竞赛试题为学生拆分讲解，帮助学生构建知识体系框架，更好地理解工程实践，实现知识交叉融合，开阔科研视野。

此外，校企结合的选题模式应予以鼓励实施，在本就以设计类任务为主的期中和期末课程设计考核时，导师可从自身与企业合作项目中寻找方向，根据授课学生能力情况拟定设计题目，并根据实际情况对试题不断更新。诸如，可让学生完成一个音频功率放大器或简易无线遥控系统等有着实际应用场景的设计类任务。现以2019年全国大学生电子设计竞赛F题纸张计数测量电路为例，如图4所示。该综合类题目对于学生来说自然是有一定难度的，但老师可以将该试题分解为若干模块后为学生们大致讲解各个模块间的协同逻辑及涉及学科，并将类似于信号放大模块、D/A输入模块、显示模块和电源模块等电子技术实验相关部分拆解后分给不同的小组进行实验设计。图5为该试题中可用于小信号放大的模块电路图，学有余力的学生也可根据题目背景对小组所选题目进行一定的功能性优化，并对整体架构提出自己的建议和看法。

三、结束语

目前新工科发展趋势火热，高等院校的培养方式愈发转向以社会需求为导向，在此背景下，我国对于人才需求多样化、知识结构交叉化的特点更加突出，本科生教育及研究生教育也更加注重理论联系实际。电子技术实验课程作为引导学生将理论课程所学知识与实际工程所需相结合、更好地构建工程设计性思维的骨干类实践课程，其所承担的构建学生知识及实践框架的教学任务也更加突出。

通过对所布置实验任务的优化，引导学生通过虚拟仿真软件对实验原理图进行仿真，实验前便对整个实验体系进行整体性了解，并通过设计类任务引导学生们自主学习并仿真设计。在期中和期末课程设计任务中加入校企合作类项目或与实际关联紧密的题目，帮助学生更加全面系统地认识何谓工程，有利于引领学生提前适应未来工作及科研的学习方式。从本质上认识工程类专业在具体实践中究竟应该如何工作，提升学生的综合能力。

参考文献：

[1]教育部.“新工科”建设复旦共识[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部.“新工科”建设行动路线[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.“新工科”研究与实践项目指南[EB/OL].[2017-12-26].http：//www.moe.edu.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[4]杜湘瑜，李德鑫，陈长林.基于BOPPPS模型的模拟电子技术基础线上线下混合教学研究与实践[J].高教学刊，2020（13）：8-12.

[5]李德鑫，贾珍珍，余安喜，等.翻转课堂在电子技术基础教学中的应用分析[J].高教学刊，2020（6）：86-90.

[6]陈思，杨伟.基于创新人才培养的课程改革——以电子技术课程为例[J].中国教育技术装备，2019（16）：84-86.

[7]张海涛.应用型本科电子技术课程实践教学改革研究[J].办公自动化，2019，24（22）：29-31.

[8]丁文霞，杜湘瑜，库锡树，等.电子电路系列本科人才培养方案的研究与实践[J].高等教育研究学报，2013，36（2）：91-93+103.

[9]刘荣科，杨昕欣，洪韬.面向新工科建设的电子电路系列课程教学的思考与实践[J].高教论坛，2018（9）：20-23.

[10]杜湘瑜，丁文霞，库锡树，等.多伦多大学电子系列课程的观察与思考[J].高等教育研究学报，2013，36（1）：67-69.