美国明尼苏达大学电路与电子技术实践教学研究

2013-09-08陈一民周渡海张明珠

实验技术与管理 2013年8期

陈一民，魏东，周渡海，张明珠

（1.北京建筑大学电气与信息工程学院，北京 100044；2.北京建筑大学工程实践中心，北京 100044；3.北京工业职业技术学院信息工程系，北京100042）

电路与电子技术系列课程通常包括电路原理、模拟电子技术、数字电子技术3门课程，这些课程是国内电气信息类专业本科学生的主干专业基础课程。依托理论课程所设置的实践教学课程不仅使学生巩固课程的理论知识，提高动手能力，同时也将为学生后续课程的学习和实践打下基础，因此在整个专业教学体系中占有极为重要的地位［1－3］。

本文将美国明尼苏达大学电路与电子技术实践教学课程（包括课程设置、实验室软硬件条件、实验教学内容和教学手段）与国内工科高校相关课程进行对比，分析了明尼苏达大学电路与电子技术实践教学的特点，为我国高校相关课程的实践教学提供有益的经验。

1 电路与电子技术实践课程构成

明尼苏达大学电路与电子技术实践课程是该校电气与计算机工程系为电气工程、计算机科学与技术本科专业开设的专业基础课程，同时也面向机械工程等其他专业学生授课。电气工程专业要求本专业学生完成24学分的实践课程（共计8门实验室课程，不包含物理、化学等基础实验课程），其中电路与电子技术实践课程必修部分共有9学分，占全部实践课程学分设置的38%［4］。这说明该校工科教育非常重视学生基础能力与技能的培养。

明尼苏达大学电路与电子技术实践课程包含5门独立设置的实验室课程，其中有4门课程是电气工程专业的必修课程［5］（见表1）。按照培养方案，必修课程要求本科学生在第3、第5、第6学期完成。与国内大学不同，美国大学课程设置较为灵活，全年秋、春、夏3个学期都开设了这些课程，便于学生在任何学期都可以修完相应课程。

表1 明尼苏达大学电路与电子实践环节内容

2 电路与电子实验室软硬件条件

实验室的软硬件环境为实践教学的顺利进行提供了必要的条件和保障［6］。明尼苏达大学电气与计算机工程系的电路与电子技术实验室充分体现了实用的特点，在充分保证实践教学的前提下优化实验室的资源，实现全天开放实验教学。

2.1 实验室构成

明尼苏达大学电路与电子技术实践课程主要面向电气与计算机工程系本科学生开设，但是也面向机械工程、航空航天工程等专业的学生开课。由于只有4间实验室，所以其中一间实验室是EE3101和EE3102这2门课程共用的实验室。

明尼苏达大学的电路与电子技术实践课的实验室面积都不是很大，每间只有40～60m2。然而，这并不意味着实验资源紧张或实验条件恶劣。通常，该校每门实验室课程会有4～10个实验课段（session），每个实验课段只容纳12～14名学生，因此每个学生的实验面积并不少。这样安排一方面能够保证较为良好的学习环境，另一方面也便于教师进行辅导。

可以看出，每门课程被分为几个实验课段，并且实验室全天和全年开放，使得明尼苏达大学电路与电子实践教学能够在实验室数量较少、面积较小的情况下高效运行，也使得实验设备占用的资金减少而使用率极大提高。这种在有限的实验室面积和较少设备购置经费的条件下，能够保证教学顺利实施和良好教学效果的经验颇值得我国高校学习。

图1是明尼苏达大学电气与计算机工程系一间电子实验室内部情况。这一实验室使用面积约60m2，共有10套实验设备，却完成EE3101和EE3102这2门基础实验室课程的实验教学。按照2012年春季课表，EE3101课程设置4个实验课段，EE3102课程设置9个实验课段，使该实验室周课内学时达36学时，实验室空闲率很低。

图1 电气与计算机工程系电子实验室

2.2 实验设备硬件条件

明尼苏达大学电气工程专业虽然在美国大学中排名较为靠前，但就其本科实验室设备条件来说与我国国内普通大学电气工程本科教学实验室有着较大区别。

该校电路与电子技术实验室均没有装备像我国国内大学那样的成套实验箱或是实验台，而只有简单的面包板。测试设备主要采用NI公司的LabVIEW虚拟仪器并结合实体数字示波器、逻辑分析仪等测试设备，老式模拟示波器在实验室内仍有所保留，便于学生学习使用。

面包板虽然不如实验箱操作简便，但需要学生完成元件级的实验电路搭接与调试工作，从而极大地锻炼了学生的动手能力。面包板和所用的电子元器件通常会在开学初发给学生，学生可以在进入实验室前利用课余时间完成电路的组装工作。这样做也会降低设备的采购成本，并使实验室的通用性和实验的灵活性大大提高。

表面上看，明尼苏达大学电路与电子技术实验室的硬件不如我国国内高校工科实验室那样气派，甚至可以说有些简陋，但是正是这种“简陋”的实验装备，体现了美国大学工程教育中的务实与求实［7］。

2.3 实验室管理

明尼苏达大学的实验教学分工明确。实验课由专任教授授课，实验的辅导工作主要由电气与计算机工程系的研究生教师助理（Teacher Assistant）完成，实验室设备的维护与管理由学院技术人员和兼职研究生共同完成。电路与电子技术实验室每天08：00～22：00开放，使用电子门禁控制人员的进入。学生能够很方便地在实验室空余时段进入实验室自主学习，时间更加灵活，对技能的提高与巩固更为有效，同时也保证了实验室的安全。

3 实践课程教学内容与组织分析

3.1 实践内容分析

明尼苏达大学的电路与电子技术实践教学环节共设置29个实验项目和贯穿全学期的项目设计（相当于我国高校课程设计实践环节）。在电路与电子技术实践课程中，多数实验项目的学时为2～3学时（一个实验课段），也有些实验项目需要2个实验课段（约4～6学时）完成，但这不包括学生利用课余进行实验的时间。每个实验项目保证学生能够有充裕的时间完成。

表2—表6给出了明尼苏达大学电路与电子技术实践教学5门课程的具体实验内容设置和学时安排［8－12］。

表2 EE2002“电路与电子实验室课引论”的实验安排

表3 EE3101“电路与电子实验室课Ⅰ”的实验安排

表4 EE3102“电路与电子实验室课Ⅱ”的实验安排

表5 EE4111“高级模拟电子设计”的实验安排

表6 EE2301“数字系统设计”引论的实验安排

上述电路与电子技术实验项目基本是硬件电路实验。虽然学校也要求学生应用电路仿真软件对所设计的电路进行仿真，但是仿真测试的任务通常留在课余进行。

从这些实验项目中可以看出明尼苏达大学电路与电子技术实践教学的几个特点。

（1）实验的主要部分集中于半导体器件的分析。实验项目的构成中介绍实验设备使用和实验流程的认识性实验4个；涉及线性电路（电阻元件）实验2个；涉及半导体非线性器件电路实验15个，应用设计项目1项；涉及数字集成电路器件实验6个。

（2）由于实践环节主要是独立于理论课程教学而设置的实验课，因此实验项目的安排与理论课程的进度没有直接的联系，实验环节的设置相对独立且自成体系，实验项目所涉及的内容更加全面。例如EE2002和EE3101实验室课程都涉及了运算放大器实验。前者主要完成运算放大器基本特性测试，而后者着重于对运算放大器非理想特性的测试和应用。两者互补，使学生能够全面了解运算放大器应用的要点。

（3）实验项目既重视基础，又重视应用。项目的设置偏重于设计性实验和启发式实验，几乎看不到单纯的理论验证实验。此外，实验项目强调对学生分析能力的培养，而单纯测试数据的实验并不多见。由于许多实验项目来自于实际电子电路应用，因此，在实验的内容上也更强调培养学生对电路现象和相关理论的分析能力。例如，多个实验项目涉及高频下电路特性的测试，这是为了帮助学生对常见电路的工作情况有所认识。此外，贯穿全学期的项目设计实验也是以实际应用为背景，以学生自主实践为主导的实践环节。电气与计算机工程系会在期末专门安排学生的设计成果展示，学生要通过完成的作品、实践方案和报告向教师，甚至是向业界人士展示实践成果。

（4）基础实验课程安排阶段实验考核与测试。从表2和表3的实验项目设置中可知，在贯穿全课程的教学中安排有多次阶段考核与测试。这样做可以帮助学生巩固实验内容，并更加熟练地使用实验工具与设备。

3.2 实验教学组织

由于明尼苏达大学的实验指导手册较为全面、具体，因此，电路与电子技术实践教学的组织要比国内简单。通常，每个实验课段容纳12～14名学生参加，学生可以2～3人组成一组，但每人需要提交一份实验报告。实验主要由研究生教师助理进行辅导。教师助理会简要讲授实验的注意事项，协助学生领取元件，并在学生实验过程中给予答疑。学生也要根据实验手册的要求向教师演示每一阶段的“里程碑（即实验设置的关键点）”。

图2展示了明尼苏达大学“EE3101电路与电子实验室课Ⅰ”实验情况。这门课程是1个人一组，每个课段可容纳14名学生学习。

图2 EE3101“电路与电子实验室课I”的实验情况

3.3 实践课程评分与评价

评定学生的实验成绩是激励和促使学生认真完成实践环节的重要手段之一。由于明尼苏达大学电气与计算机工程系的电路与电子技术实践课程是专业必修课并有学分要求，因此在一定程度上保证了学生能够以积极的态度参与到实践环节中，学校也更为具体和细致地对学生的实验效果进行评定和评价。

以EE3102“电路与电子实验室课Ⅱ”为例，这门实验室课程的成绩评定共由7项构成（见表7）。

表7 EE3102“电路与电子实验室课Ⅱ”的实验评分构成

表7中序号3“项目设计”的评定，要求方案设计包括项目的概念、项目实施要点、电路草图、元件清单与价格、为满足设计要求所做的设计分析报告、每一个组员的任务拆解分配表、详细的电路仿真报告、电路原型的测试结果报告等内容。在这门实验室课程中，学生成绩的40%依据自身的工作，成绩的60%依据全设计组的共同工作表现。

在其他实验课程中，也会在课程中期设置小测验，检查学生的实验水平，便于及时发现学生在实践中的问题。

明尼苏达大学十分重视对学生写作能力的培养，学生的实验笔记、项目工作日志和实验报告在成绩评定中占有较高的比例。工科学生要完成5～6门写作训练课程（包括1门写作基础课程和4～5门贯穿于专业教学的写作强化课程）［13］，教师对学生实验笔记和实践报告的撰写也有很高的要求。

以电路与电子技术几门实验室课程为例，每个实验项目均要求学生按照正式论文格式撰写实验报告，即实验报告分为引言、实验背景与理论、实验软硬件环境、实验测试过程与数据分析、实验结论等几个部分。撰写实验报告犹如撰写一篇论文，而不仅仅是简单的数据记录。这在一定程度上锻炼了学生工程文献的撰写能力。