面向主动学习的电子技术课程设置

郎文辉，窦建华，潘 敏，齐美彬，杨学志

(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009)

0 引言

传统的课堂，教师在黑板上振笔疾书，大声宣讲，学生们通常在听讲的同时把黑板上的内容抄写到笔记本上，这被称为被动学习。

几十年前通常认为被动学习是一种较理想的学习方式，其中一个主要原因是学生在课余时间拥有的资料太少。但长期教学经验表明，被动学习效率并不高。以电子技术课程教学为例，当教师在讲台上讲解时，问题似乎很容易理解，然而等到把应用项目分配给学生时，他们会感到茫然甚至无法完成，这时才会出现真正的学习，反复思考和练习之后，才能最终理解手工计算的重要性、直流工作点的关键作用以及小信号分析的精髓。

1 主动学习及其教学方法

主动学习及其教学方法，通常假设文字印刷材料很容易获得，课本和来自专家的第一手资料一应俱全，此时学生并不需要复制教师的讲义，只需在课前阅读这些材料，然后由教师率领主动在课堂上讨论这些材料。这样，教师的作用就转变为引导示范和讲解例题。事实上，国内外已有一些科学和工程课程是使用主动学习来教授的，最有成效的是麻省理工学院John Belcher教授的基于技术的主动学习TEAL(Technology-Enabled Active Learning)项目，该项目是在美国北卡罗莱纳州立大学Robert Beichner教授主持的以学生为中心的大班主动学习环境计划SCALE-UP(Student-Centered Active Learning Envi-ronment for Undergraduate Programs)的基础上发展起来的［1］。利用新兴技术和设置协同学习小组，使学生们在一起对所定义的问题展开讨论和实验，而教师则担当讨论组织者的角色，从而实现主动学习。

遗憾的是，这些方法还很少在电子信息类的课程中使用，尤其是模拟电子。为此，Fiez在俄勒冈州建立了一个动手的学习平台“Tekbot”［2］。它是整个ECE课程的共同线索，它提供给学生如何把理论变成实际，把工程概念应用到机器人的实践机会。在这个平台上，学生们找到了主人翁的感觉，他们期望自己的机器人是最好的，从而实现了自我提升。由于在电子信息类课程中使用机器人有助于表明各课程间的联系，该方法已在俄勒冈州学生社区中应用并初见成效，这也有助于保证这种探索的持久性。

国内高校也进行了有益的探索。由东南大学信息科学与工程学院研发的PocketLab平台，可用于高校中的“电路”、“电子线路”、“数字与逻辑电路”和“信号与系统”等方面的课程教学。适合于电信类专业一、二年级学位课程教学和实验需求，目前已在多所工科类大学推广［3］。我校电子工程系也在研究一项基于主题的、以设计为导向的电子信息类基础课程。该课程以机器人为依托，构建综合感知与信息处理平台，通过基于项目的学习引入主要概念。课程涵盖各个学科，包括“电路”、“电子线路”、“数字与逻辑电路”、“信号处理”和“传感器技术”等。该课程有助于激发学生对电子工程的兴趣。

2 电子技术课程设置

传统的电子技术课程设置通常包括电路理论基础课程，随后是模拟电子技术以及器件物理课程。通常，为了帮助学生理解知识点，电路和电子技术课程都伴随有相关的实验或课程设计支持，这意味着总共约需先修12个学分的专业基础课。而专业课往往留作后续课程，通常是选修课。这样，在先修课中学生们通常不知道他们为什么要学习这些知识点，以及如何将其应用于工程实际。这种动机的缺乏不利于课程知识点的掌握。

我们建议的电子技术课程设置如下:新生第一年的第一门主干课程应专注于应用，因为实际应用的解决方案往往涉及多个领域，学生必须要整合本专业多个方面(例如视觉传感器、电路、信号处理和控制)的知识，才能完成。从而有助于学生对电子技术课程设置的关注。另外附加的实验设计环节有助于培养早期设计经验。因此只有较早接触到实际应用才可以提高学生的学习兴趣和教学效果。

当然该课程的基本目标是以综合和严谨的方式引入电信类专业各方面的核心知识。为此，必须综合考虑来自电路和器件、计算机工程、信号与系统以及电磁场等领域的主题;选择和组织课程主题应突出领域间的纽带作用;课堂和实验环节应紧密结合;课程内容应该与其它核心课程配合，因此学生们不仅能一窥专业全貌，也将能够更好地选择他们感兴趣的领域和后续课程。

为实现该课程的目标，可以采用适时教学法JiTT(just-in-time teaching)，它是一种基于网络的学习任务和“学习者主动学习的课堂”交互作用的新型教学策略［4］。

作为第一门主干课程，该课程使用三个模块来引入与电子技术课程相关的概念。这些模块是“运算放大器应用与模拟运算”、“简单的逻辑电路”以及“调幅收音机”。我们把这三个模块集成到综合感知与信息处理平台上，当然必须先修一些数字逻辑知识作为基础。

在每个模块开始学习前，学生可通过网络视频和搜索引擎了解相关概念。每个模块都有与之相关联的项目，由每周的两次讲座(每次100分钟)和一次实验(3个小时)完成。讲座与实验间的桥接由“主动学习”技术提供。例如，在讨论放大器时，教师要求学生小组尽可能多地列出实验项目中找到的开环和闭环反馈的例子。学生在学校提供的电脑上回答这些问题，所用软件允许教师选择单个学生(或学生群体)的回答，并把这些答案显示给全班。使用电脑也有利于课堂和实验室环境之间的数据和观点交流，消除了多会话环节的技术障碍。

运算放大器部分是第一模块，它向学生们展示简单的放大器和滤波器，例如低通和高通滤波器就是以音调控制器电路形式呈现的，而这些都是学生们曾经见过和使用过的。该模块的引入使得节点和回路分析的学习成为必然。虽然学生们还没有学习过傅立叶或拉普拉斯变换，但该模块引入的复阻抗，将使学生获得复变量应用的经验。与频率相关的复阻抗可以作为一个事实引入，在后续的课程中将会看到其更多的演变。该模块介绍的PSPICE支持简单的运放模型，从而使学生能够熟悉基本的设计软件工具。而受控源可作为运放的一部分引入。同样，伴随机器人平台的使用，将传感器连接到放大器也是可行的。如果要连接到综合感知与信息处理平台，那么利用D/A和A/D转换器可将传感器与运放电路集成，进而与平台集成。在该模块中，还可引入戴维宁和诺顿定理，用于讨论不同传感器类型的等效电路。

前已述及，学生在上第一门主干课程之前，应先修一门数字逻辑课。这样学生们就熟悉逻辑门、简单逻辑功能和布尔代数了。这为讨论第二模块“简单的逻辑电路”中的简单反相器和门电路提供了一个很好的切入点。引入NMOS电阻负载反相器可以让学生见识晶体管电路，并开始思考工作区和直流工作点。有源负载可以从数字角度引入，然后扩展到模拟应用。

第一门主干课程的最后一个模块是“调幅收音机”。它让学生接触阻抗匹配、滤波和功放的概念。并让学生可以容易地建立一个无线工具包。总之，第一门主干课程利用项目使学生了解部分应用领域。虽然他们在第一门主干课中还无法理解电路分析的复杂性，但已开始接触此后要解决的实际问题了。

为第一门主干课程提供实验支撑是至关重要的。我们可以借助NI公司的myDAC来开展实验。该工具为学生提供了一款板级实验装置。它与USB总线兼容，可与PC集成，利用LabVIEW软件就能完成控制接口的设计。该装置提供5 V、±15 V电源，一块用于测量的数字万用表，两路模拟量输入和输出通道，8条数字I/O线。这使得学生可以在任何时间任何地点都能完成大部分实验工作，而不受限于每周的特定时间。

第一门主干课的重要性就在于它是大量后续必修和选修课程的基础平台。例如，后续主干课“信号与系统”可以帮助学生理解傅立叶和拉普拉斯变换对电路分析的意义，并深化第一门主干课中所用的理论。此外信号与系统课程也进一步拓展了滤波和传递函数概念。

接下来我们强烈推荐开设“基于VLSI的模拟电子技术”课程，授课的重点是IC电路设计和布局，课程内容将涵盖像电流镜、有源负载、滤波和多级放大器这样的经典模拟设计技术，可选文献［5］作为教材。当然，另一种可能性是开设经典的“电路理论”课，专注于研究底层的电路分析理论细节，并把它应用于模型仿真和电路分析。

如果师资力量允许，“器件物理”课可以作为一门选修课程讲授。学生此时已经熟悉数字和模拟应用中的晶体管，因此了解电子和空穴、能带理论以及先进的器件结构的积极性进一步增加。通过该课程的学习，学生们对电路元件的了解将更加深入。

3 结语

本文介绍的面向主动学习的电子技术课程设置业已证明是有效的。要实现面向主动学习的电子技术教学，基于视频的课前概念讲座是必须的，在课堂上要做的就是高效实施小组讨论和激发学生对项目的兴趣。也就是说任何教学实践都应有助于激励学生的学习积极性。

［1］ Shieh R S，Chang W，Liu E.Technology enabled active learning(TEAL)in introductory physics:Impact on genders and achievement levels［J］.Australasian:Journal of Educational Technology，2011，27(7):1082-1099.

［2］ Heer，D.，Taylor，R.，Thompson，T.，Fiez，T.Enhancing the Freshman and Sophomore ECE Student Experience Using a Platform for Learning.American:IEEE Transactions on Education，2003，46(4):434-443.

［3］ http://radio.seu.edu.cn/xueban/info/9285

［4］ Marrs KA，Blake，R，and Gavrin，A.Use of Warm Up Exercises in Just in Time Teaching:Determining Students'Prior Knowledge and Misconceptions in Biology，Chemistry，and Physics［J］.A-merican:Journal of College Science Teaching，September 2003，33(1):42-47.

［5］ Paul R.Gray，Paul J.Hurst，Stephen H.Lewis，Robert G.Meyer.张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计［M］，北京:高等教育出版社，2005，6.