模拟电子技术实验课程改革与实践

2018-03-21周德云林华杰

实验科学与技术 2018年1期

包涛，周德云，林华杰

(西北工业大学陕西省电子实验教学示范中心,陕西西安 710129)

随着现代电子技术迅猛发展，电子信息技术已经涉入社会生活的各个领域及行业，专门化、专向性更为明显。特别是在生产一线直接从事技术生产、管理和技术开发的电子类应用型人才愈加显得供不应求。一方面，电子设备的生产、操作、管理、使用和维修需要大量的具有一定电子知识背景和较强动手实践能力的技术人才；另一方面，生产部门的技术改革同样需要具有扎实电子基础理论的创新人才。为了适应未来发展及适应社会主义建设需求和提高办学效益，如何培养“应用型”“创新型”复合人才，是目前高等教育工作者面临的重要课题[1-3]。

学生的高水平创新工程素质是在校期间所有教学环节综合完成的体现，其中实验教学是重要一环[4]。近年来，随着高教改革的逐步深化和素质教育理念的不断提升，实验课程教学已成为高校本科教育中重要的实践性教学环节，在创新型人才培养中具有其他课程不可取代的价值[5-6]，主要表现在培养学生理论联系实际，加强实践和提高创新等能力方面。

西北工业大学是一所以发展航空、航天、航海工程教育和科学研究为特色的多科性、研究型、开放式大学，是“985工程”“211工程”重点建设学校[7]。在知识经济发展和国际竞争激烈的形势下，始终坚持“以学生为根、以育人为本、以学术为魂、以学者为要、以责任为重”的教育理念[8]，在深化实践教学改革的同时，加强实践教学的管理。目前，已建成多个不同门类的实验教学中心、创新实验基地、开放式实验环境和创新型设计性实验。

西北工业大学电子信息学院电子实验教学中心是陕西省省级实验示范中心。作为学校电子类实验教学的主要基地，中心每年面向全校25个专业的六千多名本科生开设实验课程10门，实验项目150多个。

众所周知，模拟电子技术是高等院校中电子、信息、电气、计算机、微电子和控制等多个专业的重要专业基础课程，具有很强的工程实践性。由于该课程处于各专业教学的中间环节，因此其实验教学对学生基本素质的形成和发展起着不可替代的独特作用[9]。通过模拟电子技术实验课程的训练，学生在加深对所学理论知识理解的同时，掌握了常用电子仪器的使用方法，并进一步培养了学生对电子电路的实验研究能力和正确使用能力[10]，这对于培养适应社会的“宽口径、复合型”人才具有其独特的地位和作用。

1 存在的问题

然而在模拟电子实验的教学实践活动中，我们强烈地意识到，教学的内容和方法与高等教育发展的态势、与创新型人才培养的标准仍存在一定差距。分别表现在以下两个方面。

1)实验内容陈旧。

以往开设的电子技术实验课程，验证性实验占据全部实验内容的80%以上，而综合性、设计性实验内容几乎为零。对于这样的课程安排，将直接导致学生对课程学习的目的和意义理解不够，学生的工科思维和创新能力培养远远不到位，进而影响了学生学习电子线路系列课程的主动性和积极性。

2)教学模式单一。

传统的教学方法都是以“填鸭式”教学为主，教师在课堂上既是主导又是主体。教学过程中，学生机械、呆板地按照实验指导书插线、测量和记录数据。这样的教学模式不仅不能激发学生对实验课的兴趣，更阻碍了学生对于新知识学习的主动性和创造性。

2 立足基本实验教学扩充新型内容

在陕西省重点课题“研究型大学开放式个性化自主型电子实践教学模式改革”项目支持下，中心围绕着“以学生为主体，以教师为主导，以能力培养为核心，促进学生理论、实践和创新全面提高”这一主题，进行了一系列实验教学改革。

2.1 实验内容

在保证验证性实验内容的基础上，大力发展综合性、创新性和开放性实验内容，并注重加强与后续课的联系。针对不同程度、不同专业和不同兴趣的学生，开设内容丰富、形式多样的层次化实验教学内容[9]，具体安排有以下4个层次。

第一层，入门层。该层主要以演示验证型和模拟操作型实验为主，包括：常用仪器的使用，器件识别和检测方法、基本放大电路交、直流参数的测量方法等。这一层次主要是以激发学生的学习兴趣、培养实事求是的科学态度以及提高学生的基本实验技能为主，要求学生在指导老师的引导下熟练完成各项内容，并掌握的数据处理和分析方法。

第二层，基础层。这是今后普遍采用的教学层。它以基础设计型实验为主，培养学生的独立思考能力和电路分析能力。实验电路的设计、方案的选择和操作步骤由学生独立完成。配备如Multisim等仿真软件，课程中软件分析设计和硬件电路实验同时进行。该层次的要求是培养学生的工程素质、实验技能和分析解决问题的能力[11]。

第三层，拓展层。要求学生在完成基础层实验内容后，开设能够综合应用其所学知识，同时满足实验学时和实验难度的增加、设计型和综合型实验比例提高等要求的实验项目，例如一些科研小项目或根据学生的爱好与特长设计开发的实践项目。

第四层，提高层。该层是面向基础扎实、实践动手能力强和具有创新精神的学生，进一步增强其工程设计和综合应用素质，为选拔优秀人才做准备。该层以综合设计型实验内容为主，也可有机组合，主要包括学生课外的科技活动、课程设计、赛前培训和毕业设计等内容。

通过参考《模拟电子技术实验》教学大纲，实验内容的安排如表1所示，层次分类如表2所示。

表1实验内容安排

序号实验项目实验内容实验学时1单级共射放大电路验证42差动放大电路验证43集成运算放大器的线性应用综合24多级负反馈放大电路综合2

(续表)

序号实验项目实验内容实验学时5集成运算放大器的其他应用综合46低频功率放大电路验证27整流、滤波电路验证28函数发生器的设计设计49温度控制器的设计设计410直流稳压电源的设计设计4

表1中，通过单级共射放大电路和差动放大电路的学习，帮助学生掌握静态工作点的测试和调整方法，学会测量放大器的放大倍数、输入/输出电阻及幅频特性等，并体会差动放大电路是如何抑制“零点漂移”等问题；集成运算放大器的线性应用，要求学生掌握由集成运算放大器组成的比例、加法、减法电路的功能、并结合积分和微分运算电路做比较；在多级负反馈放大电路中，研究负反馈对放大器非线性失真的改善作用及付出的代价，掌握负反馈放大器性能指标的测试方法并观察负反馈对；集成运算放大器的其他应用，旨在进一步学习运算放大器对信号处理、变换和产生等方面的应用，为综合应用奠定基础；低频功率放大电路，要求掌握集成功率放大器的使用及主要性能指标的测试；最后，通过对整流、滤波电路的学习，掌握单相半波和单相全波整流电路的工作原理与测试方法。

表2按层次分类

层次分类实验项目实验学时入门层单级共射放大电路4差动放大电路4基础层集成运算放大器的线性应用2多级负反馈放大电路2低频功率放大电路2拓展层集成运算放大器的其他应用4整流、滤波电路2提高层函数发生器的设计4温度控制器的设计4直流稳压电源的设计4

通过以上实验项目的学习，学生已完成了表2中的入门层、基础层和拓展层实验项目，具备了模拟电子技术的基本实验技能。在此基础上，我们通过增加3个设计性实验项目，为具有扎实基础背景和较强动手能力的学生提供更广阔的发挥空间。通过实验内容的安排，进一步增强学生的工程设计和综合应用素质。具体为以下3个方面内容。

1)通过函数发生器的制作，学生自行设计能输出方波—三角波—正弦波的信号发生器，并学会安装与调试由多级单元、运算放大器组成的电子线路。

2)温度控制器包含测温和控温电路，通过该项目的设计与制作，进一步熟悉集成运算放大器的线性和非线性应用。

3)通过对直流稳压电源的设计、制作和调试，熟悉变压器、整流二极管和滤波电容的实际特性并了解集成稳压器的工作原理。

通过以上实验教学内容的安排，目的是提高学生在电子技术领域的工程实践能力和理论创新能力。基于以上在实践和理论两方面的全面培养，为提高学生素养，达到人才培养的目标提供了有力支撑。

2.2 教学模式

针对传统“填鸭式”教学带来的弊端，我们新增“模拟电路设计实验”，将原来的实验学时由16调整为32，给予学生足够的时间去设计和搭建电路，系统地、分层次地提高学生的实验技能。

第一层，入门层。采用由教师在讲台演示，学生跟着老师一步步完成实验，帮助学生快速掌握测量方法、测量原理、测量步骤和常用仪器使用方法及注意事项等，避免学生在学习初期不会连线、不知实验如何下手等问题，这一步也可借助于虚拟仪器，微课等教学手段进行[11]。

第二层，基础层。采用在掌握测量方法的基础上，以教师指导，学生独立完成为主。实验学时的增加，为学生在面包板上自行搭建并调试电路提供了可能性。避免了学生在传统实验板上机械地按照实验指导书接线、测量和记录数据等固定呆板的教学形式。

第三层，拓展层。采用教师制定题目，给出具体的实现指标，由学生独立完成。这一层应充分利用EDA等仿真软件进行模电实验教学，这样不仅弥补了实验仪器和元器件短缺等对学生的客观限制，还能充分利用软件中提供的各种分析方法，辅助学生更快、更透彻地掌握教学内容。更重要的是，这极大地调动了学生的自主学习积极性，且进一步培养学生对电路的设计能力。

第四层，提高层。为了满足这一层次内容，实验室配置了30套电子探索者开发板(electronics explorer board，EE Board)。该开发板囊括了各种模拟及数字电路所需的测试和测量设备，通过基于PC的WaveForms软件，即可对模拟或数字信号进行获取、存储、分析、产生和重用，系统地形成了虚拟与实物相结合的多元化实验平台。

该层采用在教师指导下，学生利用EE Board，独立完成设计、实验和调试的教学方法。EE Board表面为一块无焊面包板，集示波器、波形发生器、电源、电压表、参考电压发生器，以及可做逻辑分析仪的32路数字信号接口于一体，所有的设备只需通过简单的连线即可与面包板上搭建的电路相连。由于其整合了所有在设计和测试电路需要使用的设备，学生通过它可以完成、测试并分析一个真实的电路，且该工作并不局限于实验室内完成，即任何场所都可以成为一个设备齐全的24小时开放实验室。这为学生带来了极大的便利，可以激励学生合理安排和利用自己的业余时间，进一步加强学生在综合、创造和研究能力等方面的训练。

3 结束语

实验教学是高校教学体系的重要组成部分，同时也是培养学生实践能力和创新能力的关键环节[13]。作为实验教学改革的核心——实验内容的改革，如何科学合理地设置实验教学内容，是确保实现实验教学目的的重要保证。

模拟电子技术实验课程的教学不仅仅在于培养学生对模拟电路的分析和计算能力，更重要的还体现在培养学生如何应用模拟电子技术理论，解决实际问题的能力[14]。因此，作为实验课教师，我们除了研究课程的理论知识，还应充分探究实验教学的特性，根据培养目标，科学合理的重构实验教学内容[15]。

在新开设的“模拟电路设计”课程中，我们面向全校提供菜单式的实践教学服务，包括入门、基础、拓展和提高4个层次的教学内容，各院系可根据学科和专业的需求，在各层次教学模块中相应选择实验项目。通过制定具有学科专业特色的实践教学套餐，构成了适合于不同学科、专业的实验课程体系和实践教学计划。在今后的实验教学中，我们将把培养学生的创新精神和提高学生综合素质作为中心永恒的发展目标。

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