“实践得真理，学为主教为辅”的自主探究教学

樊 华， 杨静萱， 罗 萍， 马珊珊， 谢实梦

（电子科技大学电子科学与工程学院，成都610054）

0 引 言

电路课程是理工科院校电路类专业的一门专业基础课程，在整个本科甚至研究生课程体系中起着至关重要的作用，由于课时限制，一般电路课程实验是作为验证电路理论课的结论而设计的，以理论内容讲解为教学主线，实践教学一般被安排在理论学习结束后进行，导致学生对课程开始时教授的知识点遗忘，只能依靠于实验指导书完成整个课程实验，学生没有充足的知识储备对实验方案进行创新，对实验结果进行分析，导致最终提交的实验报告存在相似性，优秀实验成果较少，没有达到电路课程实验的教学目标，课程改革势在必行。课程考核方面，教师一般采用统一笔试，统一题目和标准答案对理论知识进行考核，实验成绩仅仅作为参考在总成绩中占有较低的比重。重视试卷成绩在一定程度上有利于教学进程的实施，但是严重阻碍了学生学习的积极性、主动性、创造性的发展，忽视了学生在学习过程中思维能力和实践能力的培养，试卷中能考查的知识点是有限的，更多是关注对基础知识记忆能力的考查，较少的涉及对学生使用基础知识解决实际问题能力的考查，学生的实践能力和创新能力大部分体现在对理论知识的运用上，所以需要增强课程考核中实验考核的比重。电路课程的过程考核一般是对作业完成情况，上课出勤率的考核，但这不能体现学生个人的能力，需要增加新的过程考核方式来对学生进行较为全面的评价［1-6］。

1 课程教学改革

随着便携式电子产品的增多，开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）以其体型小、质量轻、稳压范围大和高效率等特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各类终端设备、通信设备等电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式［15］。开设开关电源电路课程是顺应科技发展的需要，采用小班教学的方式，让学生从“学得广”过度到“学得精”。课程学习采用从实验到理论的逆向教学方法，用实验教学带动学生自主学习，开关电源课程主要教学内容包括：斩波器、脉冲宽度调制、脉冲频率调制、电压控制模式、电流控制模式、峰值电感电流控制模式、均匀电感控制模式等，如图1所示。

图1 开关电源课程主要教学内容

教学内容采用循序渐进的方式，首先建立学生对整个课程的宏观概念，建立学生对整个课程的结构框架后，教师再对课程中的重点知识进行详细讲解，有的放矢地讲解知识点，节省课时的同时教师可以将更多的课时放在培养学生自主学习，引导学生进行实验，增强学生创新能力。

1.1 建立学生对整个课程总体概念

1.1.1 介绍课程所需课时、主要内容及考核方式

课程内容设置，进度安排，考核方式都是学生关心的重点，在以往的教学模式下，教师全盘讲解内容，学生被动接受，再通过少部分的实验验证基础知识点，这种以“讲为主，学为辅”的“填鸭式”教学，不利于学生实际动手能力的培养，无法达到培养创新型人才的目标。根据课程的特点，构建新的教学模式，将教师“讲”转变为教师“问”，如图2所示，教师在峰值电感电流控制模式知识点讲解时，可以通过先提出问题，后讲解的方式进行教学。

图2 峰值电感电流模式的重点知识点

学生通过课前预习解决教师提出的问题，课堂上老师通过提问来验收学生预习与内容理解的情况。

1.1.2 注重团队合作

传统的课程中是学生通过上课听讲和课后复习来掌握知识和技能，缺乏与其他同学合作共同完成项目的机会，学生自由组合组成小组，课程后续的学习都以小组为单位进行，学生需要依靠团队合作的力量完成每次的作业，由领导力较强的学生作为组长，协调组员分工合作，每个组员都要积极为团队做贡献。

1.2 实践得真理，学为主教为辅

1.2.1 开关电源的课程内容及研究现状分析

实践是工程教育的本质。在传统的工科人才培养中，较多关注学生的知识掌握情况，注重理论概念的学习，理论化倾向明显，忽视实践操作和应用能力的培养。理论基于实验总结，根据现象得本质。现代电路课程需要转变教学方式，形成以实践为核心，理论为重点的教学体系。开关电源课程作为现代电路课程的重点内容，需要对此课程内容和考核方式进行改革。按照一定控制规律调制开关管的开关电源DC／DC变换器就是斩波器，也是开关电源课程中主要讨论的重点内容。DC／DC变换器是直流电网中的重要设备，通过将一定幅值的直流电压变换成另一种具有一定幅值的直流电压，实现不同电压等级之间的互联。DC／DC变换器在不同应用场所下所需要的功能特性是不同的［7-9］。如表1所示，针对斩波器有较为细致的划分，学生了解不同类型斩波器的优缺点，避免后续实验过程中对器件的不当使用。

表1 斩波器分类

本科阶段和研究生阶段较少讲解现代开关电源技术，学生无法依托课堂学习现代先进的开关电源技术，依靠自主学习也困难重重，与课程中的开关电源模型相比较，现代开关电源几乎发生了根本性变化，学生自学理解掌握新技术新结构的难度更大，教师介绍国内外发展现状以及未来发展趋势，通过介绍前沿的技术和产品，让学生在掌握常规、传统专业知识的同时，对未来技术发展方向有一定把握，激发学生的兴趣和创新热情。

1.2.2 示例演示，总结知识点

开关电源课程每节课先进行示例电路演示。例如，脉冲宽度调制（PWM）和脉冲频率调制（PFM）电路的仿真，通过对仿真产生的PWM波形进行分析，理解脉冲宽度调制电路实质是调整脉冲的占空比，首先将输入的直流电压斩成交流方波，幅值通过变压器升高或降低，脉冲的占空比是通过控制器来调节［9］。学生通过电路仿真数据理解电路中每个元件的作用。示例作为课后作业需要每个小组自己搭建电路（教师提供元件库）并且仿真出正确数据。学生小组通过自己搭建电路熟悉软件环境，巩固知识点，并且在此过程中发现问题，解决问题，培养学生团队合作能力，为后续复杂实验奠定基础。

电路知识只依靠教师课上利用语言和文字让学生理解是有一定抽象性和难度的，多数学生对于第一次接触的新知识无法快速理解，通过学生自己搭建电路，理解知识点，总结规律，提出问题，解决问题，提高学生对知识点的理解程度，增强学生自主学习的能力。

1.2.3 课堂问答，布置预习作业

为了保证实验教学改革高效进行，每次上课前学生小组需提交“预习与实验报告”作业，保证学生在课前有足够的预习资料和实验准备，保证课堂实验有效进行，教师根据学生作业的作答情况，对于学生模糊不清晰的知识点进行有针对性地重点讲解。课堂上每个小组需要汇报小组前一周的学习情况，交流小组内部学习重点知识的经验，同时提出小组遇到的问题。汇报小组遇见的问题，先由其他组的学生一起讨论解答，调动所有同学的积极性，带动其他组的学生思考，在此过程中老师引导，纠正学生的错误理解。课堂结尾老师需要对学生进行抽查提问，检验学生对重点知识的掌握情况，学生的回答情况作为成绩考核的一部分。

1.3 设计实验项目，培养学生创新能力

1.3.1 设计不同实验项目

教师根据每个小组对开关电源电路课程知识掌握的不同程度，设置不同的实验考核项目，保证每个小组实验项目不同，但又存在一定相互交叉的部分，引导学生组内、组间进行多次讨论。

教师针对每个小组学习情况分配不同的实验项目，这样一方面杜绝小组之间互相抄袭，另一方面培养学生团队协作能力，依靠整个团队的力量去解决问题。学生在以后的工作学习中不仅需要领导才能，还需要团队合作精神，良好的交流沟通能力。设定每个小组实验项目内容之间有交叉，确保小组之间能够相互讨论，可以互相提出可靠性建议。学生思想得以受到启发，明白利用学习的基础知识可以完成多个项目，开阔学生的视野。

1.3.2 设计具体项目实施方案

教师告知学生中期，终期答辩时间。让每个小组根据实验目标合理安排项目进度，讨论组内分工，并提交实验项目计划书。学生需要查阅和收集大量资料，利用专业知识，构思项目实施方案。大部分学生对于自己的想法最终能变成实实在在的作品的教学理念很感兴趣，并且愿意付出努力并积极参与。教师根据小组提交的实验项目计划书，给出意见和建议，调整实验进度及实验分工。

1.3.3 实验项目进度汇报

课堂中以小组汇报实验项目进度为主，教师和其他组的学生针对每个组汇报情况提出自己的意见和建议，调动老师和学生一起参与讨论。

1.3.4 增加实验挑战性，设置“附加题”

传统开关电源电路运行过程是作为此课程的重点基础知识需要学生一定要掌握的，学有余力的学生，掌握传统开关电源电路的原理后，分析电路仿真数据，理解实际电路和理想电路之间的差距，由于峰值电流与实际的均匀电流不匹配，当占空比＞50%时，系统会不稳定，因此需要加入斜波补偿电路来稳定系统。自适应补偿结构中，斜波电流的斜率会随着占空比的变换而变化，这样实现在不同占空比下对应不同的补偿斜率K，避免了过度补偿的产生［10-12］。电路组成如图3所示。

图3 含有斜波补偿的峰值电感电流控制模式斩波器

学生查阅相关资料找出多种不同的斜波电流产生电路，图4所示是一种斜波电流产生电路，电路中的时钟信号通过控制MOS管M1的导通与断开控制电容C1的充放电，运算放大器的同向输入端和反向输入端之间虚短，使A点处的电位与电容充电电压Uramp相等。根据电容的充放电可以得到Uramp，从而得到A点电压，最终通过R1得到一次斜波补偿电流。此斜波补偿电流经过场效应管构成的电流镜得到自适应斜波补偿的频率［18］。学生只有对斜波电流产生电路有深刻理解后，才能结合学到的知识点设计出改进型的斜波产生电路。

图4 自适应斜波补偿电路结构

设计改进型的斜波电路是针对学有余力的学生设计的附加实验项目，设计比较复杂，是综合且具有挑战性的“附加项目”，并且涉及科学前沿知识。“附加题”的设计满足一些能力较强学生想更深入学习的要求。如图5所示，学生在cadence的软件环境中设计自己的自适应斜波结构，并对电路进行仿真，得到仿真结果如图6所示。

图5 设计的自适应斜波补偿电路结构

图6 仿真波形

学生需要对仿真结果进行分析，完成实验报告，并且需要在实验报告中阐述自己设计的自适应斜波电路的优缺点以及实验过程中遇见的问题，哪些问题已经解决，哪些问题还未解决都需要在实验报告中详细说明。

2 考核方式改革

2.1 课程考核现状

高等工科教育教学比较注重理论知识体系的完整性，一定程度上忽视培养学生实际操作能力，实用性不高。教学内容理论课占比过大，实践环节占比较小，导致课程考核注重笔试和卷面成绩，忽视实践考试方式和其他方式的应用，造成学生重知识轻能力，重理论轻实践的不良学风。因此，培养的学生理论基础扎实，逻辑思维能力比较强，但是工程思维能力和综合运用能力相对不足，团队合作，沟通能力比较欠缺［13-15］。

2.1.1 考核方式不能培养和评价学生实践能力

传统的考核方式是“一考定终身”，依靠一张试卷判定学生是否掌握课程知识，具有片面性，试卷主要考核学生对专业知识的记忆能力。在“一考定终身”考核制度下，学生依靠考试前突击背诵课本上的知识点，而不是理解知识点并学会运用知识点。教学过程中学生综合能力没有被记录和反应，导致出现学生为了考试而学习的情况，丧失学习的主动性和创造性，与课程要求的考核目的大相径庭。此考核方式不能有效地培养和评价学生实践能力，没有全面评价学生的综合素质，失去了“考试”的引导作用和评价公正性。尤其是对于开关电源课程，开关电源是电子器件的基础，设计开关电源电路需要大量的仿真实验，为了保证实物指标的准确性，单一的卷面考试不适用开关电源课程的考核［15］。

2.1.2 考核只涉及部分知识点

2 h笔试考试时间，卷面中涉及的知识面是有限的，难以涵盖课程的所有内容，考核知识不全面。考试目的是对学生能力的考察，其中包括动手能力，沟通协调能力，组织能力，学习能力，理解能力等多方面，仅仅依靠试卷检测，失去了考试评价学生的公正性和科学性［16-17］。

2.2 改革考核内容和方式

理想的考核评价体系应该包含实践和试卷两方面，考核不仅仅是对学生知识的掌握程度的衡量，更是对学生综合能力和综合素质的考核。如图7所示，不同的考核方式考核学生不同能力，只有将试卷考核和实践考核相融合才可以比较全面地评价和考核学生。

图7 实践和试卷考核多项能力

学生的综合能力主要表现为：① 课程知识的理解。②运用已有的课程知识和技能解决现有环境下的问题。③将本课程知识点与其他课程知识点串联，构建自己的知识网络。如图8所示，电源开关课程将教学过程中的每个环节都纳入课程综合成绩评定，综合成绩按百分制进行评分。

图8 各项考核占比

合理、科学的考核方式不仅能反映课程教学效果，了解学生对知识点和实验技能的掌握情况，更可提高学习过程中学生适应能力和实践创新能力的培养，引导学生主动学习，主动参与实践，培养学生创新意识。

2.2.1 重视过程考核

课程考核采用重视教学过程和实验过程的综合评价方式，配合开关电路课程内容的改革，强化过程考核。目前课堂上主动举手回答问题的学生较少，即使有部分学生知道问题答案也不愿意举手，教师得不到反馈，无法知道学生对知识点的掌握情况。上课前学生提交的预习报告中不仅要求体现学生自学的情况，同时也体现出学生对哪一部分知识点已完全掌握，节省一部分课时，以及体现出学生对某些知识点的错误理解。预习报告作为考核的部分，虽然占比不高，但是若有缺次的情况，则会影响最终考试成绩。根据每个小组提交的预习报告的不同，小组汇报结束后，教师结合相关的理论知识点对小组成员进行提问，加深学生对知识点的应用和掌握。教师按照A、B、C、D等级划分预习报告和小组回答问题情况，并计入成绩。采用预习报告和上课提问的考核方式，促使学生更加深入了解开关电源课程实验原理，转变学生为考而学的应试模式，把精力放在“学”上，而不是专注于“考”，激发学生的学习兴趣，提高教学水平。

2.2.2 降低试卷比重

降低期末卷面成绩的比重，提高过程考核的占比，较为全面地反映学生的学习情况。但是并不是要取消试卷考核的方式，试卷考核对大部分学生而言是相对较公平的方式，可以通过改革试卷内容来提高学生对理论知识的真正内化。试卷考核内容应为帮助学生理顺知识结构，增加案例分析，减少纯概念问题，考试不仅是对学生知识点记忆力的考查，更是考查学生对知识点的梳理和应用能力，考查学生在现有环境下应用已知知识和技能的能力。

2.2.3 设置“附加分”

一张试卷需要检测学生在较长时间的课程学习是否达到了预期的教学目标，也需要具备选拔人才的要求，设置附加题并不只是提升试卷的难度，也是为了给学习优秀同学提供发挥的空间，给有潜力的人才更多的可能性。开关电源课程中将自适应斜波补偿电路设计作为课程的附加题，让学生明白设计一个电路不仅依靠理论计算，理论计算结果与实际产生结果会有一定的出入，需要查找原因，优化设计，甚至需要增加新的电路对原电路进行补偿。将试卷中的附加题转移到实践课程中，避免了试卷中的附加题，学生在不具备相关知识的情况下，凭借猜测也能得到正确答案，因此为使附加题真正发挥其功能，开关电源课程中将附加题为自适应斜波补偿电路的设计。

3 教改成果

经过团队锐意进取，大量开展教学改革与研究，开关电源课程的教学取得了优良的教学效果，同时也培养出了一支勇于创新、紧密团结的队伍。“模拟集成电路分析与设计”获得“电子科技大学2019年第一批研究生精品课程建设项目”支持。该成果是长期坚持教育教学改革研究与探索实践的创造性成果，集中体现了我校高度重视人才培养工作，狠抓教学质量工程，提高人才培养能力和质量，加快推进双一流本科教育的行动与决心。

4 结 语

工程实质是人类为满足生存与发展的需要，利用现有技术创造未来世界的实践活动。未来的工程师要配合工程的系统性、复杂性、多样性、综合性、应变性、创新性、全球化和可持续发展的特点，具备全局观，利用新工具和不断汲取新的知识，实现技术与社会的和谐。工科教育旨在建立科学实践教学体系，培养科学技术人才，从工科教学改革开始，一步一步转变工科教育的局限性。工科教育不应仅仅是实践和理论的结合，要形成始于实践，终于理论的良性循环。

·名人名言·

教学的目的是培养学生自己学习，自己研究，用自己的头脑来想，用自己的眼睛看，用自己的手来做这种精神。

——郭沫若