成果导向理念下的电子信息类专业电路分析实验课程体系探索

梁燕，卢振洲(通信作者)

(杭州电子科技大学 电工电子国家级实验教学示范中心 电子信息学院，浙江杭州，310018)

0 引言

在信息科技发展突飞猛进的今天，知识总量呈现爆炸性增长趋势，为了响应社会对综合性人才的要求，越来越多的高校采取大类招生的方式[1][2]。电路分析实验作为电子信息大类专业学生接触到的第一门专业实践课程显得尤为重要，而传统电路分析实验基本沿用科学教育模式，关注基础知识及验证性实验。电路分析基本知识点具有分散抽象等特点，学生容易脱离实际应用，不利于对专业的学习兴趣、复杂工程问题能力以及创新能力的培养，影响后续专业课程的学习效果。

作为一种先进的教学理念，成果导向教育(Outcome based education，简称OBE)自1981年提出后很快得到了人们的重视与认可。2013年6月，我国成为《华盛顿协议》成员，标志着工程教育认证在我国已经拉开帷幕[3]。工程教育认证理念对引导和促进专业建设和教学改革、保障和提高人才培养质量至关重要。其内涵更接近工程实践，贴近社会对人才的需求，必须从专业课程体系和实践环节进行改革[4]。针对专业实践教学体系[5-7]和专业核心实践课程[8-10]，国内众多院校进行了教学改革。

我校电路分析实验课程组遵循三个基本理念（成果导向、以学生为中心、持续改进），确定电子信息类专业培养目标，重构了适用于专业学生的《电路分析实验》课程体系，设计涵盖多知识点的综合实验教学案例，借助网络教学平台、虚拟仿真技术、远程实境等实验教学手段解决传统长学时实验对时间和空间的要求。完善了电路基本理论知识，将忆阻器融入实验教学体系中。

1 电路分析实验教学现状

我校电工电子实验中心自2006年被批准为国家级实验教学示范中心来，面向全校多个专业承担电路分析实验课程，现在主要存在以下问题：

(1) 电路分析实验作为电子信息类的基础课，具有庞大的知识体系，掌握电路知识是这些专业学生的基本素养。而电子信息类专业学生需要花费大量的时间去修读电路分析课程，涉及知识点跨度大。这又与电子信息类专业学生对信号处理、数据分析等知识旺盛的需求相矛盾[11]；

(2)电路分析实验主要包括课内实验和独立实验，课内实验多以演示性、验证性实验为主，独立性实验则大多是设计性实验。但是由于课时限制，实验内容相对独立，缺少前后的联系[12]；

(3)早在1971年，蔡少棠教授便根据电路理论的完备性提出了第四种电路元件-忆阻器的概念[13]。直到2008年，HP实验室首次采用纳米尺度无源器件（由两个铂金属极和TiOx金属氧化物薄膜材料组成）给出了忆阻器的物理实现[14]，才引起研究者足够的重视。但是由于忆阻器尚未商业化，电路分析实践课程尚未增加这部分内容，无法支撑学生学习电路理论体系完备的目标。

2 课程教学改革方案

■2.1 课程培养目标确定

传统教育是学科导向的，教学设计注重学科的需求，一定程度上会忽视专业的需求。而OBE则是从需求开始，由需求来决定培养目标，由培养目标决定毕业要求，在由毕业要求来确定课程体系[15-16]。最终学习成果既是OBE的终点，也是其起点。电路分析实验是高等学校电子信息类专业培养学生掌握工程基础知识和基本理论的专业基础课程，也是第一门专业实践课程，是后续专业学习的必备基础，通过课程的学习，学生需要达到以下两个学习目标：

(1) 能够运用数理和工程基础知识和基础原理，掌握电路基本理论、定律，会进行电路设计及硬件组装调测，对电子信息领域内相关原理进行实验分析和设计并进行简单的调试，获得有效的实验结论。

(2) 常用的电子测量仪器的正确使用方法，了解仪器的校准、精度等基本概念，了解设备使用的局限性及可能产生的误差。培养独立思维和解决实际问题的能力。熟悉使用仿真工具进行电路分析与设计的基本方法，提高学生运用现代仿真设计工具进行简单的辅助电子电路设计的能力。培养基础的创新意识和创新思想，为后续课程和今后从事电子信息工程等方面的工作打好基础。

课程学习目标的达成代表了一种能力结构，而这种能力结构主要通过教学的实施来实现。

■2.2 专业知识体系重构

电路理论知识可以分为代数方程描述的电阻电路和微分方程表述的动态电路两部分。对于电阻电路，输出是输入的即时响应，属于无记忆电路的特征。而对于动态电路，由于电路中有电容、电感等动态元件，输出不再是输入的即时反应，具有动态的响应过程。电阻电路的分析方法是动态电路分析的基础，所以电阻电路部分在课程中占比例较大。将正弦稳态交流电路、动态电路及其响应均划入微分方程表述的动态电路范畴。将电路基本定律和基本分析方法知识点都融入电阻电路的实验案例中，不再单独设置基本测量、电路基本定理验证的实验项目。采用虚实结合的方式对比理解。

3 实验教学实施及效果

■3.1 实验教学实施

虽然验证性实验对理论知识的巩固和学习有着重要的作用，但是根据工程教育理念，实验项目还应该涵盖通过电路基本定律和基本方法来解决电子信息领域内复杂工程问题。课程组根据重构的知识体系，以电子信息类专业学生为中心，将电路分析实验课程分为：电阻电路综合性实验、动态电路及其响应和新型记忆元件创新性实验三个模块。

3.1.1 电阻电路综合性实验

课程组遵循工程教育以学生为中心、成果导向的理念，教学形式采用项目式教学，设置电阻电路综合性实验，学生学习模式以研究探索为主，充分利用基本电路理论知识去分析和解决问题。指导老师对学生设计的实验方案的合理性和可行性进行评估，建立合理的考核机制。在整个实验过程中学生处于主导地位，有效培养了学生解决复杂工程问题的能力。

3.1.2 动态电路及其响应实验

动态电路与电阻电路最大的区别在于电路的响应需要时间，过渡的时间虽然短暂，但在电子信息领域有着广泛的应用。课程组在成果理念导向思想的引导下采用555计时器电路实现的单稳态多谐振荡器作为动态电路及其响应实验部分，实施过程如图1所示。

图1 动态电路及其响应的实施过程

该实验案例从应用的角度出发，提出实验技术方案和设计指标，学生自主参数设计和仿真验证后完成实验电路连接，使用仪器观测分析设计结果的正确性，对比分析实验波形和仿真结果，充分认识理论与实际存在的差别，使用动态电路及其响应的电路理论知识分析实验结果以及误差产生的原因。

3.1.3 新型记忆元件创新性实验

电阻R、电容C和电感L是三大基本电路元件，而电压v、电流i、磁通φ和电荷q是四个基本电路变量。四个基本电路变量两两之间存在六种组合关系，其中R=v/i, C=q/v,L=φ/i, v=dφ/dt, i=dq/dt这五种关系已经确定。蔡少棠教授根据电路理论的完备性提出忆阻器的概念，它反应了磁通量和电荷之间的关系[13]。而忆阻器现在仍然没有商业化，将忆阻器仿真器加入至电路分析实验课程中有助于学生理解电路理论的完备性，区分线性电阻、非线性电路，理解记忆性和非记忆性。了解科学研究前沿动态发展，为创新性实验的实现奠定基础。

忆阻器是一种非线性二端电路元件，流过忆阻器的电流和两端的电压不再满足同相位的关系。课程组采用了基本电路元件搭建仿真器来模拟忆阻器的这些特性，将仿真器两端施加正弦激信号，观测忆阻器仿真器的伏安特性曲线，如图2所示为忆阻器伏安特性测试过程。

图2 忆阻器伏安特性测试过程

■3.2 多样化教学模式

传统电路分析实验的教学方式一般是利用实验室电路分析实验台，学生在实验室完成实验设计、电路搭建以及参数测量，课后进行实验数据处理和报告撰写，缺乏灵活性，特别是对于综合性实验，这种弊端显现的更加明显。因此课程组借助网络教学平台、虚拟仿真技术、远程实境实验等教学手段，形成了多样化教学模式。

(1) 网络教学平台。为了与学生建立起充分的联系和沟通，共享教学资源，及时查看实验预习项目和反馈实验报告，建立了网络教学平台。建立了教师和学生的闭环联系，持续改进，最终实现能力目标的达成。

(2)虚拟仿真技术。调整教学设计时中的虚拟仿真技术环节，不限制虚拟仿真软件，也不再独立设置独立虚拟仿真课，将常用仿真软件操作手册等发布至教学平台供学生自学。在实验预习要求使用虚拟仿真技术对电路选取和参数设计。实验数据处理和实验总结中，引入了对比的教学理念，通过分析仿真和实验数据，充分理解理想和实际的差别，加强相对和绝对误差概念的掌握，逐步培养工程理念。

(3)远程实境实验手段。课程组依托远程实验中心，采用5G技术，解决了多并发、长延时等技术难题，将实验设备搬到云端，分时复用，完成综合性实验。传统教学实施方案是将元器件、电路板等发给学生，实验调试等仍然需要来到实验室，实验室场地受限。而远程实境实验手段，学生通过预约的方式进行实验，实验地点不受限制。如图3所示为电路分析远程实境实验。

图3 电路分析远程实境实验

■3.3 实验教学实施效果

在工程教育专业认证的背景下，课程组从电子信息工程专业学生的基础知识、专业技能以及工程素养等方面考虑，建立了合理的评价机制，细化平时成绩记录册，每个分项成绩支撑相应的课程目标。通过多样化的教学模式，学生分析和解决复杂电路工程问题的能力得到了很大的提高。

4 结语

经过对电路分析实验教学现状的分析，发现存在着知识体系不合理、实验项目独立以及电路理论知识不完备等缺点。在工程教育理念成果导向理念的启发下，以学生为中心，确定了课程的培养目标，依据培养目标对知识点进行梳理，并将科研热点忆阻器等融入实验教学中，重构该课程的知识框架，开发了符合教育部要求的创新性、高阶性和挑战度的实验案例，基本电路理论知识点采用虚实结合的方式对比理解；设计涵盖多个知识点综合实验教学案例，利用“互联网+”技术克服传统长学时实验时间和空间的限制，加强学生解决复杂工程问题的能力；并入科研热点，增加第四种基本电路元件—忆阻器，完善知识体系，实现创新能力的培养。