高校模电课程新工科背景下的教学改革探究

王 彤 高 楠

（兰州城市学院电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070）

信息通信技术推动了人工智能、物联网、大数据、5G等技术的崛起，加快了人类进入智能化时代的步伐，同时也带来了很多的机遇与挑战，国家信息化进程也对ICT产业人才的培养提出了更高的要求。为了适应环境对人才需求的变化，各高校响应教育部的号召，积极建设与发展“新工科”，顺应新技术、新业态、新产业的形势，注重学科间的交叉融合，深化工程教育改革[1]。

模拟电子技术课程作为通信类本科专业的一门专业基础课，具有很强的理论性、实践性和工程性，在“新工科”人才培养方案中具有承上启下的重要地位。而模拟电路的设计除了需要学生有扎实的电路理论基础，更重要的是学生的分析能力和工程实践素养。学生在实际教学过程中往往缺乏搭建电路实物的能力，通常会出现分析能力与手动能力不匹配的情况，也有很多学生会因为畏难情绪失去对该课程的学习兴趣。因此，如何使用合理的教学模式，将课程的理论教学环节与实践技能训练进行有机地整合，既调动学生的学习兴趣，增加理论教学的效果，又有效地锻炼和提升学生的工程应用与实践创新能力，是教师在模拟电子技术课程教学改革过程中亟待思考和解决的问题。

1 现阶段教学中存在的问题

新工科教育改革创新的关键在于教育教学质量培养体系的构建与实践，现阶段模拟电子技术课程在教学中存在以下4个方面的问题：1）学生被动式学习现象严重。各高校模拟电子技术课程授课学时数均有所压缩，原教学体系中涉及的知识内容繁多，从而使传统授课内容与学时数压缩之间产生冲突。课程内容没有很好地与专业背景结合，也缺乏与日常社会生活的联系，学生被动式学习，目标性不强，对课程知识的参与度低，缺乏工程应用能力的锻炼以及对创新思想的启迪。2）实验课机械式照搬严重。模拟电子技术大多配有实验课程，补充理论教学内容。但由于实践教学资源、教学场地的限制，设备单一且固定，很多实验器具都是模块化的电路板。在做实验时，学生往往机械式照搬实验指导书预定的步骤和参数去进行数据的测量，所做的实验大部分是验证性实验，限制了学生在实践过程中技能训练和自主创新能力的培养，使抽象难以理解的模拟电路理论知识得不到有效地拓展和延伸。3）考核模式粗放单一。传统的应试模式注重对理论知识点的考核，学生较容易在考前押题式复习，造成学习中存有侥幸心理从而懈怠平时的学习过程，得不到持久的学习兴趣与动力，对电路的知识点也是不求甚解，难以融会贯通。4）课程思政深度不够。传统教学模式没有很好地与思政教育相结合，专业知识与核心价值观、立德树人、工匠精神等珍贵的科学人文素养之间没有得到很好的融合，缺乏对学生个人理想与社会责任感的激发，在专业知识能力与思想道德水平同时提升的过程中缺少紧密联系。

2 课程教学改革思路

模拟电子技术课程的教学改革中，以教师授课为主体的传统教学方式应逐步被转变，课程改革方案具备多元化、多思路、多模式等特点。该文从教学内容及教学模式2个层面进行改革研讨。

2.1 教学内容的改革

2.1.1 教学内容模块化

现有教材大多注重经典理论的讲解，应用型本科教学注重产业的发展与人才需求间的不断变化，模块化教学的目的也是为了使学生具备日后与工作需求相对应的能力，能够对课程所涉及的问题具体应对、深入思考，不断开拓学生的思维及提高学生实践能力。将教学内容进行分类并实现模块化，从而推动教学的优化过程。在设计教学模块时，把模块化的理念体现在教学的准备、实施、考核和反馈的所有阶段。根据知识点之间的共性有效地进行系统性设计，既考虑教学模块间的独立性，也要保持它们之间密切的联系。课程内容将分为4个模块，如图1所示。

图1 模拟电子技术课程结构

2.1.2 融入课程思政

为提高学生的科学素养，在教授的过程中结合课程思政内容。如模块一教学内容的先后次序揭示了部分与整体的关系，半导体器件是构成模拟电路的基础元素，它们相互依存，以对方的存在作为前提。它们互相影响，部分元件的状态和变化会影响到整体的性能及变化（例如温度对半导体器件参数的影响会改变模拟电路的工作性能）。分立元器件构成的基本放大电路体积大、功耗高、处理速度慢，不适合电子器件小型化、响应速度快、结构复杂、功能更强的发展方向，事物的内部矛盾推动了模拟电路的发展，电路参数不断积累的量变过程决定了质变的飞跃，电路产生改变，集成电路诞生。而放大电路中虽然器件繁多，但影响电路放大倍数的仅由几个元器件决定，在分析问题时须分清主要矛盾和次要矛盾，抓牢主要矛盾。在教学过程中，关注人文科学的培养，可以加深对模拟电路理论的理解，在更高层次上把握科学问题的辩证关系[2]。

2.1.3 项目式教学

模拟电路具有很强的实践性，实践项目的穿插有利于增强学生学习的主观能动性。模块三为信号的处理与发生电路，正弦波振荡电路、非正弦波发生电路、有源滤波电路可以与实践项目函数信号发生器很好地结合起来。函数信号发生器是实验室中经常使用的实验仪器，对常见物体的原理进行探究，通常会增加学生学习的动力。有源滤波电路对通信专业背景的学生来说是重点也是难点，是后续课程知识的基础。这部分知识可以与专业知识相结合，增加一些专业延伸内容，使学生及时了解一些专业新技术的发展。也可以做一些音箱分频器、心电信号放大器等实践项目，使学生加深对这部分内容的理解[3]。

2.2 教学模式的改革

将线下课程教学环节与线上资源共享途径有机整合，为学生提供灵活而广泛的学习空间。通过网络教学平台与学生加强实时互动，把学生对知识点的掌握情况及时反馈于教学过程，后台生成的统计报表也计入课程的过程考核成绩中。

构建虚拟仿真实验环境，进行工程实践改革。Multisim是美国国家虚拟仪器（NI）公司推出的基于Windows平台的仿真工具，操作过程简单直观[4]。使用Multisim电路开发和仿真工具，可将实践教学项目中电路原理图的输入、仿真和分析紧密结合。综合利用虚拟仪器仪表，使学生更好地观察在不同参数下电路性能的变化，帮助学生构建知识结构和实践之间的联系，促使学生会看、能算与会调等综合能力的提升。通过实践环节的改革，锻炼学生能够综合考虑多种因素，在设计环节中掌握基本的创新方法。

参与学科竞赛，丰富教学资源。每两年一届的全国大学生电子设计竞赛与模拟电子技术课程内容密切贴合。根据大赛提供的资源，结合课堂教学目标，构建工程案例，布置、指导学生完成题目的设计思路和仿真，包括对方案的论证与比较、理论分析和估算、电路制作和调试、设计报告的撰写等。

3 虚拟仿真环境下的工程实践教学示例

在原有教学过程中加入Multisim虚拟仿真环节，有效地促进了理论与实践的有机结合，可以降低虚拟环节与实体实验匹配的误差。下面以矩形波发生电路作为示例，介绍Multisim虚拟仿真环境下的工程实践教学举措。

占空比可调的矩形波发生电路仿真如图2所示，电路右下方是限流电阻R4和稳压管DZ限幅输出的反相输入滞回电压比较器，输出只有2种暂态，即高电平+UZ和低电平-UZ。电路中将电阻R1和电阻R2组成的正反馈环节，作为输出从某一暂态翻转为另一暂态的条件。输出电压极性由电容电压uc和UT的比较结果决定。电阻R3、R5和电容C1构成具有定时作用的充放电回路，控制暂态维持的时间，决定矩形波的振荡频率f为1/（2R3+R5）C1ln（1+2R1/R2）。矩形波在高电平持续的时间与振荡周期的比值称为占空比[5]。电路中利用二极管D1、D2引导电流流经不同的通路，使充放电回路参数不同，通过调节电位器滑动端使输出电阻R6改变电容的充、放电时间常数可以改变占空比，占空比为（R3+R6）/（2R3+R5）。为了拥有一个比较宽的占空比调节范围，通常R3的选值比R5的选值小一些。在电路仿真过程中，应先调整R2与R1选择出合适的振荡周期，再调整R5选择占空比，输出波形如图3所示。观察波形输出过程与理论分析完全一致。

图2 矩形波发生电路仿真图

图3 占空比可调矩形波发生电路输出波形图

为增强学生动手能力，用实际元器件取代Multisim的仿真元件，搭建好的实物电路如图4所示。以UA741为核心的简单波形产生电路，在频段的最小值或最大值附近（可调电位器的边缘地带）出现较大误差，其余指标符合参数要求。在电路设计过程中，可以借助软件实现技术参数的模拟，也要通过搭建实际电路对理论和实际进行对比，分析结果重新反馈于仿真设计模型，就会加强仿真结果的真实性。最终撰写报告，利用课余时间，也可自主开展一些研究型实验。

图4 实物电路测试图

4 结语

传统的模拟电子技术课程对学生来说是以被知识灌输为主要目的，教学方式主要以教师课堂讲授形式为主体，这种填鸭式教学法让教师教得辛苦且效果不尽人意，学生学得无趣并且费力，由此，该校模拟电子技术课程的教学改革一直持续进行。为了适应“新工科”背景下的人才需求，模拟电子技术教学的改革以学生工程实践能力和科学人文素养的培养为核心，根据工程教育认证的要求寻求适合通信工程专业特点的教学方法和教学模式，将教学与多途径实践融合，把线上线下的“互联网+”形式带入课堂。通过混合式教学方法让学生对自主学习和终身学习有正确的认识，能够识别、描述和分析复杂工程问题，培养学生的创新精神、工程能力和个性化发展，实现课程教学改革的目标。