后疫情时代电子电路类课程教学改革与探索

王军芬，李明亮，马艳玲

河北地质大学 信息工程学院，河北 石家庄 050031

2020年，突如其来的新冠疫情改变了人们生活、工作和学习的方式，对社会各个方面产生了深远的影响[1，2]。后疫情时代，以“两新一重”为代表的我国新基建、新产业、新科技和新经济发展势必对工程科技人才培养提出新的要求[3]。新工科教育已然进入“再深化、再拓展、再突破、再出发”的新阶段，不但要对接地方经济社会发展，着力培养学生的创新精神和实践能力，还要以更大的力度推进教学方式方法创新，注重培养学生学习能力[2-4]。

河北省“十四五”规划和2035年远景目标建议中指出，聚焦电子信息、高端制造等18个重点产业链，实施产业基础再造工程。这一目标的实现迫切需要大量的电子信息类工程科技人才，如何更好地对接地方经济社会发展，培养满足后疫情时代发展要求的“新工科”人才，是迫切需要解决的问题，也是我校信息工程学院积极探索和实践的教学改革方向。教学改革的最终落脚点是课程，本文以“高频电子线路”为例介绍后疫情时代新工程背景下电子电路类课程教学改革和实践。

1 基于项目的教学内容设计

新工科建设注重课程的实用性、交叉性和综合性[5-6]，后疫情时代的人才培养同样注重学习科目的高度应用性和市场对接性[7]。声音信号的分析和应用已经渗透到许多重要的技术领域[8-10]，以技术发展与应用为导向，以实现声音信号的无线发送、传输和接受为项目，融入到高频电子线路的课程教学过程。

面向声音信号的实践项目，首先对无线通信系统中各单元电路的功能、结构、指标等分散的知识点系统化，培养学生的系统思维和工程思维；再根据实现声音信号无线发送、传输和接受单元模块的功能及内在联系，将教学内容归纳为五个既关联又独立的知识模块：基础知识、高频信号发生、高频信号放大、调制与解调、噪声与控制，对接工程实践，将工程实际电路融入具体模块，便于学生有针对性地提出电路或技术的改进方法，培养学生创新精神。

在授课过程中，以实现声音信号的无线发送、传输和接受为目的，具体化技术指标，讲解各单元模块的基本原理、实现电路、参数选择和改进方法。以知识为载体，能力培养为目标，充分利用虚拟仿真技术，积极采用案例法，翻转课程等教学方法，激发学生兴趣，保证教学质量，更好地满足后疫情时代新工科人才培养的要求。

2 信息技术深度融合的教学模式

“新工科”理念强调以学生为中心，充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式，探索工程教育信息化教学改革，推进信息技术与工程教育深度融合[6，11-12]。疫情“大考”为后疫情时代全面深化教育信息化创造了机遇，教育部2020年8月27日宣布，为巩固春季学期“停课不停学”取得的成果，将进一步推进线上线下教育教学的紧密融合[13]。

“SBDPAI”教学模式，如图1所示，打破传统的理论课与实验课的界限，融入课程思政，将教学内容与现代信息技术深度融合，充分利用学习通云平台、虚拟实验室平台、Multisim电路仿真软件、MATLAB仿真软件、思维导图等现代信息技术手段，采用案例教学法、仿真教学法、情景教学法等多元化的教学方法，以学生为中心，以教师为主导，设置“感”功能（Sense function ）、“建”模型（Build model）、“识”参数（Discriminate parameter）、 “练”实战（Practice actual combat） 、“评”优缺（Assess advantages and disadvantages）、“改”电路（Improve circuit）6个环节，首尾相接，环环递进，各个环节中采用的教学方法和信息技术手段如表1所示。教学过程采用线上线下混合教学，线上线下优势互补，使课程学习具有弹性，更有效地推动教学活动进程[14-15]。“SBDPAI”教学模式能够调动学生的学习热情和动手实践的兴趣，更加注重培养学生工程实践能力、学习能力、创新精神、团队合作能力，满足“新工科”发展需求。下面以振幅调制内容为例进行详细介绍。

图1 “SBDPAI”教学模式Fig. 1 “SBDPAI” teaching model

表1 “SBDPAI”教学模式中采用的教学方法与信息技术手段Table 1 Teaching methods and information technology means used in SBDPAI teaching mode

S：“感”功能环节将产业和技术的新发展引入到教学过程，学生通过教学云平台上相关视频资源直观感受无线通信技术的发展，如：2020年11月24日4时30分嫦娥五号探测器成功发射视频，激发学生的民族自豪感，涵养家国情怀，同时引出题目：带“你”去月球之振幅调制。“感”功能环节还可以利用Multisim软件的电路仿真和虚拟仪器，直观感受电路功能，观察信号在电路中时域波形和频谱结构的变化，激发学生学习热情和动手实践兴趣。

B：“建”模型环节建立振幅调制的数学模型。“你”为调制信号，在无线电广播中为声音信号，根据由简及繁的原则，假设声音信号为单频率的余弦波：uΩ(t) =UΩmcos Ωt。载波信号为带“你”去月球的宇宙飞船，在无线电广播中为高频等幅余弦波信号：。“你”乘坐上宇宙飞船即为调幅波信号，在无线电广播中为声音信号加到高频等幅余弦波信号的振幅上：

D：“识”参数环节中，利用MATLAB仿真软件强大的计算能力和可视化功能，可使数学模型中复杂计算简单化、抽象问题具象化。学生5～6人为一组，以团队协作的形式，利用MATLAB软件对调幅波的数学模型进行仿真、观察，讨论调幅指数ma对调幅波的影响以及ma的合理范围。假设单频率声音信号的频率为1kHz，幅度为2V，载波信号频率为999kHz，幅度为5V，给定ma范围0～5，步长为0.2或0.3，避免学生做无用功，提高学习效率，学生按组上传仿真与讨论结果到教学云平台，以便教师归纳总结与展示，具有代表性的仿真波形如图2所示。对图2进行分析，并点评和归纳总结小组讨论结果：ma=0，不能反映调制信号的信息；0＜ma≤1，能够准确反映调制信号的信息；ma＞1，不能准确反映调制信号的信息；即调幅指数ma的合理范围为0～1之间，且反映了调幅的强弱度。

图2 改变ma的调幅波仿真图Fig. 2 Simulation of amplitude modulation wave with changing ma

P：“练”实战环节由理论分析实战和动手实践实战组成。如图3所示，理论分析实战有原理分析和MATLAB仿真实战，动手实践实战有Multisim电路仿真、虚拟实验平台和实验室实战，实战题目和内容均面向声音信号的无线发送和接受，学生利用课上与课下时间，理论紧密联系实践，通过多层次的实战练习，培养学生工程实践能力。（1）普通调幅的原理分析与MATLAB仿真主要针对两个问题。一是普通调幅时域波形、频谱图与数学模型的关系；二是当ma一定时，载波功率、边频功率与整个调幅的功率关系。（2）普通调幅的动手实践包括两方面。一是Multisim电路仿真实战，学生利用碎片时间搭建普通调幅电路，随时调节电路参数，观察参数的变化对调幅波形的影响，以调试电路以满足无线电广播中声音信号的调制要求；二是实验实战，利用虚拟实验平台或实验室高频电子线路实验平台，在仿真电路模型的基础上搭建普通调幅电路，调节电路实现声音信号的振幅调制功能，体会实际电路和仿真电路之间的区别与联系。

图3 “练”实战环节Fig.3 Practice actual combat link

A：“评”优缺环节是在“练”实战环节的基础上，对实现电路或技术方法的优缺点进行分组讨论和总结。普通调幅波形直观，易理解，电路简单；载波并不包含声音信号的信息，但其功率却占整个调幅波功率的绝大部分；边带包含声音信号信息，且上、下边带均包含了完整的声音信号信息。在实际传送声音时，平均调幅度往往很小，大约只有20%～30%，发射机实际有用信号功率就很小，因而功率利用率低。如何提高功率利用率“改”电路环节需要解决的问题。

I：“改”电路环节是在总结“练”实战环节和“评”优缺环节的基础上，针对电路或技术方法的缺点进行改进，培养学生的创新思维。针对普通调幅功率利用率低的问题，从信息传递的观点载波功率为无用信号功率，可去除载波频率分量，只传输边带频率分量，即可提高功率利用率，这就是抑制载波双边带（DSB）调幅。

对于DSB，学生通过“感”“建”“识”“练”“评”“改”6个环节分组协作学习。在“改”环节讨论如何提高发射效率和信道资源利用率，用抑制载波单边带调幅（SSB）来实现，而对于SSB的学习将进入下一个循环。从普通调幅到单边带调幅，教与学的过程是循环递进、螺旋上升，更符合学生的学习习惯，更加注重学生自主学习习惯和学习能力的培养。

3 过程性考核评价

无论何时，课程考核都是课程教学中非常重要的一环，也是评价教学质量和学习效果的重要手段，“天大行动”中强调以学生为中心改革教学方法和考核方式。后疫情时期教学评价应更注重考查学生在一门课程各阶段下的多层次表现，从学习输入评价为主，转为学习输出评价为主，而学生输出评价主要是对学生能力的评价[2，16]。依托学习通平台“全程留痕， 数据精准” 的优势，评价过程与教学过程相融合，构建以学生为中心的“实时、全过程、多维度” 的过程性考核评价，评价内容突出对学生能力的评价，评价载体注重多层次多维度采集学生学习效果数据，评价主体注重学生自评和学生互评。 评价结果实时反馈给教师，教师根据评价中发现的问题，随时调整教学内容和策略，提高教学质量。评价结果即时反馈给学生，提高学生的自我效能感和课堂参与度，激发学生学习兴趣，促进学生自主学习。过程性考核评价方法如图4所示。

图4 过程性考核评价方法Fig. 4 Process assessment and evaluation method

通过课前、课中、课后教学的全过程多维度、多层次的数据采集和评价，以及评价结果实时反馈给教师和学生，形成了教和学过程中“评价—反馈—改进”的闭环，可持续改进教师的教学和学生的学习，更好地培养学生自主学习习惯和学习能力，提高学习效果和教学质量。

4 结束语

从课程视角探索科学应对后疫情时代新工科发展需求，以“高频电子线路”课程为例，从教学内容、教学模式、课程考核环节进行教学改革与实践。经过改进的课程体系，更加注重教学内容的实用性、交叉性和工程性；以学生为中心、信息技术深度融合的“SBDPAI”教学模式，更能激发学生的学习兴趣，更利于培养学生的学习能力、创新思维和工程实践能力；实时、全过程、多维度的考核评价体系，通过“评价—反馈—改进”的闭环，把教与学紧密联系在一起，极大地提高教学质量和学习效果。新工科教育改革是动态的、发展的，只有不断地进行相应的课程改革，才能满足时代发展对新工科人才需求。