基于OBE理念的模拟电路实验课程建设

黄慧春 堵国樑

(东南大学 国家级电工电子实验教学示范中心， 南京 211189)

“模拟电子电路实验”是一门应用性、实践性很强的课程。近年来，以成果产出导向为主要特征的OBE(Outcome Based Education)理念被我国众多高等教育机构所重视，明确的成果产出导向对于改革“模拟电子电路实验”这类应用性、实践性很强的课程具有重要借鉴意义。OBE理念强调教育评价基于学习产出，着眼于对学生的培养目标是否明确、是否达成等，更注重学生学得怎么样。其次，OBE理念强调教育的灵活性，在产出目标明确的基础上，OBE不拘泥于特定的指导方法。教师可根据不同类型的学习者使用不同的教学方式，采用不同的评价手段[1-3]。因此，基于OBE理念，深入探讨线上线下混合式学习的实践路径，成为助力高校教学改革、提升本科教学质量的重要课题[4]。

“模拟电子电路实验”传统的课程建设思路是以验证理论知识为导向，并只能依赖实验室开展实验，导致课程成效难以保证，学生的综合能力难以提升。以OBE理念为导向课程建设，不仅要实现从基于知识的传统教学理念到基于目标成果为导向的教学理念的转变，而且更需要构建一整套基于目标成果为导向的线上线下混合式的教学模式、教学内容以及教学方法，通过合理构建课程体系、设计教学内容、创新教学模式，使学生在模拟电子电路设计、调试、应用等方面的实践能力得到较为系统的培养和训练，提高学生分析问题和解决实际问题的能力，为创新人才培养奠定基础[5-6]。最终，形成以目标成果为导向的教学模式、以学生为中心的教学内容、以多元化为考核的评价体系以及提升课程达成度的教学方法。同时结合“模拟电子电路实验”项目案例，融入科学素养与工匠精神教育，以润物细无声的方式，提高学生的家国情怀，培养德才兼备的高素质人才。

1 以OBE理念为导向的课程建设思路

“模拟电子电路实验”课程建设以OBE教学理念为指导，围绕四大问题开展创新研讨[7]：想让学生取得的学习成果是什么，为什么要让学生取得这样的学习成果，如何有效地帮助学生取得这些学习成果，如何知道学生已经取得了这些学习成果。并从以下5个方面开展教学设计：确定学习成果、构建课程体系、确定学习策略、多元考核评价、逐级达到顶峰，如图1所示。

图1 课程建设思路

1.1 确定学习成果

通过本课程的学习，使学生在掌握模拟电子电路实验的基本实验方法、基本设计思路的基础上，培养分析解决模拟电子电路工程应用问题的实践能力和创新精神，结合课程内容，融入思政元素，提高学生的社会责任感，成为掌握基本知识、具备实践能力、有思想担当的高素质创新人才。

1.2 构建课程体系

根据培养计划要求、学生的认知规律、实验内容的难易程度及对实验条件的需求，充分利用网络在线教学资源和实验室教学条件，构建线上线下紧密融合的课程教学体系，完善和创新课程教学资源，充分体现纵横推进、并行兼顾的教学要求。

1.3 确定学习策略

以学生为中心，教师为主导，充分利用网络课程教学平台、将线上与线下实验内容有机融合，依托互联网技术构建“线上与线下、虚拟与现实、课内与课外、基础与创新”相融合的实验教学模式。

1.4 多元考核评价

以考核机制的变革为切入点，研究线上线下实验课程的考核方式和成绩评定方法，并把两者有机结合，构建“多元化、阶梯式、重表现”的课程成绩考评方式：既要鼓励学生完成教学计划规定的线上线下教学要求，又要引导学生合理利用课内课外学习时间，提高学习效果，取得理想成绩。

1.5 逐级达到顶峰

通过线上线下实验项目的开展，引导学生掌握知识、运用知识，提高分析问题解决问题的能力。以线上实验为基础，重新创建线下实验项目，既要兼顾线上教学内容不被重复，又要在此基础上有所提高，通过划分“基础-提高-创新”不同的教学过程，确定每阶段的学习目标，对不同学习能力的学生可以用不同时间、通过不同途径和方式，从初级到高级，最终达成顶峰成果。

2 基于OBE理念的实验项目举例

“模拟电子电路实验”在OBE教学理念指导下，根据人才培养的目标要求、学生的认知规律，结合实验内容的难易程度以及对实验条件的需求，充分利用网络在线教学资源和实验室教学条件，建设了一系列的综合性实验项目。以“可控增益放大器的设计”实验项目为例，介绍以OBE理念为导向的实验项目设计思路，如图2所示。

图2 可控增益放大电路的教学模式

2.1 设计实验内容

“可控增益放大器的设计”实验内容是用运算放大器设计一个电压放大电路，其输入阻抗不小于100 kΩ，输出阻抗不大于1 kΩ，并能够根据输入信号幅值切换调整增益。电路应实现的功能与技术指标如下：

1)基本要求

(1)放大器能够具有0.1、1、10三档不同的增益，可以用连线改变增益，或者以拨动开关切换增益，或者用模拟电子开关切换增益。

(2)输入一个幅度为0.1～10 V的可调直流信号，要求放大器输出信号电压在0.5～5 V范围内，设计电路根据输入信号的幅值自动切换调整增益值。

2)提高要求

输入一个交流信号，频率10 kHz，峰峰值范围为0.1～10 V，要求输出信号电压峰峰值控制在0.5～5 V的范围内。用示波器X-Y方式，测量电路的电压传输特性曲线，计算传输特性的斜率和转折点值。

3)创新拓展

自学A/D、D/A、MCU、PFGA等相关知识，利用通用的可控增益放大器，设计制作实用的可控增益放大器。

可控增益放大电路的教学内容从测、判、控三方面进行设计，如图3所示，为了更好地完成“可控增益放大器的设计”，在开展综合实验前，先通过MOOC在线教学资源，自主完成3个单元实验，分别为：

图3 可控增益放大电路的教学内容设计

1)精密整流电路设计

(1)实验目的：掌握精密半波整流和精密全波整流电路的电路组成、电路原理、参数设计和调试方法，测量整流电路的传输特性，研究电路的动态范围。

(2)对综合实验的支撑：对于交流信号如何测量信号的大小，对可控增益放大电路中如何检测信号的幅度提供设计参考，为实现可控增益放大电路中“测”的功能做铺垫。

2)比较器电路实验研究

(1)实验目的：熟悉比较器的电路结构和工作原理，掌握比较器的电路设计方法，掌握比较器的电路特性及测量方法，理解不同比较器的应用场合。

(2)对综合实验的支撑：根据测量的信号幅度，利用比较器来判断信号的大小，为调整放大器增益提供依据，以实现可控增益放大电路中“判”的功能。

3)基本比例放大电路

(1)实验目的：了解运放的基本特性，以运放构成的反相比例放大电路为例，研究比例放大电路的基本性能，掌握运放的最大输出电压和最大输出电流的测量及分析，掌握放大电路传输特性的概念及测量方法。

(2)对综合实验的支撑：掌握放大器的几种基本电路结构，每种电路的特性，如何调整和控制放大电路增益，为实现可控增益放大电路中“控”的功能做铺垫。

2.2 构建教学模式

该实验以任务驱动的方式将相关内容融合成一个逻辑整体，具体教学模式如图4所示。实验任务是设计一个可控增益放大器，可以分解为“测”“判”“控”三大部分，针对每一部分功能都有对应的实验内容和解决思路引导，利用线上与线下混合式教学模式，达到预定的教学目标。

图4 以提升课程达成度的可控增益放大电路的教学模式

1)线上资源的学习

利用MOOC课程资源，自主学习“基本比例放大电路”“精密整流电路设计”“比较器电路实验研究”三个单元电路实验，完成每个单元的实验要求，并为线下综合实验“可控增益放大器设计”中的重要内容“测”“判”“控”功能打好基础，做好铺垫。

2)线下教学方式

该实验具有很好的工程应用背景，在很多场合有广泛的应用，也涵盖模拟电子电路学习中的重要知识点。采用以“学生为本，教师引导”的教学方式，针对实验内容，分析讨论实验电路的设计思路，以具体设计指标为目的，引导学生利用已经学过的理论知识和已经完成的三个相关的MOOC实验内容，自主构建“可控增益放大器设计”实验电路，利用软件仿真并优化设计。

3)线上线下的融合

实验内容的设计，不是简单地把线上单元实验和线下综合实验在实验时间上分离，而是以线下综合实验项目为载体，有效地融合线上单元实验内容。以线上单元实验的基础练习为铺垫，引导学生根据实验项目的需求，自主完成实验电路的设计及实验性能指标的测量；线下教学内容的深入学习，也更加明确了线上单元实验的目标要求，通过线上线下的深度融合，实验内容目标要求的层层递进，培养了学生的创新意识和创新能力。

4)培养社会责任感

通过“可控增益放大器设计”实验的开展，介绍实验内容和具体工程应用之间的关系，实验内容有工程应用的落脚点；由实验内容引出常用的集成可控增益放大器，给学生开展课外研学和学科竞赛提供选择参考，同时也通过介绍这些常用集成器件大部分为进口产品，在说明集成电路产业对国家发展重要性的同时，激发学生的学习热情，提升学生的社会责任感。

2.3 教学成效评价

为了考核和评价学生的学习达成度，构建了“多元化、阶梯式、重表现”的课程考核方式和成绩评定方法：

1)线上交流讨论

利用MOOC课程讨论、QQ群、微信群及雨课堂等交流平台和环境，和学生实时交流讨论，及时了解学生的学习状况，动态调整实验内容的进程，交流讨论的参与度也作为课程平时成绩的一部分，引导和鼓励学生积极参与交流讨论。

2)MOOC课程测评

充分利用中国大学MOOC教学平台，每个实验都有针对实验内容要求完成的在线测试题，考核学生对实验内容及实验方式方法的理解掌握程度，回答问题的得分也作为课程平时成绩。

3)综合实验验收

重视实验过程、对实验内容的理解掌握、故障的分析解决、实验的规范等内容，实验的完成度验收，不仅停留在检查实验波形数据是否正确，还通过和学生的当面交流沟通，了解学生对实验的真实掌握程度，对实验作品进行评价引导，培养学生精益求精的工匠精神。

4)撰写实验报告与总结报告

实验报告有MOOC单元实验和综合实验，包括实验目的、实验原理、预习思考、实验内容、实验总结及实验建议等内容，引导学生学习规范的报告格式，培养学生的撰写报告能力。总结报告的撰写，能够充分展示每个学生个性化特点，根据实验要求自我设计实验电路、制定实验方案、记录数据波形、计算分析结果、故障解决方法等，培养学生的自主学习能力，通过总结实验的收获体会，对实验的目的会有更加深刻的体会，充分体现实验教学的作用和价值。

3 课程建设与改革成效

基于OBE理念的“模拟电子电路实验”课程建设，通过不断总结提高，调整完善，已经取得了较好的教学效果和成效。

3.1 学生的学习兴趣和实验环境得到了改善

丰富的线上线下教学资源，学生的学习兴趣和实验环境得到了改善。丰富多样的在线资源帮助学生自主研习、拓展知识视野，授予学生实践知识方法技能，培养学生自主学习、自主设计完成全新的实验等综合能力；具有工程应用特性的综合实验项目，使学生学会学以致用，提高解决复杂工程问题的能力；在线实验平台、个人多功能实验箱，可以不受时间地点束缚，随时随地开展实验，对学生的学习提供了很好的帮助；“在线实物实验平台”[8]给本校学生、兄弟高校学生和社会学习者提供的很好的学习环境，尤其在非常时期发挥了非常重要的作用。

3.2 学生掌握知识和自主学习能力得到提高

线上线下教学的有机融合，使学生掌握知识和自主学习能力得到提高。基于OBE理念的模拟电子电路实验课程建设与改革实践，使学生提升了学习模拟电子电路的兴趣和积极性，克服了对模拟电子电路的畏难心理，学生的学习成绩得到普遍提高；同时也激发了学生参加实践创新活动的内动力，许多学生在课程开设的同时申请了各级各类大学生创新实践项目，参加全国大学生电子设计竞赛的积极性也得到普遍提高，竞赛成绩也是越来越好：在近三届全国大学生电子设计竞赛中，东南大学取得了全国一等奖数2次全国并列第一和1次全国第二的优异成绩。

3.3 学生的科学素养和社会责任感得到提升

结合课程内容融入思政元素，学生的科学素养和社会责任感得到提升。课程教学中结合实际电路案例融入科学素养与工匠精神教育，结合集成电路对国家科技发展的战略意义等内容，增强学生的荣誉感、使命感和责任感，培养学生的创新意识和创业精神。

3.4 课程教学成效及教学资源得到推广应用

教学模式的改革创新，使教学成效及教学资源得到推广应用。“模拟电子电路实验”在线课程于2020年被评为国家级首批一流课程，“模拟电子电路实验”课程设计理念也在2021年获得了第三届全国高校混合式教学设计创新大赛“设计之星”奖，综合实验设计案例也在全国电工电子基础教学实验案例竞赛中获得了特等奖荣誉称号，开展各级各类教改项目15项，发表了相关的教改论文10篇，多次在全国研讨会上做报告，到兄弟高校讲座交流。

4 结语

以OBE理念为指导的线上线下混合式的教学设计和教学过程实施，达到了理想的教学效果：学生学到了模拟电子电路的设计、测量及其工程应用等知识，也了解到了集成电路对国家发展的重要性，提升了学生的使命感和责任感；加深了学生对理论知识的理解掌握，提高了模拟电子电路的实验能力和解决复杂工程问题的能力；线上线下混合式教学模式使得单元实验和综合实验相互融合、层层递进，强化了实验内容的自主设计理念，培养了学生的自主设计能力和创新精神；通过多种方式的实时交流互动、课程考核及问卷调查，以及学生参加课外研学、学科竞赛的积极性和成绩，综合评价学生对模拟电子电路实验课程的学习效果和教学目标达成度，提高了学生的综合素质和创新能力。