探究式教学在“模拟电子技术实验”教学案例中的应用

赵 静

（南京信息工程大学 物理与光电工程学院，江苏 南京 210044）

“模拟电子技术实验”是理工科大学生进入大学后最基础的实验课程，是学生进入大学后接受的系统实验方法和实验技能训练的开端。实践是检验真理的唯一标准，在科学前行的道路上实验始终占有重要地位。“模拟电子技术实验”正是为了培养学生良好的实验素质，提高学生分析问题、解决问题的能力，为学生将来从事科研、工程技术和新技术应用开发等工作奠定扎实的实验基本技能。

实验教学中，现代教学理念主张要让学生成为教学活动的主体，重点培养学生的创新能力和科研能力，突破传统的以知识传授为主的教学方法［1-3］。教育部印发的《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中强调，积极推动研究性教学，提高大学生的创新能力，对开展探究式教学做出了明确的要求，各高校积极响应［4-7］，这就要求教师更应注重启发和引导学生进行自主学习和探究，在掌握一定的实验方法和技能的基础上深化教学改革，使学生提高创新思维能力。

一、现有实验模式

现有的“模拟电子技术实验”课程已经逐步融入了线上线下混合式教学［8-9］。线上提供课程简介、课程目标、课程任务、教学进度、考核办法、教学大纲等总体内容。针对每个实验提供预习要求、教学课件、教学视频、操作视频、在线练习和参考资料；线下实际操作，课后整理实验报告。考核方法上采用线上线下综合评分。但总体而言，实验内容还是较为基础，综合性、提高性的实验开设较少；操作视频引入后，一方面使学生完成实验的效率提高了，另一方面，实践能力强的学生能够迅速完成实验，但由于缺乏后续安排，无法针对优秀学生及时开展探索创新性实验。

二、实验设计与实施

实验设计需要让学生将知识、能力、素质结合用以解决复杂的工程问题，这就要按层次设计一系列需要探索研究的问题，引导学生层层深入，实现在基础实验的开展中让普通学生变得优秀、让优秀的学生更优秀。这对教师提出了更高的要求，需要了解学生学情、了解学生专业特征、设计符合教学规律的实验内容与实验环节，增加实验的层次性并设置一定难度，以实现学生探究能力的培养。

“模拟电子技术实验”中的实验内容基础典型且涉及面广。其中，I/V变换是光电专业方向的代表性实验；直流电源是电力电子的设计方向之一；集成电路专业关注放大器的基本参数测试实验；电子信息专业会强化集成运放的应用与设计。不同专业通过深入探究“模拟电子技术实验”在各自专业上的入门电路，可以让学生对专业认识更深刻。探究实验就要打破原有的用固定实验装置、固定器件、固定连线，要从实验内容上操作上、实验实施过程的把控上做深入设计，将各电路模块分解替换、引入新内容，培养学生扎实的实验能力和创新精神。

（一）典型实验案例设计——I/V变换

1.整体设计。以I/V变换实验为例，该实验原有要求为：掌握I/V变换电路的原理与组成，测量并掌握光电流与输出电压的关系。为了让学生认识并探索生产生活中I/V变换电路的作用，增加了不同测量方式下的I/V变换。不同的测量方式主要指装配方式的不同，在不同的装配方式下配以不同的器件参数就可以形成不同用途的测量装置。进一步，要求在连接与测量过程中，能根据异常现象定位并排除电路故障。为此将该实验按阶段性、层次性重新设计，分为基础阶段、晋级阶段、课后拓展，并在晋级阶段和课后拓展中引入科研与竞赛内容，既有利于实验内容的革新，也可提高学生探究的积极性。

2.实验层次设计。为实现逐步深入地开展实验探究，将实验设计为基础、晋级、拓展三个阶段。（1）基础阶段，要求学生会搭建对射式电路和反射式电路，通过选取不同的元件参数研究光电流和输出电压的关系，探究各器件在电路中的作用；能结合专业知识点和电路检测方法，分析并排除实验中的障碍。（2）晋级阶段，实现将基础电路用于实际环境。提供两种典型应用装置，一种是将科研项目的雏形引入课堂，另一种是引入学科竞赛中与本实验相关的部分，要求学生选取一种实现具体应用。科研项目和学科竞赛都有一定难度，同时也具备着时代性和创新性，这一阶段允许两人一组，共同探索实验细节。（3）拓展阶段，要求完善典型应用，三人一组、协调分工，实现批量数据测量，研究如何实现测量的稳定性与准确性；进一步地，可以将完善后的实验装置再次投入学科竞赛。

（二）实验实施

实验的实施上总体分为：课前—课中—课后。细化流程如图1所示。

图1 实验流程

图1中，明确实验目的、原理论证、方案设计、电路设计要求学生在课前利用课程的线上资源完成预习，利用仿真软件完成电路功能仿真并在线上提交仿真结果。要求学生掌握仿真软件的基本使用方法，学会各种元件的参数设置，基本仪器的使用。

线下课程安排讲授、讨论和实验操作三部分。讲授环节对实验原理进行简要讲解，适时融入课程思政，把实验按基础要求和晋级要求布置解析。通过器件性能和装配方式的对比，讨论电路应用场景，引入晋级阶段实验内容，并提示影响实验结果的多种因素。实验操作部分要求完成基础要求和晋级要求，拓展阶段不要求全体学生参与，感兴趣的学生可利用课余时间向实验室申请进行实验操作。

1.基础要求实施。基础要求的实施过程如图2，要求学生以对射式和反射式的装配方式完成分立式电路和集成式电路的搭建。两种装配方式都可以测量信号的强弱和有无，实验中要求使用对射式检测信号的有无，反射式测量信号的强弱。

图2 基础要求

分立元件电路实验中，提供红外发射器与接收器，红外接收器实质是光电三极管，这就要学生在实验中能够回顾典型放大电路的特性，通过集电极电阻参数的调整，研究在光电转换电路中输出量与电路参数的关系；通过发射参数的调整研究发射强度与接收信号的关系。

集成元件电路实验中，提供可见光波段的光电二极管，要求学生在实验中能够运用典型的运放电路实现电流电压转换，关注集成运放的反馈电路，通过反馈电阻的调整研究光电流与输出电压的关系。可以进一步探究反馈端电容的作用。

2.晋级要求实施。晋级阶段提供了两方面实验装置，一个来源于教师的科研项目枪管口径与弹道测量，是对射式多路I/V变换；一个是反射式的红外光测量苹果甜度，源于全国大学生光电设计竞赛赛题，要求学生选做一个。多路I/V变换中引导学生探索多路信号的一致性；苹果甜度测量中，只要求测量得到反射的电压值，过程中要学生关注影响测量结果的各种因素，探索提高测量结果可重复性与准确性的方法。

三、考核方式与拓展效果

教学考核贯穿整个实验流程，实行过程式评分。考核项目、分值比例与要点如表1所示。

表1 教学考核评分项目表

软件仿真的考核为预习内容检查，需课前在线上完成。线下课程实验操作开始后，教师根据学生完成实验基础阶段的时间进行实验效率评分。为保证大多数学生能顺利完成实验，保持对实验的热情和信心，实验质量和实验数据均按实验基础阶段的完成情况评分；实验晋级阶段完成后进行自主创新环节评分。课后完成实验报告，要求必须包括实验方法的小结，写清楚实验中遇到的障碍及解决方法，以此加深学生对问题的思考与经验总结。

2019级与2020级光电专业本实验的考核成绩如图3，从整体上看，各分数段的人数比例变化不大。探究式教学的引入虽然难度上有所提升，但内容的新颖性和任务的层层递进提升了学生的参与度，在保证较高的优良率的基础上，2020级的优秀率较上一届有所提升。

图3 2020级与2019级考核成绩

2020级教学中引入的拓展环节是更高层次的探究，部分学生对该环节中的甜度测量实验做了进一步完善，并以此为题参加了当年的大学生光电设计竞赛；部分学生将I/V变换电路引入振动测量实验参加了当年的大学生物理实验竞赛，并取得了成绩。按以往我校参赛情况统计，通常在三年级会参加这些竞赛并取得成绩，经过探究式的实验锻炼，二年级的学生就开始逐步具备了设计实验、创新实验的能力。

结语

通过在基础实验中贯彻探究式教学，可以看出尽管是基础实验，通过紧密结合专业特色，线上线下融合，层层深入地探究式设计，逐步培养了学生解决复杂问题的能力。在探究的过程中让科研内容与竞赛题充分融入，让学生有机会体验出基础实验在科研中的位置，在竞赛中发挥的作用。不同阶段的探究内容也让各层次的学生都在原有基础上提升了自己的探究能力。拓展阶段的开展，让优秀学生有了进一步发展的空间，大大提高了人才培养质量，实现了以学生为中心的培养方式。