梁啟文，許 棠，龍世瑜，莫長江，賈紅芳

(嶺南師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東湛江524048)

模擬電子技術(shù)是高等學(xué)科的一門重要必修課，而實驗教學(xué)對于培養(yǎng)工科學(xué)生創(chuàng)新能力和實驗技能起到重要的作用。掌握好實驗技能，能加深對理論知識的理解，彌補理論教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，對于提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力也具有很好的促進作用。然而，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)存在實驗課時不足、實驗內(nèi)容偏重驗證性和實驗內(nèi)容單一等一系列問題，使得知識的銜接不理想，缺乏連續(xù)性。學(xué)生完成全部實驗后，不能將所學(xué)到的知識運用到生活中解決實際應(yīng)用問題，造成學(xué)生對實驗的重視程度不高，實驗教學(xué)效果不理想[1]。本文結(jié)合嶺南師范學(xué)院電工電子實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的實際情況，對模擬電子實驗教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面進行了改革。

1 CDIO教育理念的實驗教學(xué)體系建設(shè)

1.1 CDIO 教育理念

CDIO(Conceive Design Implement Operate)工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。該模式以產(chǎn)品的構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實施(Implement)及運作(Operate)全過程為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的方式進行工程學(xué)習(xí)，注重培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)知識、學(xué)習(xí)能力、團隊交流能力及工程系統(tǒng)能力。迄今為止，已有幾十所世界著名大學(xué)加入了CDIO組織，采用CDIO工程教育理念和教學(xué)大綱進行教學(xué)，取得了良好效果，培養(yǎng)的學(xué)生深受社會與企業(yè)歡迎。CDIO教育理念能夠讓學(xué)生獲得更廣泛的知識，具備足夠的人際交流能力、專業(yè)知識應(yīng)用能力、產(chǎn)品和系統(tǒng)構(gòu)建能力，使學(xué)生畢業(yè)后更快地適應(yīng)行業(yè)對人才的需求[2]。因此，針對模擬電子技術(shù)實驗課程的特點和教學(xué)中存在的不足，筆者深入研究CDIO的精髓，并將CDIO教育理念應(yīng)用于模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)改革中。

1.2 實驗教學(xué)體系的建設(shè)

CDIO的教學(xué)模式充分反映了人才培養(yǎng)的客觀規(guī)律。我們根據(jù)CDIO的教育理念，并結(jié)合實際情況，對模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)體系進行了優(yōu)化，建立了“與理論教學(xué)相結(jié)合，以能力培養(yǎng)為核心”的多元化、多層次的實驗教學(xué)體系(圖1)。該體系是CDIO理念的“構(gòu)思、設(shè)計、實施及運作”四個層次進行建設(shè)的實驗教學(xué)體系，注重“循序漸進、不斷提高、分層培養(yǎng)和注重創(chuàng)新”的過程[3]。這種優(yōu)化后的教學(xué)體系在培養(yǎng)學(xué)生間接獲取知識、直接獲取知識、探索研究新知識等方面提供了比較明確的教學(xué)引導(dǎo)作用。

圖1 模擬電子技術(shù)分層式實驗教學(xué)體系

圖2 各項實驗所占的比例

在圖1中，驗證性實驗位于實驗教學(xué)體系的底層，是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)實驗，主要驗證課本中某一原理、理論或結(jié)論，從而加深學(xué)生對知識的理解。因此，在實驗過程中使用儀器進行測試，通過觀察實驗結(jié)果、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析等手段可得出被驗證內(nèi)容的實驗過程。驗證性實驗是學(xué)生進行項目運作的基礎(chǔ)，占整個實驗教學(xué)體系的55%(圖2)。

綜合性實驗位于驗證性實驗的上層，主要是鞏固上一階段的學(xué)習(xí)成果。實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)的知識，是學(xué)生在具有一定知識和技能的基礎(chǔ)上，運用某一門課程或多門課程的知識、技能和方法進行綜合訓(xùn)練的一種復(fù)合型實驗。綜合性實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、數(shù)據(jù)處理能力和綜合分析能力的有效方法，在整個實驗教學(xué)體系中約占20%。綜合性實驗是項目設(shè)計的基礎(chǔ)。

設(shè)計性實驗位于綜合性實驗的上層。教師給定實驗?zāi)康?、要求和實驗條件，由學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并獨立完成操作、記錄實驗數(shù)據(jù)以及分析實驗結(jié)果等過程。設(shè)計性實驗主要培養(yǎng)學(xué)生查閱資料的能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決實際問題的能力[4]。相對于綜合性實驗，設(shè)計性實驗更接近于系統(tǒng)工程，有利于提高學(xué)生的工程實踐和工程應(yīng)用能力。設(shè)計性實驗在整個實驗教學(xué)體系中約占15%，是項目實施的有效手段。

創(chuàng)新性實驗位于分層式實驗教學(xué)體系的最頂層，主要通過第二課程競賽的形式，讓學(xué)生利用所學(xué)到的知識設(shè)計一個電子產(chǎn)品，解決實際生活中的一些簡單問題。通過競賽，可以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，全面提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新性實驗(第二課堂競賽)在整個實驗教學(xué)體系中約占10%，是項目運作的過程。

2 實驗內(nèi)容和實驗項目的更新

改革前的實驗內(nèi)容絕大部分為驗證性實驗。學(xué)生在實驗時多數(shù)按照教師的演示進行接線，對實驗內(nèi)容不熟悉，遇到問題找教師幫忙解決，做完實驗后并不知道實驗原理，實驗效果不理想[5]。為了改變這種現(xiàn)狀，在教學(xué)實踐中結(jié)合CDIO教育理念，將實驗內(nèi)容和實驗項目進行更新，遞進式安排實驗內(nèi)容(即基礎(chǔ)層——應(yīng)用層——綜合設(shè)計層)，實驗難度符合從簡單到復(fù)雜的實驗教學(xué)規(guī)律，形成分層式的項目教學(xué)模式，如圖3。此框圖為音響放大器的實驗項目教學(xué)體系，其中音響放大器實驗項目要求:設(shè)計一音響放大器，具有音調(diào)輸出控制、卡拉OK伴唱功能，能對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。已知條件:話筒(低阻20Ω)的輸出電壓為5mv，錄音機的輸出信號電壓為100mv;完成的主要技術(shù)指標(biāo):使用正負直流12V供電，輸出功率PO≥1W，負載阻抗RL=8Ω，輸入電阻Ri≥20KΩ，截止頻率fL=40Hz，fH=10KHz;音調(diào)控制特性為1KHz處增益為0dB，100KHz和10KHz處有±12dB的調(diào)節(jié)范圍，AVL=AVH≥20dB;整個實驗項目分為信號輸入部分、信號處理部分、功率放大部分和電源部分組成[6]。

圖3 分層式實驗項目教學(xué)體系

以音響放大器的設(shè)計與制作項目作為牽引，根據(jù)音響放大器的結(jié)構(gòu)框圖，在信號的輸入部分、信號處理部分、功率放大部分和直流電源部分安排相應(yīng)的實驗內(nèi)容，使實驗內(nèi)容由基礎(chǔ)層向應(yīng)用層和綜合設(shè)計層拓展，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。分層式模擬電子技術(shù)實驗項目如表1所示。

表1 分層式模擬電子技術(shù)實驗項目

以項目式實驗教學(xué)為主，構(gòu)建了分層式模擬電子實驗教學(xué)體系和實驗項目，將模擬電子技術(shù)實驗項目整合為一體。在圖3的信號輸入部分安排了3個基礎(chǔ)實驗，其中常用電子元器件的識別及常用儀器的使用是音響放大器電路設(shè)計的基礎(chǔ)，將單管放大電路作為話筒輸出信號放大，而音頻信號發(fā)生器可產(chǎn)生1KHz的音頻信號作為后級電路的測試信號源。在信號處理和功率放大部分安排了3個實驗項目，利用運算放大器的應(yīng)用電路對前級輸出的信號進行混合放大，再經(jīng)過音調(diào)控制電路后送到功率放大電路進行功率放大。其中直流穩(wěn)壓電源電路為整機提供電源，將音響放大器的電路設(shè)計及測試作為一個設(shè)計性實驗。整個實驗體系共設(shè)置了8個實驗，包含了驗證性實驗、綜合性實驗和設(shè)計性實驗。實驗與實驗之間前后均有銜接，使實驗體系最終形成一個電路系統(tǒng)進行綜合調(diào)試。這樣不僅可加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，教會學(xué)生識別電子元器件、使用相關(guān)儀器進行測試，而且可以在實踐中培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計電子系統(tǒng)的能力，讓學(xué)生的專業(yè)技能和工程實踐能力得到很好的鍛煉[7]。

3 教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革

3.1 實驗教學(xué)單獨設(shè)課

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)作為理論教學(xué)的一部分，讓學(xué)生認(rèn)為只要將理論課學(xué)好就可以通過考核，學(xué)生參加實驗的積極性不高，造成實驗教學(xué)效果不好。將模擬電子技術(shù)實驗作為一門獨立的課程單獨開設(shè)，確立了模擬電子技術(shù)實驗的地位，有固定的學(xué)時和學(xué)分，學(xué)生實驗考核不及格同樣要參加補考或重修。在改革后的實驗教學(xué)中，實驗安排基本上是單人單套設(shè)備獨立完成，取消了以往兩人一組共同完成實驗的做法。這使得學(xué)生在思想上有一定的壓力，要想取得實驗學(xué)分，必須親自動手做實驗。同時通過修訂實驗教學(xué)大綱和重新編寫實驗教材，合理安排實驗內(nèi)容，將實驗大綱、實驗項目和課程安排等資料共享在電工電子實驗教學(xué)示范中心的網(wǎng)站上，方便學(xué)生的查閱和學(xué)習(xí)[8]。

3.2 以學(xué)生為中心，改進實驗教學(xué)方法

在實驗教學(xué)過程中，通過深入研究CDIO教育理念，創(chuàng)新和使用多樣化的實驗教學(xué)方法，建立以學(xué)生為中心的實驗教學(xué)模式，采用以教師為主導(dǎo)，知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的教學(xué)方法，逐步形成自主式、合作式、探究式的學(xué)習(xí)方式。打破傳統(tǒng)以教師講授為主的教學(xué)模式，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造性，讓學(xué)生在“做中學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生的分析問題和解決問題的能力。

3.3 虛擬仿真與實踐相結(jié)合

利用虛擬仿真軟件對實驗進行仿真分析，是培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰凸こ桃庾R的重要手段。目前，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)中，已逐步被學(xué)生認(rèn)可。要求學(xué)生在進入實驗室做實驗之前，利用業(yè)余時間使用自己熟悉的虛擬仿真軟件，如Multisim、Proteus或Matlab等，對要所做實驗進行仿真分析，初步得出實驗結(jié)果。這樣有助于學(xué)生更深入地了解實驗原理，熟悉實驗電路，激發(fā)他們的實驗興趣，提高實驗的效率和自主學(xué)習(xí)的意識。

3.4 建立多元化的實驗考核方法

實驗考核是實驗教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的考核方式主要根據(jù)學(xué)生的平時成績、實驗報告成績和期末考試的成績綜合評定，忽視了學(xué)生實驗過程中動手能力的培養(yǎng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性。為了科學(xué)地評價學(xué)生的實驗情況，應(yīng)建立多元化的實驗考核方法，統(tǒng)籌考核實驗過程與實驗結(jié)果，充分激發(fā)學(xué)生實驗的積極性，提高他們實驗和工程實踐能力，使考核方式更加傾向于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、動手操作、數(shù)據(jù)分析處理、團隊合作以及語言表達能力，以此提高學(xué)生的綜合能力。

實驗前要求學(xué)生寫預(yù)習(xí)報告。學(xué)生通過虛擬仿真，對實驗有初步的了解，明白實驗的原理。在預(yù)習(xí)報告中要明確實驗內(nèi)容，如實驗名稱、實驗?zāi)康?、實驗原?含電路原理圖)等，這樣可提高學(xué)生的實驗效率，同時也可以看出學(xué)生對實驗的重視程度[9]。在這一部分中，考核的分?jǐn)?shù)占整個實驗項目的10%。

實驗操作和實驗報告是實驗考核的重點，各占40%。實驗操作主要是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主獨立開展實驗，通過實驗得出實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論。在整個過程中注重培養(yǎng)學(xué)生的實驗動手能力，以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。實驗報告是培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生以書面形式進行數(shù)據(jù)處理和分析的能力，教師可從批改實驗報告的過程中看出學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)是否真實、實驗結(jié)論是否符合要求，從而得到學(xué)生對實驗的掌握情況。

答辯是實驗考核中的一個重要的環(huán)節(jié)，占整個實驗項目的10%。學(xué)生在完成實驗操作后得出實驗結(jié)果，可舉手示意教師來驗收。教師根據(jù)實驗的結(jié)果，提出相關(guān)問題讓學(xué)生回答，最后由教師記錄答辯成績。這種方法使得實驗教學(xué)效果得到一定程度的提升，更好地鍛煉了學(xué)生的表達溝通能力，使學(xué)生的綜合素質(zhì)得到進一步的提高[10]。

4 教學(xué)效果與教學(xué)成果

以電工電子實驗教學(xué)示范中心建設(shè)為契機，結(jié)合CDIO教育理念，對模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)進行深入的研究和改革，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，取得了較為顯著的效果。

4.1 實驗體系合理，教學(xué)效果顯著

在實驗教學(xué)改革過程中，對實驗體系進行優(yōu)化，補充大部分的實驗教學(xué)設(shè)備，以保證每位學(xué)生獨立完成實驗，增加學(xué)生動手的機會。學(xué)生參與實驗的興趣濃厚，特別是在信息學(xué)院每年舉辦的“IT科技節(jié)”學(xué)術(shù)活動中，大批學(xué)生進入實驗室進行設(shè)計、安裝和調(diào)試;同時邀請相應(yīng)的指導(dǎo)教師到現(xiàn)場進行指導(dǎo)，使學(xué)生受益頗多。

4.2 學(xué)生的創(chuàng)新能力得到明顯的提高

2010年以來，學(xué)生參加各類電子設(shè)計競賽的人數(shù)大幅度增加，取得了較好的成績。到2014年底，我院學(xué)生參加國家級、省級、市級和校級的電子設(shè)計競賽，獲得三等獎以上的共有54項。其中，2013年獲得全國大學(xué)生電子設(shè)計廣東賽區(qū)一等獎2次、二等獎1次、三等獎2次;2014年獲得廣東大學(xué)生電子設(shè)計競賽一等獎1次、三等獎2次。通過學(xué)生競賽，我院學(xué)生的創(chuàng)新能力得到顯著的提高。

4.3 實驗教學(xué)改革成果豐富

近幾年，學(xué)生除了在學(xué)科競賽方面取得較好的成績以外，在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的申報工作中也取得較好的成績，有多份作品通過省級和國家級的立項。另外，通過實驗教學(xué)改革研究，修改了實驗教學(xué)大綱和實驗內(nèi)容，出版了模擬電子技術(shù)實驗的教材，同時將實驗教學(xué)改革取得的成果整理成論文的形式公開發(fā)表。

5 結(jié)語

模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)改革以CDIO教育理念為指導(dǎo)，目前基本上形成了一個循序漸進的分層式實驗教學(xué)體系。通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，該體系能有效地調(diào)動學(xué)生的實驗積極性，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和實踐操作能力，實驗教學(xué)效果顯著，發(fā)揮了良好的示范和輻射作用。

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