何松柏，吳 濤，李朝海

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

·實(shí)驗(yàn)科學(xué)與教學(xué)——電子信息類(lèi)·

電子信息工程專業(yè)學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)探討

何松柏，吳 濤，李朝海

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 611731）

電子信息工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)該具備深厚的工程素養(yǎng)。探究式小班教學(xué)及挑戰(zhàn)性課程的推行，進(jìn)一步推動(dòng)了該專業(yè)學(xué)生工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。該文討論了如何結(jié)合“電路與電子線路基礎(chǔ)”專業(yè)基礎(chǔ)課程，具體推動(dòng)工程素養(yǎng)培養(yǎng)。這些課程既有豐富的理論，同時(shí)又有大量的工程實(shí)踐問(wèn)題，通過(guò)梳理課程內(nèi)容，采用課堂教學(xué)與課外學(xué)習(xí)相結(jié)合，特別是課外學(xué)習(xí)要求對(duì)學(xué)術(shù)前沿的關(guān)注，文獻(xiàn)閱讀理解，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究電路規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)分析解決工程問(wèn)題的方法，最終提升了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

工程素養(yǎng)；挑戰(zhàn)性課程；探究式小班教學(xué)；電子信息工程專業(yè)

電子信息工程專業(yè)主要培養(yǎng)具備較強(qiáng)的電子信息技術(shù)理論基礎(chǔ)和工程能力突出的專業(yè)人才；要求在掌握基本理論、工程基礎(chǔ)知識(shí)、相關(guān)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，在本領(lǐng)域工程應(yīng)用中，能運(yùn)用專業(yè)知識(shí)與工程技能發(fā)現(xiàn)和研究問(wèn)題，給出合理可行的解決方案。

為了達(dá)到這個(gè)培養(yǎng)目標(biāo)，電子科技大學(xué)大力推行探究式小班教學(xué)，同時(shí)進(jìn)行挑戰(zhàn)性課程建設(shè)，這些舉措對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，培養(yǎng)學(xué)生批判性思維、創(chuàng)新能力、解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力起到了積極作用，為學(xué)生工程素養(yǎng)培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

電路與電子線路基礎(chǔ)課程是電子技術(shù)基礎(chǔ)的一個(gè)重要組成部分［1－4］，是電子信息類(lèi)等專業(yè)本科生在電子技術(shù)方面入門(mén)級(jí)的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強(qiáng)的工程性；培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力是該課程的特色之一［5－7］。結(jié)合課程特點(diǎn)，主要解決工程素養(yǎng)培養(yǎng)的兩個(gè)方面內(nèi)容：1）一般規(guī)律與具體工程案例結(jié)合；2）從實(shí)際問(wèn)題通過(guò)歸納總結(jié)，得到一般性規(guī)律。傳統(tǒng)的課堂較重視有規(guī)律的講授，即理論教學(xué)，再通過(guò)一定的配套實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步理解原理，學(xué)生主動(dòng)用于思考研究的時(shí)間不多。本文通過(guò)挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行梳理，學(xué)生參與課程的學(xué)時(shí)不僅是課堂學(xué)習(xí)，還有自主學(xué)習(xí)，及學(xué)習(xí)交流討論等學(xué)時(shí)，這幾個(gè)過(guò)程學(xué)時(shí)的比例為1∶2.5∶2，即1學(xué)時(shí)課堂∶2.5學(xué)時(shí)自學(xué)∶2學(xué)時(shí)交流討論。課外自學(xué)要求通過(guò)文獻(xiàn)閱讀，參加相關(guān)講座，對(duì)學(xué)術(shù)前沿關(guān)注，完成挑戰(zhàn)性課程設(shè)計(jì)；掌握實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)，研究電路規(guī)律；從而培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)分析解決工程問(wèn)題的能力，并提升工程素養(yǎng)。

1 課程內(nèi)容優(yōu)化與工程素養(yǎng)培養(yǎng)

電路與電子線路基礎(chǔ)課程是原來(lái)電路分析與模擬電路基礎(chǔ)課程的整合，目前在課程的教學(xué)上，大多數(shù)學(xué)校的處理方式都是將兩部分內(nèi)容合并［2］，先學(xué)習(xí)電路分析方法，再學(xué)習(xí)模擬電路相關(guān)知識(shí)。為了更好地培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)，讓學(xué)生有更多的自主學(xué)習(xí)時(shí)間，本文在課程內(nèi)容與教學(xué)方式等方面都進(jìn)行了優(yōu)化。

本文將課程內(nèi)容分為6個(gè)部分，如圖1所示。在設(shè)計(jì)每部分的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，從以下4個(gè)方面考慮：1）需要解決的問(wèn)題；2）課程討論要點(diǎn)；3）建議學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容；4）課程設(shè)計(jì)要求。整個(gè)課程內(nèi)容圍繞基本理論和工程實(shí)踐兩個(gè)方面開(kāi)展。

圖1 電路與電子線路內(nèi)容體系

Ⅰ.主要是電路模型及電路網(wǎng)絡(luò)，要求掌握電路元件模型及構(gòu)成電路的特點(diǎn)，掌握電路網(wǎng)絡(luò)約束和器件約束，正確列寫(xiě)電路方程并利用電路求解方法分析電路。課堂主要討論器件基本概念和電路分析方法。對(duì)學(xué)生自學(xué)內(nèi)容提出的建議包括：1）實(shí)際器件與模型的關(guān)系，實(shí)際器件如何抽象成模型，實(shí)際器件如何用模型來(lái)表示；2）KCL、KVL定律與電磁方程間的關(guān)系，又是如何相互影響的；3）電路方程列寫(xiě)及化簡(jiǎn)，如何編寫(xiě)算法并用計(jì)算機(jī)求解，重點(diǎn)體會(huì)建模與算法求解是電路CAD技術(shù)的核心。課程設(shè)計(jì)則建議學(xué)生學(xué)習(xí)Multisim使用，用Multisim分析電阻電路；同時(shí)了解基本儀表的使用，能夠構(gòu)建電阻電路并完成測(cè)試，對(duì)比理論分析、仿真、實(shí)際測(cè)試差異并分析原因。

Ⅱ.主要是非線性器件電路即半導(dǎo)體器件電路及基本分析方法，要求掌握半導(dǎo)體器件構(gòu)成非線性電阻電路的基本概念和分析方法。課堂主要以FET器件討論半導(dǎo)體器件工作狀態(tài)、構(gòu)成電路的特點(diǎn)以及圖解法、分段線性和等效電路分析等方法。對(duì)學(xué)生自學(xué)內(nèi)容提出的建議包括：1）典型半導(dǎo)體器件如二極管、BJT、CMOS、GaAs、GaN等物理原理和特性以及半導(dǎo)體器件發(fā)展趨勢(shì)，器件物理構(gòu)成與器件電路特性關(guān)系以及集成電路發(fā)展；2）不同分析方法適用的范圍及區(qū)別；3）半導(dǎo)體器件建模及非線性電路求解方法的發(fā)展。課程設(shè)計(jì)建議學(xué)生構(gòu)建半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電路，并完成仿真及電路測(cè)試；通過(guò)查閱資料，理解開(kāi)關(guān)電路與數(shù)字邏輯電路關(guān)系等。

Ⅲ.主要討論放大電路基本概念及分析方法。課堂主要討論用MOSFET構(gòu)成放大器的基本原理，放大器輸入大信號(hào)分析，信號(hào)最大輸入范圍，偏置電路和工作點(diǎn)選擇以及小信號(hào)輸入等效分析。建議學(xué)生自學(xué)：1）音頻放大器電路，比較如何在基本原理電路基礎(chǔ)上構(gòu)成實(shí)用電路；2）BJT如何構(gòu)成放大電路，集成放大的電路實(shí)現(xiàn)及發(fā)展趨勢(shì)。課程設(shè)計(jì)建議學(xué)生完成小信號(hào)單管放大電路的仿真設(shè)計(jì)，并完成電路制作，給出測(cè)試結(jié)果；將理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，給出結(jié)論。

在實(shí)際電路中，總是包含有儲(chǔ)能的電容、電感元件，電路響應(yīng)通過(guò)求解微分方程得到電路的瞬態(tài)解。

Ⅳ.要求掌握含儲(chǔ)能元件電路的特點(diǎn)及時(shí)域瞬態(tài)分析方法，特別是一階、二階電路的分析。課堂主要討論根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用電路約束規(guī)律寫(xiě)出微分方程（一階、二階電路對(duì)應(yīng)的微分方程），并能分析基本電路現(xiàn)象。建議學(xué)生自學(xué)：1）數(shù)字邏輯電路中的延遲、對(duì)脈沖的響應(yīng)等；2）邏輯電路消耗能量和功率分析。課程設(shè)計(jì)建議學(xué)生對(duì)實(shí)際小信號(hào)放大器電路的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，并完成放大器瞬態(tài)性能的測(cè)試，討論如何根據(jù)要求優(yōu)化放大器設(shè)計(jì)。

時(shí)域分析方法可以得到電路暫態(tài)響應(yīng)，但該方法比較復(fù)雜，同時(shí)不易用測(cè)量?jī)x器觀察到快速變換的信號(hào)響應(yīng)情況。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)采用復(fù)指數(shù)驅(qū)動(dòng)，并將微分方程變換成代數(shù)方程，使電路分析大為簡(jiǎn)化，容易用儀器在頻域觀測(cè)到電路響應(yīng)。

Ⅴ.要求掌握電路穩(wěn)態(tài)分析及電路頻率響應(yīng)特性。課堂主要討論電路正弦穩(wěn)態(tài)概念及求解思路，頻率響應(yīng)的基本概念，影響電路頻率響應(yīng)的因素以及諧振電路頻率響應(yīng)及濾波器概念。建議學(xué)生總結(jié)：1）時(shí)域響應(yīng)與頻域響應(yīng)的關(guān)系；2）放大器頻率響應(yīng)特點(diǎn)；3）電路如何選擇處理所需頻率信號(hào)等。課程設(shè)計(jì)建議學(xué)生對(duì)放大器頻率響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)實(shí)際制作的音頻放大器頻率響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，給出測(cè)試報(bào)告。

在討論分離元件構(gòu)建電路的基礎(chǔ)上，對(duì)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電路進(jìn)行討論。

Ⅵ.要求學(xué)生掌握理想運(yùn)算放大器的電路特性及構(gòu)成的基本電路特點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)課堂討論和自學(xué)，理解集成電路應(yīng)用主要是關(guān)心其電路功能，即端口特性，而不是其內(nèi)部電路構(gòu)成（該部分內(nèi)容主要是集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的重點(diǎn)）。課堂主要討論集成運(yùn)算放大器器件約束即端口電路特性，集成運(yùn)算放大器的負(fù)反饋和正反饋應(yīng)用。建議學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容：1）了解集成運(yùn)算放大器內(nèi)部單元電路；2）負(fù)反饋和正反饋基本概念及對(duì)電路的影響；3）集成運(yùn)算放大器在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的主要應(yīng)用。課程設(shè)計(jì)建議學(xué)生對(duì)有源濾波器電路進(jìn)行研究，掌握電路設(shè)計(jì)、分析、實(shí)現(xiàn)及測(cè)試，并給出設(shè)計(jì)報(bào)告。

2 關(guān)于培養(yǎng)實(shí)施的思考

傳統(tǒng)的課程教學(xué)主要是講授一般原理，一定的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一般停留在實(shí)驗(yàn)教學(xué)層面，主要是對(duì)原理的簡(jiǎn)單驗(yàn)證。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)對(duì)人才的需求，要求培養(yǎng)學(xué)生掌握用實(shí)驗(yàn)方法探索電子信息發(fā)展的自然規(guī)律，對(duì)學(xué)生的工程素養(yǎng)提出了新的要求。因此，結(jié)合教學(xué)，主要需要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：1）從一般原理出發(fā)，掌握分析工程問(wèn)題的能力；2）從工程實(shí)踐中總結(jié)提煉出一般規(guī)律，推動(dòng)自然科學(xué)的發(fā)展。本文結(jié)合電路與電子線路課程，討論如何實(shí)施解決這兩個(gè)問(wèn)題。

課程教學(xué)首先要求學(xué)生在掌握一般原理的基礎(chǔ)上，能進(jìn)一步對(duì)工程問(wèn)題進(jìn)行分析。比如頻率響應(yīng)在信號(hào)與系統(tǒng)和電子電路基礎(chǔ)等課程中是重要的基本概念之一。可以根據(jù)最簡(jiǎn)單的RC電路來(lái)估計(jì)放大電路的頻率響應(yīng)，而避免復(fù)雜的計(jì)算。

學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)，掌握決定電路頻率響應(yīng)主要是電路的時(shí)間常數(shù)RC，電路如圖2所示。電路的截止頻率為：

圖2 RC電路及其頻率響應(yīng)

利用式（1）和式（2），要求學(xué)生討論如圖3所示電路，分析電容C對(duì)放大器性能的影響，給出能通過(guò)放大器信號(hào)頻率范圍，以及該頻率范圍主要受什么因素影響。

圖3 基本放大器電路

通過(guò)這個(gè)討論，學(xué)生明白了影響放大器信號(hào)頻率響應(yīng)的還是由電容C及其兩端等效電阻構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)，電阻R1和R2不僅提供工作點(diǎn)偏置電壓，其大小對(duì)信號(hào)頻率也有影響，在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須進(jìn)行優(yōu)化考慮。

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅需要培養(yǎng)應(yīng)用原理解決工程問(wèn)題的能力，還需要培養(yǎng)通過(guò)工程實(shí)踐總結(jié)提煉出一般規(guī)律的能力，為更好地理解解決工程問(wèn)題，認(rèn)識(shí)自然規(guī)律打下基礎(chǔ)，以推動(dòng)工程技術(shù)的發(fā)展。如圖4所示的RLC電路［1］和如圖5所示的二階鎖相環(huán)電路［8］，以及如圖6所示的二階有源濾波電路［4］在工程中都得到了廣泛的應(yīng)用。要求學(xué)生通過(guò)閱讀資料，分析這些電路的共同點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)都可以用二階微分方程來(lái)分析其系統(tǒng)響應(yīng)，啟發(fā)學(xué)生二階微分方程的工程實(shí)現(xiàn)電路不止一種形式，不同電路都是微分方程的逼近。

圖4 RLC電路

圖5 二階鎖相環(huán)電路

圖6 二階有源濾波電路

3 結(jié)束語(yǔ)

電子信息工程專業(yè)相關(guān)課程采用挑戰(zhàn)性課程改革，對(duì)課程內(nèi)容及課程體系進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)探究式小班教學(xué)，課堂教學(xué)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，同時(shí)加強(qiáng)師生互動(dòng)。近兩年參加該課程學(xué)習(xí)的學(xué)生每年有200人左右，分成兩種教學(xué)模式：1）采用大班授課＋小班研討（30人小班，3個(gè)老師負(fù)責(zé)）；2）采用小班教學(xué)，每班30人，要求學(xué)生提前自學(xué)，并在課堂中設(shè)置專門(mén)的內(nèi)容討論以檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

教學(xué)效果方面，課程改革從兩個(gè)方面提高了學(xué)生工程素養(yǎng)：1）對(duì)一般原理的應(yīng)用，學(xué)生能用原理分析解決工程問(wèn)題［9］；2）培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)工程實(shí)踐，總結(jié)提煉出一般規(guī)律的能力，為學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)工程問(wèn)題提供了指導(dǎo)［10］。在教學(xué)的過(guò)程中，存在需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，比如如何調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與的積極性，變被動(dòng)聽(tīng)課學(xué)習(xí)為主動(dòng)探索學(xué)習(xí)等。

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Discussion on the Cultivation of Students Engineering Accomplishment in Electronic Information Engineering Specialty

HE Songbai，WU Tao，LIChaohai
（College of Electronic and Engineering，University of Electrical Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

Electronic information engineering students should have a profound engineering accomplishment.The implementation of inquiry－style small class teaching and challenging courses，further promote the cultivation of professional students engineering accom plishment.This article discusses how to combine the“basic courses of circuit and electronic circuit＂and other professional basic cour ses，specifically to promote the engineering accomplishment training.These courses have both rich theory and a large number of engi neering practice problems.By combing the contents of the course，the combination of classroom teaching and extracurricular learning，especially the extracurricular learning requirements which includes the academic frontier，the literature reading comprehension and studying circuit law by experimentalmethods，training students to solve scientific problems in scientific methods，and ultimately en hance the students engineering accomplishment．

engineering accomplishment；challenging courses；inquiry－style small class teaching；electronic information engi neering

G642.0

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2017.03.001

2017－03－16；修改日期：2017－04－15

四川省和電子科技大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目——電子線路基礎(chǔ)課程體系研究（2013XJYZD003）。

何松柏（1972－），男，博士，教授，主要從事射頻微波電路理論及集成電路的研究，以及電子線路等課程的教學(xué)工作。