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）

·實驗科學(xué)與教學(xué)——電子信息類·

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，進一步推動了該專業(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，具體推動工程素養(yǎng)培養(yǎng)。這些課程既有豐富的理論，同時又有大量的工程實踐問題，通過梳理課程內(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)要求對學(xué)術(shù)前沿的關(guān)注，文獻閱讀理解，通過實驗方法研究電路規(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、相關(guān)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)知識的基礎(chǔ)上，在本領(lǐng)域工程應(yīng)用中，能運用專業(yè)知識與工程技能發(fā)現(xiàn)和研究問題，給出合理可行的解決方案。

為了達到這個培養(yǎng)目標(biāo)，電子科技大學(xué)大力推行探究式小班教學(xué)，同時進行挑戰(zhàn)性課程建設(shè)，這些舉措對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(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)的一個重要組成部分［1－4］，是電子信息類等專業(yè)本科生在電子技術(shù)方面入門級的技術(shù)基礎(chǔ)課，具有較強的工程性；培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的能力是該課程的特色之一［5－7］。結(jié)合課程特點，主要解決工程素養(yǎng)培養(yǎng)的兩個方面內(nèi)容：1）一般規(guī)律與具體工程案例結(jié)合；2）從實際問題通過歸納總結(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)，再通過一定的配套實驗來進一步理解原理，學(xué)生主動用于思考研究的時間不多。本文通過挑戰(zhàn)性課程設(shè)計，對內(nèi)容進行梳理，學(xué)生參與課程的學(xué)時不僅是課堂學(xué)習(xí)，還有自主學(xué)習(xí)，及學(xué)習(xí)交流討論等學(xué)時，這幾個過程學(xué)時的比例為1∶2.5∶2，即1學(xué)時課堂∶2.5學(xué)時自學(xué)∶2學(xué)時交流討論。課外自學(xué)要求通過文獻閱讀，參加相關(guān)講座，對學(xué)術(shù)前沿關(guān)注，完成挑戰(zhàn)性課程設(shè)計；掌握實驗方法，通過實驗歸納總結(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。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)時間，本文在課程內(nèi)容與教學(xué)方式等方面都進行了優(yōu)化。

本文將課程內(nèi)容分為6個部分，如圖1所示。在設(shè)計每部分的教學(xué)內(nèi)容時，從以下4個方面考慮：1）需要解決的問題；2）課程討論要點；3）建議學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容；4）課程設(shè)計要求。整個課程內(nèi)容圍繞基本理論和工程實踐兩個方面開展。

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，掌握電路網(wǎng)絡(luò)約束和器件約束，正確列寫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。對學(xué)生自學(xué)內(nèi)容提出的建議包括：1）實際器件與模型的關(guān)系，實際器件如何抽象成模型，實際器件如何用模型來表示；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）電路方程列寫及化簡，如何編寫算法并用計算機求解，重點體會建模與算法求解是電路CAD技術(shù)的核心。課程設(shè)計則建議學(xué)生學(xué)習(xí)Multisim使用，用Multisim分析電阻電路；同時了解基本儀表的使用，能夠構(gòu)建電阻電路并完成測試，對比理論分析、仿真、實際測試差異并分析原因。

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)成電路的特點以及圖解法、分段線性和等效電路分析等方法。對學(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，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)計建議學(xué)生構(gòu)建半導(dǎo)體開關(guān)電路，并完成仿真及電路測試；通過查閱資料，理解開關(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，放大器輸入大信號分析，信號最大輸入范圍，偏置電路和工作點選擇以及小信號輸入等效分析。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)成實用電路；2）BJT如何構(gòu)成放大電路，集成放大的電路實現(xiàn)及發(fā)展趨勢。課程設(shè)計建議學(xué)生完成小信號單管放大電路的仿真設(shè)計，并完成電路制作，給出測試結(jié)果；將理論分析和仿真結(jié)果進行比較，給出結(jié)論。

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

Ⅳ.要求掌握含儲能元件電路的特點及時域瞬態(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)電路拓撲結(jié)構(gòu)，用電路約束規(guī)律寫出微分方程（一階、二階電路對應(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)計建議學(xué)生對實際小信號放大器電路的時域響應(yīng)進行仿真分析，并完成放大器瞬態(tài)性能的測試，討論如何根據(jù)要求優(yōu)化放大器設(shè)計。

時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，同時不易用測量儀器觀察到快速變換的信號響應(yīng)情況。在此基礎(chǔ)上，通過采用復(fù)指數(shù)驅(qū)動，并將微分方程變換成代數(shù)方程，使電路分析大為簡化，容易用儀器在頻域觀測到電路響應(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；3）電路如何選擇處理所需頻率信號等。課程設(shè)計建議學(xué)生對放大器頻率響應(yīng)進行仿真分析，并對實際制作的音頻放大器頻率響應(yīng)進行測試，給出測試報告。

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

Ⅵ.要求學(xué)生掌握理想運算放大器的電路特性及構(gòu)成的基本電路特點。學(xué)生通過課堂討論和自學(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)計專業(yè)學(xué)生的重點）。課堂主要討論集成運算放大器器件約束即端口電路特性，集成運算放大器的負反饋和正反饋應(yīng)用。建議學(xué)生自學(xué)的內(nèi)容：1）了解集成運算放大器內(nèi)部單元電路；2）負反饋和正反饋基本概念及對電路的影響；3）集成運算放大器在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的主要應(yīng)用。課程設(shè)計建議學(xué)生對有源濾波器電路進行研究，掌握電路設(shè)計、分析、實現(xiàn)及測試，并給出設(shè)計報告。

2 關(guān)于培養(yǎng)實施的思考

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

課程教學(xué)首先要求學(xué)生在掌握一般原理的基礎(chǔ)上，能進一步對工程問題進行分析。比如頻率響應(yīng)在信號與系統(tǒng)和電子電路基礎(chǔ)等課程中是重要的基本概念之一?？梢愿鶕?jù)最簡單的RC電路來估計放大電路的頻率響應(yīng)，而避免復(fù)雜的計算。

學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)，掌握決定電路頻率響應(yīng)主要是電路的時間常數(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對放大器性能的影響，給出能通過放大器信號頻率范圍，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

通過這個討論，學(xué)生明白了影響放大器信號頻率響應(yīng)的還是由電容C及其兩端等效電阻構(gòu)成的時間常數(shù)，電阻R1和R2不僅提供工作點偏置電壓，其大小對信號頻率也有影響，在設(shè)計電路時必須進行優(yōu)化考慮。

在學(xué)習(xí)過程中，不僅需要培養(yǎng)應(yīng)用原理解決工程問題的能力，還需要培養(yǎng)通過工程實踐總結(jié)提煉出一般規(guī)律的能力，為更好地理解解決工程問題，認識自然規(guī)律打下基礎(chǔ)，以推動工程技術(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)生通過閱讀資料，分析這些電路的共同點，從而發(fā)現(xiàn)都可以用二階微分方程來分析其系統(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

電子信息工程專業(yè)相關(guān)課程采用挑戰(zhàn)性課程改革，對課程內(nèi)容及課程體系進行優(yōu)化，通過探究式小班教學(xué)，課堂教學(xué)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)相結(jié)合，同時加強師生互動。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個老師負責(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)置專門的內(nèi)容討論以檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。

教學(xué)效果方面，課程改革從兩個方面提高了學(xué)生工程素養(yǎng)：1）對一般原理的應(yīng)用，學(xué)生能用原理分析解決工程問題［9］；2）培養(yǎng)學(xué)生通過工程實踐，總結(jié)提煉出一般規(guī)律的能力，為學(xué)生更好地認識工程問題提供了指導(dǎo)［10］。在教學(xué)的過程中，存在需要進一步改進的地方，比如如何調(diào)動學(xué)生主動參與的積極性，變被動聽課學(xué)習(xí)為主動探索學(xué)習(xí)等。

［1］AGARWAL A，LANG J.Foundations of analog and digital electronic circuits［M］.Elsevier：Morgan Kaufman Pub lishers，2005．

［2］王志功，沈永朝，電路與電子線路基礎(chǔ)：電路部分［M］．北京：高等教育出版社，2012.

［3］何松柏.晶體管小信號等效模型的教學(xué)思路［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2013，11（4）.201－203．

［4］何松柏，吳濤.模擬電路基礎(chǔ)MOOC建設(shè)［C］／／高等學(xué)校電路和信號系統(tǒng)、電磁場教學(xué)與教材研究會第十屆年會，蘭州：［s.n.］，2016．

［5］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京：高等教育出版社，2015.

［6］何松柏，吳濤，李朝海.以MOOC建設(shè)推進“模擬電路基礎(chǔ)”研究型教學(xué)［C］／／高校電子電氣課程教學(xué)系列報告會論文集，廈門：［s.n.］，2016.

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［8］MANASSEWITSCH V.頻率合成原理與設(shè)計［M］.何松柏，宋亞梅，鮑景富，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［9］孔特，魏建成，陳琳洛，等.求解微分方程的電路設(shè)計［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2015，13（4）：212－214.

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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。