郝彥爽， 魯億方， 韓守梅

(1. 北京科技大學(xué) 自然科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心， 北京 100083；2. 北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100083)

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是一門與電子技術(shù)理論課相配合的實(shí)驗(yàn)課，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，是非電類工科專業(yè)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，其目的是使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、提高動(dòng)手實(shí)踐能力、激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)一定的創(chuàng)新能力，為將來從事工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。本文結(jié)合我校非電類專業(yè)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課的自身特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、專業(yè)需求等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐，以期能有效提高教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。

1 非電類電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀與問題

電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)包括模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)2部分內(nèi)容。對(duì)于電類專業(yè)(如自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、計(jì)算機(jī)等專業(yè))，這2部分內(nèi)容分別獨(dú)立設(shè)課，各有16學(xué)時(shí)；而對(duì)于非電類專業(yè)，這2部分內(nèi)容合并在一起才16學(xué)時(shí)，從而帶來學(xué)時(shí)少、內(nèi)容多的問題。

我校電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程面向的學(xué)生是非電類工科專業(yè)學(xué)生，包括冶金、礦業(yè)、機(jī)械等多個(gè)專業(yè)的學(xué)生，同時(shí)也包括“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”(簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”)的學(xué)生。這些學(xué)生雖然都屬于非電類專業(yè)，但是各專業(yè)對(duì)于電子技術(shù)的專業(yè)要求有所不同，比如機(jī)械工程專業(yè)與冶金工程相比，對(duì)電子技術(shù)的掌握要求更加深入一些。每年都有機(jī)械專業(yè)的本科生參加全國(guó)機(jī)器人大賽，而有些機(jī)械專業(yè)研究生的研究方向與自動(dòng)化專業(yè)相近，這就要求他們?cè)诒究齐A段打下堅(jiān)實(shí)的電子技術(shù)基礎(chǔ)?！白吭接?jì)劃”是面向社會(huì)需求、創(chuàng)新高校人才培養(yǎng)模式、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、推動(dòng)教育教學(xué)改革的重要舉措[1]?！白吭接?jì)劃”的任務(wù)是培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高素質(zhì)工程技術(shù)人才[2]。相比于普通學(xué)生，“卓越計(jì)劃”的學(xué)生對(duì)于實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的要求更高一層。因此，為滿足不同專業(yè)、不同類型學(xué)生的不同需求，應(yīng)采用層次化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)手段。

傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課存在如下幾方面的問題:

一是所有非電類專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容是一樣的，沒有考慮到不同學(xué)生的基礎(chǔ)不同、需求不同，不能做到因材施教，造成部分學(xué)生較難順利完成實(shí)驗(yàn)，而部分學(xué)生卻感覺實(shí)驗(yàn)內(nèi)容過于簡(jiǎn)單，這都不利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)[3]；

二是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本以驗(yàn)證型為主，學(xué)生上課只需按圖接線，然后測(cè)試、記錄即可，沒給學(xué)生留下獨(dú)立思考、自主設(shè)計(jì)的空間，無法充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性[4]；

三是教學(xué)方法陳舊，課堂環(huán)節(jié)通常直接給出原理圖，不能引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析問題、解決問題，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中一旦出現(xiàn)問題，不知如何查找產(chǎn)生問題的真正原因，只是將整個(gè)線路拆掉，重新按圖連線，更談不上創(chuàng)新意識(shí)和能力的培養(yǎng)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革措施

2.1 教學(xué)內(nèi)容的層次化改進(jìn)

考慮到授課對(duì)象為本科二年級(jí)的學(xué)生，大部分學(xué)生尚未經(jīng)過太多實(shí)踐能力的培養(yǎng)，動(dòng)手能力較弱，因此教學(xué)內(nèi)容仍保留部分基礎(chǔ)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)；為了使教學(xué)內(nèi)容在有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)覆蓋電子技術(shù)的主要理論知識(shí)點(diǎn)，盡量充實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；增加提高型的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決簡(jiǎn)單實(shí)際問題的能力；此外，新增若干綜合型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，作為可選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以滿足不同專業(yè)學(xué)生以及學(xué)有余力學(xué)生的教學(xué)需求，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

根據(jù)上述改革思路，將電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、提高型實(shí)驗(yàn)和綜合型實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次，其中基礎(chǔ)型和提高型實(shí)驗(yàn)是所有學(xué)生必須完成的部分，綜合型實(shí)驗(yàn)是針對(duì)部分專業(yè)選擇完成。具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目見表1[5]。

表1 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.2 教學(xué)方式的虛實(shí)結(jié)合

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式中，學(xué)生的預(yù)習(xí)過程就是簡(jiǎn)單地抄寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容，不去深入地思考實(shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)過程就是機(jī)械的按圖連線，造成部分學(xué)生不能正確地分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。針對(duì)這個(gè)問題，在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)增加了基于Multisim的虛擬仿真內(nèi)容，要求學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中了解實(shí)驗(yàn)原理，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行Multisim虛擬仿真。

采用虛擬仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 打破時(shí)間與空間的限制，學(xué)生可以在課下自主進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，縮短了課堂上的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，解決了學(xué)時(shí)有限與內(nèi)容增加之間的矛盾[6]；

(2) 改變學(xué)生預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)不加思考的學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生課前主動(dòng)思考的良好習(xí)慣；

(3) 實(shí)驗(yàn)過程中，可以將實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比分析，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，增強(qiáng)分析問題、解決問題的能力。

2.3 啟發(fā)式教學(xué)方法

雖然Multisim仿真軟件可以幫助學(xué)生更好地理論結(jié)合實(shí)際，但是不能取代實(shí)驗(yàn)課中課堂教學(xué)環(huán)節(jié)的作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課的課堂教學(xué)通常是教師先講解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容，給出詳細(xì)的電路原理圖，然后學(xué)生按照步驟和原理圖完成實(shí)驗(yàn)。這種方式不利于學(xué)生主動(dòng)思考，遇到問題不知從何處入手分析。針對(duì)這一問題，在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)采用啟發(fā)式教學(xué)方法。

啟發(fā)式教學(xué)的核心是“疑”，基礎(chǔ)是學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)，本質(zhì)是“生長(zhǎng)”。教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生疑惑，幫助學(xué)生解決疑惑，從而推動(dòng)學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的生長(zhǎng)和發(fā)展[7]。一堂實(shí)驗(yàn)課分為教師講解和學(xué)生操作2個(gè)階段。教師講解階段可通過設(shè)疑啟發(fā)、比較啟發(fā)[8]等方法使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)造性。

比如“采用中規(guī)模集成器件組成組合邏輯電路”實(shí)驗(yàn)，要求利用譯碼器74LS138和數(shù)據(jù)選擇器74LS151分別實(shí)現(xiàn)3人表決電路。譯碼器74LS138和數(shù)據(jù)選擇器74LS151的邏輯功能是學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，3人表決真值表也比較容易寫出。教師講解的目的就是推動(dòng)學(xué)生在這些已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，掌握利用元器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的方法?？梢韵茸寣W(xué)生根據(jù)真值表思考邏輯表達(dá)式，然后通過“設(shè)疑”引導(dǎo)學(xué)生的思考，比如，能否直接用該表達(dá)式分別設(shè)計(jì)出基于74LS138和74LS151的3人表決電路？如果可以，應(yīng)如何設(shè)計(jì)，如果不能，則應(yīng)將表達(dá)式如何變形；利用74LS138和74LS151進(jìn)行組合邏輯電路設(shè)計(jì)的區(qū)別在哪里等。在講解完實(shí)驗(yàn)原理后，可以拋出幾個(gè)問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，比如，如果74LS138的控制端S1接地，會(huì)得到什么結(jié)果？本實(shí)驗(yàn)中，如果地址輸入端的權(quán)位接錯(cuò)，對(duì)結(jié)果有影響嗎？這些問題不一定很難，但通常是學(xué)生實(shí)際動(dòng)手時(shí)容易忽略和犯錯(cuò)的問題。帶著問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，可以促使學(xué)生主動(dòng)思考，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤現(xiàn)象或結(jié)果時(shí)，快速解決問題，即使實(shí)驗(yàn)順利完成，也能夠加深對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

2.4 基于NI myDAQ的口袋實(shí)驗(yàn)室

“口袋實(shí)驗(yàn)室”的理念由美國(guó)德州儀器和賽靈思中國(guó)大學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目引入中國(guó)，它泛指各種功能強(qiáng)大的小型開發(fā)板，倡導(dǎo)不受時(shí)間、空間限制的全新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[9]?？诖鼘?shí)驗(yàn)室允許學(xué)生將實(shí)驗(yàn)室裝入口袋，在任何地方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，延長(zhǎng)了有限的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，使學(xué)生擺脫實(shí)驗(yàn)室開放的時(shí)間、空間束縛，從而可以完成較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能，提高實(shí)踐能力，為培養(yǎng)科技精英型的拔尖人才提供條件[10]。

NI myDAQ是由美國(guó)NI公司推出的低成本的數(shù)據(jù)采集(DAQ)設(shè)備，它將8種常見的實(shí)驗(yàn)室儀器集成到一臺(tái)小巧、便攜的設(shè)備中，可以隨時(shí)隨地測(cè)量并分析實(shí)時(shí)信號(hào)。它提供5 V和±15 V直流電源，2路16位差分模擬模擬輸入通道、2路16位模擬輸出通道、8路數(shù)字輸入輸出線，可以滿足電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備要求。NI myDAQ由USB口供電，使用靈活、方便，具有堅(jiān)固外殼以及安全措施，適合學(xué)生在無教師指導(dǎo)下使用。此外，它基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的NI DAQ技術(shù)框架，學(xué)生在今后的研究和職業(yè)生涯也能夠進(jìn)行使用。

考慮到“卓越計(jì)劃”的學(xué)生要求培養(yǎng)更高的創(chuàng)新意識(shí)與工程實(shí)踐能力，以及購(gòu)置經(jīng)費(fèi)的限制，基于NI myDAQ的口袋實(shí)驗(yàn)室教學(xué)改革目前僅在“卓越計(jì)劃”的學(xué)生中進(jìn)行，尚未在所有電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)生中開展。對(duì)于“卓越計(jì)劃”的學(xué)生，開學(xué)初將設(shè)備發(fā)到學(xué)生手中，人手一套由基本元器件和面包板組成的器件盒，用于搭建實(shí)驗(yàn)電路，3～5人一組，分時(shí)共用1臺(tái)NI myDAQ設(shè)備，用于所搭建電路的實(shí)際測(cè)試。學(xué)生在課下完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，并將搭建好電路的面包板交給實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于有問題的電路，教師會(huì)分別指出錯(cuò)誤之處，并督促學(xué)生進(jìn)行修改。為檢驗(yàn)每個(gè)學(xué)生真實(shí)的學(xué)習(xí)效果，在期末設(shè)置統(tǒng)一的考試。考核題目均為包含本課程主要知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，每人任選一題，利用實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)和NI myDAQ設(shè)備，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試。課程結(jié)束，教師將設(shè)備和元件盒收回實(shí)驗(yàn)室。這樣，學(xué)生可以有一學(xué)期的時(shí)間，隨時(shí)進(jìn)行課內(nèi)要求實(shí)驗(yàn)或課外自主實(shí)驗(yàn)，最大限度地提高動(dòng)手能力，有利于激發(fā)學(xué)生的靈感與創(chuàng)新意識(shí)。

3 結(jié)語

本次電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革已經(jīng)在我校14級(jí)、15級(jí)非電類專業(yè)學(xué)生中進(jìn)行了實(shí)踐。結(jié)果表明，層次化的教學(xué)內(nèi)容可以滿足不同基礎(chǔ)和不同專業(yè)學(xué)生對(duì)課程的需求，虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式和啟發(fā)式的教學(xué)方法能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，加深知識(shí)掌握程度，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，基于NI myDAQ的口袋實(shí)驗(yàn)室則有效提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。非電專業(yè)學(xué)生，尤其是“卓越計(jì)劃”學(xué)生和機(jī)械專業(yè)學(xué)生，參加電子技術(shù)相關(guān)的科技創(chuàng)新項(xiàng)目和各種競(jìng)賽的熱情得到提高，并在諸如電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人大賽等比賽中取得不錯(cuò)的成績(jī)。

References)

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