梁燕，盧振洲(通信作者)

(杭州電子科技大學(xué) 電工電子國家級實驗教學(xué)示范中心 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018)

0 引言

在信息科技發(fā)展突飛猛進的今天，知識總量呈現(xiàn)爆炸性增長趨勢，為了響應(yīng)社會對綜合性人才的要求，越來越多的高校采取大類招生的方式[1][2]。電路分析實驗作為電子信息大類專業(yè)學(xué)生接觸到的第一門專業(yè)實踐課程顯得尤為重要，而傳統(tǒng)電路分析實驗基本沿用科學(xué)教育模式，關(guān)注基礎(chǔ)知識及驗證性實驗。電路分析基本知識點具有分散抽象等特點，學(xué)生容易脫離實際應(yīng)用，不利于對專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣、復(fù)雜工程問題能力以及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，影響后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。

作為一種先進的教學(xué)理念，成果導(dǎo)向教育(Outcome based education，簡稱OBE)自1981年提出后很快得到了人們的重視與認(rèn)可。2013年6月，我國成為《華盛頓協(xié)議》成員，標(biāo)志著工程教育認(rèn)證在我國已經(jīng)拉開帷幕[3]。工程教育認(rèn)證理念對引導(dǎo)和促進專業(yè)建設(shè)和教學(xué)改革、保障和提高人才培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。其內(nèi)涵更接近工程實踐，貼近社會對人才的需求，必須從專業(yè)課程體系和實踐環(huán)節(jié)進行改革[4]。針對專業(yè)實踐教學(xué)體系[5-7]和專業(yè)核心實踐課程[8-10]，國內(nèi)眾多院校進行了教學(xué)改革。

我校電路分析實驗課程組遵循三個基本理念（成果導(dǎo)向、以學(xué)生為中心、持續(xù)改進），確定電子信息類專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，重構(gòu)了適用于專業(yè)學(xué)生的《電路分析實驗》課程體系，設(shè)計涵蓋多知識點的綜合實驗教學(xué)案例，借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、虛擬仿真技術(shù)、遠(yuǎn)程實境等實驗教學(xué)手段解決傳統(tǒng)長學(xué)時實驗對時間和空間的要求。完善了電路基本理論知識，將憶阻器融入實驗教學(xué)體系中。

1 電路分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀

我校電工電子實驗中心自2006年被批準(zhǔn)為國家級實驗教學(xué)示范中心來，面向全校多個專業(yè)承擔(dān)電路分析實驗課程，現(xiàn)在主要存在以下問題：

(1) 電路分析實驗作為電子信息類的基礎(chǔ)課，具有龐大的知識體系，掌握電路知識是這些專業(yè)學(xué)生的基本素養(yǎng)。而電子信息類專業(yè)學(xué)生需要花費大量的時間去修讀電路分析課程，涉及知識點跨度大。這又與電子信息類專業(yè)學(xué)生對信號處理、數(shù)據(jù)分析等知識旺盛的需求相矛盾[11]；

(2)電路分析實驗主要包括課內(nèi)實驗和獨立實驗，課內(nèi)實驗多以演示性、驗證性實驗為主，獨立性實驗則大多是設(shè)計性實驗。但是由于課時限制，實驗內(nèi)容相對獨立，缺少前后的聯(lián)系[12]；

(3)早在1971年，蔡少棠教授便根據(jù)電路理論的完備性提出了第四種電路元件-憶阻器的概念[13]。直到2008年，HP實驗室首次采用納米尺度無源器件（由兩個鉑金屬極和TiOx金屬氧化物薄膜材料組成）給出了憶阻器的物理實現(xiàn)[14]，才引起研究者足夠的重視。但是由于憶阻器尚未商業(yè)化，電路分析實踐課程尚未增加這部分內(nèi)容，無法支撐學(xué)生學(xué)習(xí)電路理論體系完備的目標(biāo)。

2 課程教學(xué)改革方案

■2.1 課程培養(yǎng)目標(biāo)確定

傳統(tǒng)教育是學(xué)科導(dǎo)向的，教學(xué)設(shè)計注重學(xué)科的需求，一定程度上會忽視專業(yè)的需求。而OBE則是從需求開始，由需求來決定培養(yǎng)目標(biāo)，由培養(yǎng)目標(biāo)決定畢業(yè)要求，在由畢業(yè)要求來確定課程體系[15-16]。最終學(xué)習(xí)成果既是OBE的終點，也是其起點。電路分析實驗是高等學(xué)校電子信息類專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生掌握工程基礎(chǔ)知識和基本理論的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是第一門專業(yè)實踐課程，是后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)的必備基礎(chǔ)，通過課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生需要達到以下兩個學(xué)習(xí)目標(biāo)：

(1) 能夠運用數(shù)理和工程基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)原理，掌握電路基本理論、定律，會進行電路設(shè)計及硬件組裝調(diào)測，對電子信息領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)原理進行實驗分析和設(shè)計并進行簡單的調(diào)試，獲得有效的實驗結(jié)論。

(2) 常用的電子測量儀器的正確使用方法，了解儀器的校準(zhǔn)、精度等基本概念，了解設(shè)備使用的局限性及可能產(chǎn)生的誤差。培養(yǎng)獨立思維和解決實際問題的能力。熟悉使用仿真工具進行電路分析與設(shè)計的基本方法，提高學(xué)生運用現(xiàn)代仿真設(shè)計工具進行簡單的輔助電子電路設(shè)計的能力。培養(yǎng)基礎(chǔ)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思想，為后續(xù)課程和今后從事電子信息工程等方面的工作打好基礎(chǔ)。

課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成代表了一種能力結(jié)構(gòu)，而這種能力結(jié)構(gòu)主要通過教學(xué)的實施來實現(xiàn)。

■2.2 專業(yè)知識體系重構(gòu)

電路理論知識可以分為代數(shù)方程描述的電阻電路和微分方程表述的動態(tài)電路兩部分。對于電阻電路，輸出是輸入的即時響應(yīng)，屬于無記憶電路的特征。而對于動態(tài)電路，由于電路中有電容、電感等動態(tài)元件，輸出不再是輸入的即時反應(yīng)，具有動態(tài)的響應(yīng)過程。電阻電路的分析方法是動態(tài)電路分析的基礎(chǔ)，所以電阻電路部分在課程中占比例較大。將正弦穩(wěn)態(tài)交流電路、動態(tài)電路及其響應(yīng)均劃入微分方程表述的動態(tài)電路范疇。將電路基本定律和基本分析方法知識點都融入電阻電路的實驗案例中，不再單獨設(shè)置基本測量、電路基本定理驗證的實驗項目。采用虛實結(jié)合的方式對比理解。

3 實驗教學(xué)實施及效果

■3.1 實驗教學(xué)實施

雖然驗證性實驗對理論知識的鞏固和學(xué)習(xí)有著重要的作用，但是根據(jù)工程教育理念，實驗項目還應(yīng)該涵蓋通過電路基本定律和基本方法來解決電子信息領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題。課程組根據(jù)重構(gòu)的知識體系，以電子信息類專業(yè)學(xué)生為中心，將電路分析實驗課程分為：電阻電路綜合性實驗、動態(tài)電路及其響應(yīng)和新型記憶元件創(chuàng)新性實驗三個模塊。

3.1.1 電阻電路綜合性實驗

課程組遵循工程教育以學(xué)生為中心、成果導(dǎo)向的理念，教學(xué)形式采用項目式教學(xué)，設(shè)置電阻電路綜合性實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)模式以研究探索為主，充分利用基本電路理論知識去分析和解決問題。指導(dǎo)老師對學(xué)生設(shè)計的實驗方案的合理性和可行性進行評估，建立合理的考核機制。在整個實驗過程中學(xué)生處于主導(dǎo)地位，有效培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.1.2 動態(tài)電路及其響應(yīng)實驗

動態(tài)電路與電阻電路最大的區(qū)別在于電路的響應(yīng)需要時間，過渡的時間雖然短暫，但在電子信息領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。課程組在成果理念導(dǎo)向思想的引導(dǎo)下采用555計時器電路實現(xiàn)的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器作為動態(tài)電路及其響應(yīng)實驗部分，實施過程如圖1所示。

圖1 動態(tài)電路及其響應(yīng)的實施過程

該實驗案例從應(yīng)用的角度出發(fā)，提出實驗技術(shù)方案和設(shè)計指標(biāo)，學(xué)生自主參數(shù)設(shè)計和仿真驗證后完成實驗電路連接，使用儀器觀測分析設(shè)計結(jié)果的正確性，對比分析實驗波形和仿真結(jié)果，充分認(rèn)識理論與實際存在的差別，使用動態(tài)電路及其響應(yīng)的電路理論知識分析實驗結(jié)果以及誤差產(chǎn)生的原因。

3.1.3 新型記憶元件創(chuàng)新性實驗

電阻R、電容C和電感L是三大基本電路元件，而電壓v、電流i、磁通φ和電荷q是四個基本電路變量。四個基本電路變量兩兩之間存在六種組合關(guān)系，其中R=v/i, C=q/v,L=φ/i, v=dφ/dt, i=dq/dt這五種關(guān)系已經(jīng)確定。蔡少棠教授根據(jù)電路理論的完備性提出憶阻器的概念，它反應(yīng)了磁通量和電荷之間的關(guān)系[13]。而憶阻器現(xiàn)在仍然沒有商業(yè)化，將憶阻器仿真器加入至電路分析實驗課程中有助于學(xué)生理解電路理論的完備性，區(qū)分線性電阻、非線性電路，理解記憶性和非記憶性。了解科學(xué)研究前沿動態(tài)發(fā)展，為創(chuàng)新性實驗的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

憶阻器是一種非線性二端電路元件，流過憶阻器的電流和兩端的電壓不再滿足同相位的關(guān)系。課程組采用了基本電路元件搭建仿真器來模擬憶阻器的這些特性，將仿真器兩端施加正弦激信號，觀測憶阻器仿真器的伏安特性曲線，如圖2所示為憶阻器伏安特性測試過程。

圖2 憶阻器伏安特性測試過程

■3.2 多樣化教學(xué)模式

傳統(tǒng)電路分析實驗的教學(xué)方式一般是利用實驗室電路分析實驗臺，學(xué)生在實驗室完成實驗設(shè)計、電路搭建以及參數(shù)測量，課后進行實驗數(shù)據(jù)處理和報告撰寫，缺乏靈活性，特別是對于綜合性實驗，這種弊端顯現(xiàn)的更加明顯。因此課程組借助網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺、虛擬仿真技術(shù)、遠(yuǎn)程實境實驗等教學(xué)手段，形成了多樣化教學(xué)模式。

(1) 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。為了與學(xué)生建立起充分的聯(lián)系和溝通，共享教學(xué)資源，及時查看實驗預(yù)習(xí)項目和反饋實驗報告，建立了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺。建立了教師和學(xué)生的閉環(huán)聯(lián)系，持續(xù)改進，最終實現(xiàn)能力目標(biāo)的達成。

(2)虛擬仿真技術(shù)。調(diào)整教學(xué)設(shè)計時中的虛擬仿真技術(shù)環(huán)節(jié)，不限制虛擬仿真軟件，也不再獨立設(shè)置獨立虛擬仿真課，將常用仿真軟件操作手冊等發(fā)布至教學(xué)平臺供學(xué)生自學(xué)。在實驗預(yù)習(xí)要求使用虛擬仿真技術(shù)對電路選取和參數(shù)設(shè)計。實驗數(shù)據(jù)處理和實驗總結(jié)中，引入了對比的教學(xué)理念，通過分析仿真和實驗數(shù)據(jù)，充分理解理想和實際的差別，加強相對和絕對誤差概念的掌握，逐步培養(yǎng)工程理念。

(3)遠(yuǎn)程實境實驗手段。課程組依托遠(yuǎn)程實驗中心，采用5G技術(shù)，解決了多并發(fā)、長延時等技術(shù)難題，將實驗設(shè)備搬到云端，分時復(fù)用，完成綜合性實驗。傳統(tǒng)教學(xué)實施方案是將元器件、電路板等發(fā)給學(xué)生，實驗調(diào)試等仍然需要來到實驗室，實驗室場地受限。而遠(yuǎn)程實境實驗手段，學(xué)生通過預(yù)約的方式進行實驗，實驗地點不受限制。如圖3所示為電路分析遠(yuǎn)程實境實驗。

圖3 電路分析遠(yuǎn)程實境實驗

■3.3 實驗教學(xué)實施效果

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的背景下，課程組從電子信息工程專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)知識、專業(yè)技能以及工程素養(yǎng)等方面考慮，建立了合理的評價機制，細(xì)化平時成績記錄冊，每個分項成績支撐相應(yīng)的課程目標(biāo)。通過多樣化的教學(xué)模式，學(xué)生分析和解決復(fù)雜電路工程問題的能力得到了很大的提高。

4 結(jié)語

經(jīng)過對電路分析實驗教學(xué)現(xiàn)狀的分析，發(fā)現(xiàn)存在著知識體系不合理、實驗項目獨立以及電路理論知識不完備等缺點。在工程教育理念成果導(dǎo)向理念的啟發(fā)下，以學(xué)生為中心，確定了課程的培養(yǎng)目標(biāo)，依據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)對知識點進行梳理，并將科研熱點憶阻器等融入實驗教學(xué)中，重構(gòu)該課程的知識框架，開發(fā)了符合教育部要求的創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度的實驗案例，基本電路理論知識點采用虛實結(jié)合的方式對比理解；設(shè)計涵蓋多個知識點綜合實驗教學(xué)案例，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)克服傳統(tǒng)長學(xué)時實驗時間和空間的限制，加強學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力；并入科研熱點，增加第四種基本電路元件—憶阻器，完善知識體系，實現(xiàn)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。