黃慧春， 堵國樑， 鄭 磊

（東南大學(xué)國家級電工電子實(shí)驗教學(xué)示范中心，南京 211189）

0 引 言

實(shí)驗教學(xué)是將理論知識和實(shí)踐活動、間接經(jīng)驗和直接經(jīng)驗相結(jié)合的一個重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和獨(dú)立工作能力的基礎(chǔ)，是高校教學(xué)的重要組成部分，有著理論教學(xué)不可替代的重要作用［1-2］。模擬電子電路是電氣、電子信息類專業(yè)的一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，是一門應(yīng)用性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，利用實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)，不僅能驗證理論知識的正確性、加深對理論知識的理解和掌握，而且可以培養(yǎng)學(xué)生電子電路基本的實(shí)驗技能，提高學(xué)生分析問題和解決實(shí)際問題的能力，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)《模擬電子電路實(shí)驗》課程特點(diǎn)，立足于以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺、將線上與線下實(shí)驗課程有機(jī)融合，依托互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了構(gòu)建線上與線下、虛擬與現(xiàn)實(shí)、課內(nèi)與課外、基礎(chǔ)與創(chuàng)新相融合的實(shí)驗教學(xué)模式［3-7］。

2015 年制定的“互聯(lián)網(wǎng)＋”行動計劃中提到［8］：“鼓勵學(xué)校利用數(shù)字教育資源及教育服務(wù)平臺，對接線上線下教育資源，探索教育的新方式”，給高等教育的探索提供了新的政策導(dǎo)向。經(jīng)過5 年的線上線下教育資源的建立，不斷地研究與探索，到2020 年國家發(fā)展改革委等多部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于支持新業(yè)態(tài)新模式健康發(fā)展激活消費(fèi)市場帶動擴(kuò)大就業(yè)的意見》中明確指出［9］：“構(gòu)建線上線下教育常態(tài)化融合發(fā)展機(jī)制，形成良性互動格局”時，更是堅定了這5 年的探索之路是正確的，線上線下融合OMO（Online-Merge-Offline）模式，“融合”是教學(xué)改革和發(fā)展的要點(diǎn)。

1 構(gòu)建豐富的線上資源

1.1 在線實(shí)驗課程的建設(shè)

依托多年的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗并結(jié)合在線教學(xué)的特點(diǎn)，設(shè)計制作了“模擬電子電路實(shí)驗”在線課程，并于2018年在中國大學(xué)MOOC 上開課。在線實(shí)驗基本覆蓋了模擬電子電路的重要知識點(diǎn)，每個實(shí)驗安排約15min的視頻講解，通過介紹實(shí)驗?zāi)康摹?shí)驗原理、實(shí)驗過程操作舉例以及自主實(shí)驗的要求，以案例講解引導(dǎo)學(xué)生，在理解基本原理的基礎(chǔ)上，掌握實(shí)驗的基本操作規(guī)范。課程在2020 年被評為國家級首批一流在線課程。

1.2 多種仿真軟件的集成

集成了電子電路設(shè)計與分析、電子制作測試等不同層次的軟件工具，學(xué)習(xí)者通過遠(yuǎn)程桌面訪問，可以進(jìn)行不同層面的“虛擬實(shí)驗”，根據(jù)仿真分析結(jié)果對電路結(jié)構(gòu)與元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，掌握實(shí)驗原理，提高實(shí)驗效率。

1.3 在線實(shí)境實(shí)驗平臺的構(gòu)建

構(gòu)建了“在線實(shí)境實(shí)驗”環(huán)境，后臺配置了與工程現(xiàn)實(shí)相同，可以遠(yuǎn)程操控的儀器設(shè)備及實(shí)驗裝置［10］。學(xué)生在自己的計算機(jī)上訪問實(shí)驗平臺，選擇不同的實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行自主實(shí)驗，可以按自主實(shí)驗要求完成各項實(shí)驗內(nèi)容，遠(yuǎn)程操控測量儀器測量參數(shù)、記錄信號波形，實(shí)現(xiàn)電路的功能及性能指標(biāo)；學(xué)生也可以控制現(xiàn)場聲、光、溫度、距離、速度、重量等環(huán)境條件，通過視頻可以在線觀察各個物理量的變化。

經(jīng)過幾年的連續(xù)建設(shè)，構(gòu)建了豐富的線上教學(xué)資源。文本資料、電子教案、數(shù)據(jù)手冊、動畫演示、視頻資料、實(shí)踐范例與工程項目案例等，用這些立體化形式幫助學(xué)生自主研習(xí)、拓展知識視野，授予學(xué)生實(shí)踐知識方法技能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主設(shè)計完成全新的實(shí)驗等綜合能力。豐富的線上資源，可以不受時間地點(diǎn)束縛，反復(fù)多次學(xué)習(xí)，對學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了很好的幫助。但是無論是“虛擬實(shí)驗”還是“在線實(shí)境實(shí)驗”，學(xué)生接觸不到真實(shí)的元器件及儀器設(shè)備，缺少實(shí)物感。所以線下面對面的交流必不可缺，學(xué)生個性化問題也需要面對面的交流與指導(dǎo)。

2 線上線下相融合的教學(xué)模式

由于實(shí)驗的特殊性，如何解決線上與線下實(shí)驗之間的相互“融合”是一個難題?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)成為可能，我們也構(gòu)建了多種多樣的網(wǎng)絡(luò)資源，但實(shí)驗教學(xué)和一般的理論教學(xué)不同，不能像理論教學(xué)一樣把教學(xué)內(nèi)容簡單地搬移到網(wǎng)絡(luò)上開展［11-13］。

雖然有部分內(nèi)容可以采用虛擬的方式開展實(shí)驗，但也僅僅能作為實(shí)驗教學(xué)的補(bǔ)充，或者是一些難以開展真實(shí)實(shí)驗的較好方式；雖然利用“在線實(shí)境實(shí)驗”，也實(shí)現(xiàn)了把真實(shí)實(shí)驗移植到網(wǎng)絡(luò)上，但是只有在真實(shí)實(shí)驗中才能體會的模擬電子電路實(shí)驗中抗干擾、消自激等現(xiàn)實(shí)問題。必須把“虛擬實(shí)驗”“在線實(shí)境實(shí)驗”的線上實(shí)驗方式和在實(shí)驗室進(jìn)行真實(shí)的線下實(shí)驗有機(jī)融合，才能給學(xué)生創(chuàng)造多種形態(tài)的實(shí)驗方式，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

經(jīng)過幾年的探索與實(shí)踐，建立了縱橫推進(jìn)、并行兼顧高質(zhì)量的融合式教學(xué)體系，建立了有韌性的融合式教學(xué)模式，充分利用軟硬件環(huán)境和教學(xué)設(shè)計，使得遠(yuǎn)程與現(xiàn)場的學(xué)習(xí)能夠充分“融合”，凸顯出師生交互和生生交互的核心地位。

2.1 構(gòu)建線上線下相融合的實(shí)驗教學(xué)課程體系

根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)計劃要求、學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、實(shí)驗內(nèi)容的難易程度及對實(shí)驗條件的需求，充分利用網(wǎng)絡(luò)在線教學(xué)資源和實(shí)驗室教學(xué)條件，構(gòu)建線上線下緊密融合的課程教學(xué)體系，如圖1 所示，充分體現(xiàn)了體現(xiàn)縱橫推進(jìn)、并行兼顧的教學(xué)要求。

圖1 課程教學(xué)體系

2.2 以實(shí)驗內(nèi)容為支撐，提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力

實(shí)驗教學(xué)的關(guān)鍵之一是實(shí)驗項目的構(gòu)建，通過實(shí)驗項目的開展，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識、運(yùn)用知識，提高分析問題解決問題的能力。以線上課程為基礎(chǔ)，重新創(chuàng)建線下實(shí)驗項目，既要兼顧線上教學(xué)內(nèi)容不被重復(fù)，又要在此基礎(chǔ)上有所提高，實(shí)現(xiàn)“基礎(chǔ)—提高—創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)目標(biāo)。特別是引導(dǎo)學(xué)生利用已經(jīng)學(xué)到的知識點(diǎn)，自己提出創(chuàng)新性實(shí)驗，而不是局限在固定的實(shí)驗項目上，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟迪智慧，培養(yǎng)好奇心、想象力和批判性思維。做到知識傳授、素質(zhì)提升、能力培養(yǎng)、精神追求，強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識、方法、思想、精神的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。如圖2 為電子專業(yè)學(xué)生的線下實(shí)驗與在線實(shí)驗的相融合的實(shí)驗項目，2 年的實(shí)踐效果表明，這種循序漸進(jìn)的項目，能培養(yǎng)學(xué)生扎實(shí)的基礎(chǔ)，從而一步一步走向創(chuàng)新。

圖2 線上、線下相融合的實(shí)驗項目

如可控增益放大電路設(shè)計綜合實(shí)驗，需要先利用在線實(shí)驗完成簡單的比例放大電路、比較器電路等相關(guān)實(shí)驗，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字電路的一些知識，綜合設(shè)計完成具有實(shí)際工程意義的可控增益放大電路。

2.3 以“兩性一度”為指導(dǎo)，設(shè)計具有工程應(yīng)用背景的綜合實(shí)驗

線上實(shí)驗、線下實(shí)驗的相互關(guān)系，是由基礎(chǔ)練習(xí)到拓展應(yīng)用再到創(chuàng)新實(shí)踐的過程，也是實(shí)驗過程循序漸進(jìn)的一種體現(xiàn)。隨著課程知識講解的深化，兩種類型實(shí)驗也是交替進(jìn)行，互為支撐。線上實(shí)驗以基礎(chǔ)驗證型單元模塊實(shí)驗為主，仿真設(shè)計實(shí)驗和在線實(shí)境實(shí)驗內(nèi)容都要為后續(xù)線下綜合實(shí)驗打好基礎(chǔ)，做好鋪墊，開展幾個線上實(shí)驗后就可以開展線下綜合實(shí)驗，所以線下綜合實(shí)驗項目的設(shè)計就顯得尤為重要，要以高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度為指導(dǎo)，既要具有工程應(yīng)用背景，又要把原有基礎(chǔ)實(shí)驗有效結(jié)合，既要注重設(shè)計性、綜合性和開放性，也要具有一定的實(shí)用性和趣味性［14］。

如光強(qiáng)測量顯示電路設(shè)計，實(shí)驗任務(wù)是：利用光敏電阻、運(yùn)算放大器、定時器及計數(shù)器等模擬和數(shù)字電路中常用器件，設(shè)計一個光線強(qiáng)弱測量顯示電路，要求能自動測量光線的強(qiáng)弱值，并按要求的方式顯示測量結(jié)果。實(shí)驗的具體要求為：

（1）研究光敏電阻性能，以光敏電阻為傳感器，設(shè)計一個放大電路，要求輸出電壓能隨光線的強(qiáng)弱變化而變化。根據(jù)給定的光強(qiáng)變化范圍，用萬用表顯示輸出電壓值。

（2）設(shè)計一個輸入光強(qiáng)分檔顯示電路，當(dāng)光照度從260 lx到8 000 lx變化范圍內(nèi)，分4 檔，用發(fā)光二極管顯示對應(yīng)光照度的范圍并列表表示他們的關(guān)系。

（3）設(shè)計一個矩形波發(fā)生器，要求其輸出波形的高電平脈沖寬度隨控制電壓的變化而變化，控制電壓就是在實(shí)驗要求（1）中已經(jīng)設(shè)計完成的隨輸入光強(qiáng)變化的輸出電壓值。

（4）利用固定時鐘信號，對實(shí)驗要求（3）中可變輸出矩形波的高電平脈沖寬度進(jìn)行計數(shù)，并用數(shù)碼管顯示所計數(shù)值。列表給出顯示的數(shù)值和光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。

（5）利用數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計中FPGA或單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)建AD采集模塊，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的測量并顯示。

實(shí)驗給出的系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3 所示。由圖可見：本實(shí)驗系統(tǒng)包括信號獲取、信號放大、信號轉(zhuǎn)換、信號處理以及光強(qiáng)顯示電路等幾個部分。其中信號放大部分在在線實(shí)驗中做過比例放大電路和運(yùn)算電路實(shí)驗，信號轉(zhuǎn)換部分在在線實(shí)驗中做過施密特比較器和555 定時器控制端對電路性能的影響實(shí)驗，計數(shù)鎖存電路是在數(shù)字電路實(shí)驗中做過的實(shí)驗，除此以外，也可以自學(xué)一下新的知識，如利用A/D、MCU、FPGA 等完成實(shí)驗功能，整個實(shí)驗包含了模擬電路知識、數(shù)字電路知識，也有需要自學(xué)的知識；既有基礎(chǔ)知識，又有拓展提高，根據(jù)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，完成相應(yīng)的實(shí)驗內(nèi)容，真正做到因材施教，循序漸進(jìn)。

圖3 光線強(qiáng)弱測量顯示電路的設(shè)計實(shí)驗系統(tǒng)框圖

2.4 以多元化考核為抓手，培養(yǎng)學(xué)生注重學(xué)習(xí)過程的良好習(xí)慣

以考核機(jī)制的變革為切入點(diǎn)［15］，研究了線上課程和線下實(shí)驗課程的考核方式和成績評定方法，并且把兩者有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建一套針對不同學(xué)習(xí)對象的課程成績考評方式：既要鼓勵學(xué)生完成教學(xué)計劃規(guī)定的線上線下教學(xué)要求，又要合理引導(dǎo)學(xué)生合理利用課內(nèi)課外學(xué)習(xí)時間，在盡量不增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)的基礎(chǔ)上，提高學(xué)習(xí)效果，取得理想成績。如表1 所示為線上線下融合的考核成績評定比例，16 個MOOC 實(shí)驗中，學(xué)生自主完成8 個，另8 個由教師驗收評定。

表1 線上線下融合的考核成績評定

3 結(jié) 語

采用線上線下相融合的實(shí)驗教學(xué)方式，教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量得到了提升。通過對學(xué)生的問卷調(diào)查結(jié)果分析得知，學(xué)生對這一教改舉措普遍認(rèn)可：認(rèn)為在線實(shí)驗對線下綜合實(shí)驗的設(shè)計、調(diào)試，以及問題的分析解決有很大幫助的達(dá)到了92%以上。

模擬電子電路實(shí)驗方式方法的改革，以及實(shí)驗?zāi)Ｊ?、?shí)驗內(nèi)容的精心設(shè)計，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)模擬電子電路的興趣和積極性，克服了模擬電子電路感到難學(xué)的心理，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績也得到普遍提高；同時也激發(fā)了學(xué)生參加實(shí)踐創(chuàng)新活動的內(nèi)動力，許多同學(xué)在課程開設(shè)的同時申請了各級各類大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項目，參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的積極性也得到普遍提高，競賽成績也是越來越好：自2015 年開始的近3 屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，我校取得了全國一等獎數(shù)2次全國并列第一和1 次全國第二的優(yōu)異成績。