王軍芬，李明亮，馬艷玲

河北地質大學 信息工程學院，河北 石家莊 050031

2020年，突如其來的新冠疫情改變了人們生活、工作和學習的方式，對社會各個方面產(chǎn)生了深遠的影響[1，2]。后疫情時代，以“兩新一重”為代表的我國新基建、新產(chǎn)業(yè)、新科技和新經(jīng)濟發(fā)展勢必對工程科技人才培養(yǎng)提出新的要求[3]。新工科教育已然進入“再深化、再拓展、再突破、再出發(fā)”的新階段，不但要對接地方經(jīng)濟社會發(fā)展，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，還要以更大的力度推進教學方式方法創(chuàng)新，注重培養(yǎng)學生學習能力[2-4]。

河北省“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標建議中指出，聚焦電子信息、高端制造等18個重點產(chǎn)業(yè)鏈，實施產(chǎn)業(yè)基礎再造工程。這一目標的實現(xiàn)迫切需要大量的電子信息類工程科技人才，如何更好地對接地方經(jīng)濟社會發(fā)展，培養(yǎng)滿足后疫情時代發(fā)展要求的“新工科”人才，是迫切需要解決的問題，也是我校信息工程學院積極探索和實踐的教學改革方向。教學改革的最終落腳點是課程，本文以“高頻電子線路”為例介紹后疫情時代新工程背景下電子電路類課程教學改革和實踐。

1 基于項目的教學內容設計

新工科建設注重課程的實用性、交叉性和綜合性[5-6]，后疫情時代的人才培養(yǎng)同樣注重學習科目的高度應用性和市場對接性[7]。聲音信號的分析和應用已經(jīng)滲透到許多重要的技術領域[8-10]，以技術發(fā)展與應用為導向，以實現(xiàn)聲音信號的無線發(fā)送、傳輸和接受為項目，融入到高頻電子線路的課程教學過程。

面向聲音信號的實踐項目，首先對無線通信系統(tǒng)中各單元電路的功能、結構、指標等分散的知識點系統(tǒng)化，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維和工程思維；再根據(jù)實現(xiàn)聲音信號無線發(fā)送、傳輸和接受單元模塊的功能及內在聯(lián)系，將教學內容歸納為五個既關聯(lián)又獨立的知識模塊：基礎知識、高頻信號發(fā)生、高頻信號放大、調制與解調、噪聲與控制，對接工程實踐，將工程實際電路融入具體模塊，便于學生有針對性地提出電路或技術的改進方法，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神。

在授課過程中，以實現(xiàn)聲音信號的無線發(fā)送、傳輸和接受為目的，具體化技術指標，講解各單元模塊的基本原理、實現(xiàn)電路、參數(shù)選擇和改進方法。以知識為載體，能力培養(yǎng)為目標，充分利用虛擬仿真技術，積極采用案例法，翻轉課程等教學方法，激發(fā)學生興趣，保證教學質量，更好地滿足后疫情時代新工科人才培養(yǎng)的要求。

2 信息技術深度融合的教學模式

“新工科”理念強調以學生為中心，充分利用虛擬仿真等技術創(chuàng)新工程實踐教學方式，探索工程教育信息化教學改革，推進信息技術與工程教育深度融合[6，11-12]。疫情“大考”為后疫情時代全面深化教育信息化創(chuàng)造了機遇，教育部2020年8月27日宣布，為鞏固春季學期“停課不停學”取得的成果，將進一步推進線上線下教育教學的緊密融合[13]。

“SBDPAI”教學模式，如圖1所示，打破傳統(tǒng)的理論課與實驗課的界限，融入課程思政，將教學內容與現(xiàn)代信息技術深度融合，充分利用學習通云平臺、虛擬實驗室平臺、Multisim電路仿真軟件、MATLAB仿真軟件、思維導圖等現(xiàn)代信息技術手段，采用案例教學法、仿真教學法、情景教學法等多元化的教學方法，以學生為中心，以教師為主導，設置“感”功能（Sense function ）、“建”模型（Build model）、“識”參數(shù)（Discriminate parameter）、 “練”實戰(zhàn)（Practice actual combat） 、“評”優(yōu)缺（Assess advantages and disadvantages）、“改”電路（Improve circuit）6個環(huán)節(jié)，首尾相接，環(huán)環(huán)遞進，各個環(huán)節(jié)中采用的教學方法和信息技術手段如表1所示。教學過程采用線上線下混合教學，線上線下優(yōu)勢互補，使課程學習具有彈性，更有效地推動教學活動進程[14-15]。“SBDPAI”教學模式能夠調動學生的學習熱情和動手實踐的興趣，更加注重培養(yǎng)學生工程實踐能力、學習能力、創(chuàng)新精神、團隊合作能力，滿足“新工科”發(fā)展需求。下面以振幅調制內容為例進行詳細介紹。

圖1 “SBDPAI”教學模式Fig. 1 “SBDPAI” teaching model

表1 “SBDPAI”教學模式中采用的教學方法與信息技術手段Table 1 Teaching methods and information technology means used in SBDPAI teaching mode

S：“感”功能環(huán)節(jié)將產(chǎn)業(yè)和技術的新發(fā)展引入到教學過程，學生通過教學云平臺上相關視頻資源直觀感受無線通信技術的發(fā)展，如：2020年11月24日4時30分嫦娥五號探測器成功發(fā)射視頻，激發(fā)學生的民族自豪感，涵養(yǎng)家國情懷，同時引出題目：帶“你”去月球之振幅調制。“感”功能環(huán)節(jié)還可以利用Multisim軟件的電路仿真和虛擬儀器，直觀感受電路功能，觀察信號在電路中時域波形和頻譜結構的變化，激發(fā)學生學習熱情和動手實踐興趣。

B：“建”模型環(huán)節(jié)建立振幅調制的數(shù)學模型?！澳恪睘檎{制信號，在無線電廣播中為聲音信號，根據(jù)由簡及繁的原則，假設聲音信號為單頻率的余弦波：uΩ(t) =UΩmcos Ωt。載波信號為帶“你”去月球的宇宙飛船，在無線電廣播中為高頻等幅余弦波信號：。“你”乘坐上宇宙飛船即為調幅波信號，在無線電廣播中為聲音信號加到高頻等幅余弦波信號的振幅上：

D：“識”參數(shù)環(huán)節(jié)中，利用MATLAB仿真軟件強大的計算能力和可視化功能，可使數(shù)學模型中復雜計算簡單化、抽象問題具象化。學生5～6人為一組，以團隊協(xié)作的形式，利用MATLAB軟件對調幅波的數(shù)學模型進行仿真、觀察，討論調幅指數(shù)ma對調幅波的影響以及ma的合理范圍。假設單頻率聲音信號的頻率為1kHz，幅度為2V，載波信號頻率為999kHz，幅度為5V，給定ma范圍0～5，步長為0.2或0.3，避免學生做無用功，提高學習效率，學生按組上傳仿真與討論結果到教學云平臺，以便教師歸納總結與展示，具有代表性的仿真波形如圖2所示。對圖2進行分析，并點評和歸納總結小組討論結果：ma=0，不能反映調制信號的信息；0＜ma≤1，能夠準確反映調制信號的信息；ma＞1，不能準確反映調制信號的信息；即調幅指數(shù)ma的合理范圍為0～1之間，且反映了調幅的強弱度。

圖2 改變ma的調幅波仿真圖Fig. 2 Simulation of amplitude modulation wave with changing ma

P：“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)由理論分析實戰(zhàn)和動手實踐實戰(zhàn)組成。如圖3所示，理論分析實戰(zhàn)有原理分析和MATLAB仿真實戰(zhàn)，動手實踐實戰(zhàn)有Multisim電路仿真、虛擬實驗平臺和實驗室實戰(zhàn)，實戰(zhàn)題目和內容均面向聲音信號的無線發(fā)送和接受，學生利用課上與課下時間，理論緊密聯(lián)系實踐，通過多層次的實戰(zhàn)練習，培養(yǎng)學生工程實踐能力。（1）普通調幅的原理分析與MATLAB仿真主要針對兩個問題。一是普通調幅時域波形、頻譜圖與數(shù)學模型的關系；二是當ma一定時，載波功率、邊頻功率與整個調幅的功率關系。（2）普通調幅的動手實踐包括兩方面。一是Multisim電路仿真實戰(zhàn)，學生利用碎片時間搭建普通調幅電路，隨時調節(jié)電路參數(shù)，觀察參數(shù)的變化對調幅波形的影響，以調試電路以滿足無線電廣播中聲音信號的調制要求；二是實驗實戰(zhàn)，利用虛擬實驗平臺或實驗室高頻電子線路實驗平臺，在仿真電路模型的基礎上搭建普通調幅電路，調節(jié)電路實現(xiàn)聲音信號的振幅調制功能，體會實際電路和仿真電路之間的區(qū)別與聯(lián)系。

圖3 “練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)Fig.3 Practice actual combat link

A：“評”優(yōu)缺環(huán)節(jié)是在“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)的基礎上，對實現(xiàn)電路或技術方法的優(yōu)缺點進行分組討論和總結。普通調幅波形直觀，易理解，電路簡單；載波并不包含聲音信號的信息，但其功率卻占整個調幅波功率的絕大部分；邊帶包含聲音信號信息，且上、下邊帶均包含了完整的聲音信號信息。在實際傳送聲音時，平均調幅度往往很小，大約只有20%～30%，發(fā)射機實際有用信號功率就很小，因而功率利用率低。如何提高功率利用率“改”電路環(huán)節(jié)需要解決的問題。

I：“改”電路環(huán)節(jié)是在總結“練”實戰(zhàn)環(huán)節(jié)和“評”優(yōu)缺環(huán)節(jié)的基礎上，針對電路或技術方法的缺點進行改進，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。針對普通調幅功率利用率低的問題，從信息傳遞的觀點載波功率為無用信號功率，可去除載波頻率分量，只傳輸邊帶頻率分量，即可提高功率利用率，這就是抑制載波雙邊帶（DSB）調幅。

對于DSB，學生通過“感”“建”“識”“練”“評”“改”6個環(huán)節(jié)分組協(xié)作學習。在“改”環(huán)節(jié)討論如何提高發(fā)射效率和信道資源利用率，用抑制載波單邊帶調幅（SSB）來實現(xiàn)，而對于SSB的學習將進入下一個循環(huán)。從普通調幅到單邊帶調幅，教與學的過程是循環(huán)遞進、螺旋上升，更符合學生的學習習慣，更加注重學生自主學習習慣和學習能力的培養(yǎng)。

3 過程性考核評價

無論何時，課程考核都是課程教學中非常重要的一環(huán)，也是評價教學質量和學習效果的重要手段，“天大行動”中強調以學生為中心改革教學方法和考核方式。后疫情時期教學評價應更注重考查學生在一門課程各階段下的多層次表現(xiàn)，從學習輸入評價為主，轉為學習輸出評價為主，而學生輸出評價主要是對學生能力的評價[2，16]。依托學習通平臺“全程留痕， 數(shù)據(jù)精準” 的優(yōu)勢，評價過程與教學過程相融合，構建以學生為中心的“實時、全過程、多維度” 的過程性考核評價，評價內容突出對學生能力的評價，評價載體注重多層次多維度采集學生學習效果數(shù)據(jù)，評價主體注重學生自評和學生互評。 評價結果實時反饋給教師，教師根據(jù)評價中發(fā)現(xiàn)的問題，隨時調整教學內容和策略，提高教學質量。評價結果即時反饋給學生，提高學生的自我效能感和課堂參與度，激發(fā)學生學習興趣，促進學生自主學習。過程性考核評價方法如圖4所示。

圖4 過程性考核評價方法Fig. 4 Process assessment and evaluation method

通過課前、課中、課后教學的全過程多維度、多層次的數(shù)據(jù)采集和評價，以及評價結果實時反饋給教師和學生，形成了教和學過程中“評價—反饋—改進”的閉環(huán)，可持續(xù)改進教師的教學和學生的學習，更好地培養(yǎng)學生自主學習習慣和學習能力，提高學習效果和教學質量。

4 結束語

從課程視角探索科學應對后疫情時代新工科發(fā)展需求，以“高頻電子線路”課程為例，從教學內容、教學模式、課程考核環(huán)節(jié)進行教學改革與實踐。經(jīng)過改進的課程體系，更加注重教學內容的實用性、交叉性和工程性；以學生為中心、信息技術深度融合的“SBDPAI”教學模式，更能激發(fā)學生的學習興趣，更利于培養(yǎng)學生的學習能力、創(chuàng)新思維和工程實踐能力；實時、全過程、多維度的考核評價體系，通過“評價—反饋—改進”的閉環(huán)，把教與學緊密聯(lián)系在一起，極大地提高教學質量和學習效果。新工科教育改革是動態(tài)的、發(fā)展的，只有不斷地進行相應的課程改革，才能滿足時代發(fā)展對新工科人才需求。