機械學科大類《模擬電子技術》教學體系的再設計

摘要：開展機械學科大類《模擬電子技術》教學體系再設計，其核心目標是對原有的教學內容進行優化、整合，實施以問題為中心的理論教學體系與實際制作為驅動的實踐教學體系的重新設計，有效縮短理論課和實際應用間的距離，并在機械學科大類本科教學中具體實踐，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：機械學科；模擬電子技術；教學體系再設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2012）04-0243-03

一、問題的背景

近年來，隨著經濟和科學技術的發展，社會對人才的需求格局發生了很大的變化，研究型、創新性人才的培養已成為世界一流高校人才培養的共同目標。建立由“知識傳遞型”教育向“能力培養型”轉變的教學模式已成為新的歷史條件下高校教學改革亟待解決的問題。

然而對于機械學科大類各專業的學生來說，一方面對電類課程的學習本身就存在一定的困難，另一方面電類課程理論學習后又鮮有應用的機會，等到真正需要應用時，卻早已將學過的知識忘記了，因此對于機械學科大類電類課程的培養目標不僅是課程內容和知識點的學習，更重要的是綜合應用能力的培養。以課程群建設為目標的教學改革正悄然興起，國內一些著名高校如上海交通大學、重慶郵電大學、西安交通大學等分別開展了以電路、電子、計算機應用基礎等幾大知識模塊所涉及的若干門課程為核心的，面向電子工程大類或非電類的技術基礎課程體系建設，有的與Stanford、Berkeley、MIT等國際一流大學相關學科的課程設置相似或完全相同，將該課程體系作為工科學生教學的公共平臺。華中科技大學機械學科大類本科教學體系結合學院“卓越工程師培養計劃”的培養要求，課程組成員結合基礎課和專業課的實際聯系和知識點的情況，建立以服務于機電一體化寬口徑人才培養需求的電類課程群。《模擬電子技術》是機械學科大類各專業本科教學體系中的一門重要基礎課程，作為電類課程群中不可或缺的一份子，具有承上啟下的重要作用，該課程的基本概念多、理論抽象、工程特征突出、電路形式多樣，在過去的教學過程中學生普遍反映學時緊、任務重、收獲小，無論是理論教學環節還是實踐教學環節都比較單調，既難以提高學生的學習興趣，又不利于學生對知識與技能以及課程的真正意義融會貫通。為此，有必要根據本課程與后續課程的聯系以及社會的需求，制訂有針對性的教學內容，形成知識模塊與能力培養相交織的教學體系，并建立由“知識傳遞型”教育向“能力培養型”轉變的教學模式，激發學生的自主學習熱情，促成從“要我學”到“我要學”的轉變。

二、研究內容的定位

隨著計算機技術、信息技術、自動控制技術在機械行業中廣泛應用，現代機械產品從結構、性能到應用水平都已發生了革命性變化，結構上已出現機械、電子、計算機并存的局面，社會對機械類人才的專業知識背景及能力的需求有較大改變，經過課程組的反復研討和調研，特別是從對人才培養目標知識的需求著手，逆向推論并分析與其他課程的關聯性，認為《模擬電子技術》課程建設的特色應該定位于“有效縮短理論課和實際應用間的距離”，主要強調在“拉距離”上下工夫，因此課程的定位如圖1所示。

圖1 《模擬電子技術》課程的定位

通過課程體系的再設計，并采用新型學習方式和教學方式，引導學生掌握關于《模擬電子技術》方面的必要知識，其中突出的是“應用”這個點，包括電子技術本身知識點的實際應用和基于電子技術的相關聯課程知識點的實際應用。這里凸顯了學生應用技能、設計技能和調試技能的培養，而這一切的出發點都是圍繞著專業背景和社會需求來展開的。與此同時，從電子技術的角度，理順教學內容、知識點的落實和后續應用的架構關系，構建新的教學模式，并確定了各環節相互間的聯系，如圖2所示。該架構主要是以理論教學為中心，以實踐教學環節、課程設計環節和開放創新環節為支撐的全新教學體系。其中理論教學內容設計成若干個核心問題，教學過程圍繞解答這些核心問題在探索性、研究性教學方法的實施展開，改變傳統的以教師授課為主的單一教學方法，建立一個以課程、講座和學生科研三大支柱為框架的，以課內課外結合、老師學生互動、課程學習和科研探索交叉，多種教學手段并進為特色的立體化教學體系，以期培養他們的創新思維，使學生在學習過程中得到全方位、多層面的綜合訓練，形成一個多層面靈活有序的教學網絡，達到最佳的教學效果。

圖2 《模擬電子技術》課程再設計架構

三、教學體系再設計的主要內容

1.理論教學體系的再設計。此前，由于全校非電類專業《模擬電子技術》課程采用統一的教材、統一的大綱、統一的教學內容、統一的評價標準，然而各專業對該課程理論知識與應用需求不同，勢必導致學用矛盾日益突出。為此，在理論知識傳授方面，主要采用“精簡理論，強化應用”的原則，精選教學內容，既保證基礎內容，又加強技術性和應用性，進行基于問題的理論教學內容再設計，即結合后續課程對實際電路應用的需求，兼顧知識體系獨立性與完整性的需要，將涵蓋全部理論教學內容設計成20~30個核心問題，教學過程圍繞解答這些核心問題展開。概括起來即為“教學內容問題化”，把一個課堂的教學內容，按照重點、難點，以及知識網絡分布，設計成若干核心問題以及圍繞該核心問題的應用問題。例如，對于基本放大電路的講解過程中，選擇在機電系統、數控機床等后續課程需要用到的繼電器驅動電路作為實際應用對象，圖3（a）所示，以此典型的應用范例為核心問題，講解共射極放大電路在繼電器線圈驅動應用的原理。即，當需要繼電器動作時，由控制單元（裝置）發出一個UIN信號，利用共射極放大電路基極電流的控制作用，由BJT提供足夠大的集電極電流驅動繼電器線圈，從而實現繼電器的控制動作，用于接通或切斷執行機構。圖3（b）為學生設計制作的實物照片，用于驅動機床回零開關信號。而對于圖4所示的典型差動放大電路，它既可以用于《測試技術》課程中傳感器（包括溫度、應變等）信號的放大電路，又可以作為電機等執行機構的驅動電路，通過在不同實際應用場合下該電路的組成、特點、信號分析、仿真等內容的深入展開。在實際教學過程中還可以設計一系列的開放性問題，如根據具體應用場合及應用對象的不同，指出該電路可能存在的問題，提出解決問題的辦法或思路，并設定基礎層、提高層和創新層三個不同層次的考核標準。基礎層以作業的形式完成問題的解答；提高層從整體性能優劣、電路參數優化、仿真實驗結果方面以分析報告的形式提交；創新層則需要重新設計最為合理的電路，并調試實現完成實際應用。此外在課堂內容的安排上，有意識地留出一定的空檔讓學生自習，同時在作業內容的安排上加強了實踐環節。在課程內容的整合方面，一方面強調課程知識的獨立性，一方面強調本課程與其他不同課程知識的銜接。

（a）放大電路驅動繼電器工作原理電路

（b）實物照片

圖3 共射極放大電路在機電系統繼電器控制中的應用

圖4 典型差動放大電路及其應用問題設計

2.實踐教學體系的再設計。以往的課程實踐環節基本采用已設計好的電路完全由學生照搬照做，屬于驗證性的實驗，這對激發學生的學習熱情作用不大，學生參與實踐環節的目的僅僅是為了完成該部分的任務，再設計的內容運用系統科學的方法，對組成課程群實踐教學需求的各要素進行優化、整合，在結構與功能上進行縱向與橫向以及縱橫交叉的全方位實踐環節。其中縱向為課程群內各基本課程所必須的基礎實踐環節，是通才培養的基本目標；橫向為某一課程的實踐環節，具體到《模擬電子技術》即為：基礎層、提高層和綜合應用層等實踐環節所組成。其中基礎層主要是使學生掌握典型電路的調試、測試方法等基本技能；提高層則是重點提高學生理論與實踐相結合的能力，理解理想模型與實際物體差異的能力以及將所學的不同知識綜合運用和初步培養學生解決一般工程問題的能力；綜合應用層是通過課程的創新實踐，對學生進行更深入地培養和訓練，幫助學生由淺入深，逐步掌握電路系統設計的基本知識并開發部分功能模塊的能力；縱橫交叉層則是各課程在綜合應用層上的知識的創新與實踐，同時又與人才培養所需學習過程相互結合。通過基礎平臺的水平相連、專業平臺的縱深發展，形成橫向有聯系、縱向有傳承的立體教學模式，并設想將實踐環節的部分資源向全院師生開放，使學習者的實踐學習過程在時間和空間上得到延伸。在實踐環節中每次實驗要求有一定的實際制作結果來培養學生的成就感，同時所有前面實驗的設計部分綜合起來就是后面整體設計要實現的電路，這樣有利于培養學生對電路的整體理解和局部分析設計的認識，從而提高他們的分析和設計能力。在課程設計環節中主要是緊密結合理論課堂教學和實驗教學的相關知識點，結合現實生活中的應用實例來展開具體的應用電路設計，重視設計過程和結果的總體把握。在開放創新環節中主要是以課程組教師出課題或者學生自選，然后學生利用課余時間在開放實驗室或虛擬實驗室完成的形式展開工作，通過設計、軟件仿真和分析、電路的調試與驗證等方面的訓練，特別是通過鼓勵學生自己設計一些具有實用意義的小電路、小制作，撰寫一些小論文，參與一些小的科技創新活動，可以讓學生真正做到“學”、“用”結合。

經過三年的不懈努力，已有超過1500名本科生在不同階段下，在這種立體化教學模式的實踐中有不同程度的受益。特別是在激發學生的自主學習熱情上，促成了由“要我學”到“我要學”的轉變，構建起“教學—自學—反饋”的循環學習鏈條，形成一種“面向需求、注重應用、夯實基礎”的教學理念與研究學習的基本思路，使學生在學習過程中得到全方位、多層面的綜合訓練。利于學生探索性、研究性實驗的開展，培養他們的創新思維。學習結束后，學生普遍反映能真正學到知識，有利于培養他們對模擬電路的整體理解和局部分析設計的認識，從而提高他們的分析和設計能力。

參考文獻：

[1]于海霞，王魯云，付才魁.應用型本科生模電課程教學改革初探[J].中國電力教育，2010，（13）：86-87.

[2]韓桂英，于為民.《電子技術基礎》課程教學改革研究[J].大連民族學院學報，2002，（z1）：89-90.

[3]唐朝京，涂瑞斌，庫錫樹.電子信息類大學生創新能力培養體系建設研究[J].高等教育研究學報，2009，（2）：88-90.

基金項目：本文得到湖北省高等學校省級教學研究項目的資助