美國明尼蘇達大學電路與電子技術實踐教學研究

陳一民，魏 東，周渡海，張明珠

（1.北京建筑大學 電氣與信息工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 工程實踐中心，北京 100044；3.北京工業職業技術學院 信息工程系，北京100042）

電路與電子技術系列課程通常包括電路原理、模擬電子技術、數字電子技術3門課程，這些課程是國內電氣信息類專業本科學生的主干專業基礎課程。依托理論課程所設置的實踐教學課程不僅使學生鞏固課程的理論知識，提高動手能力，同時也將為學生后續課程的學習和實踐打下基礎，因此在整個專業教學體系中占有極為重要的地位［1－3］。

本文將美國明尼蘇達大學電路與電子技術實踐教學課程（包括課程設置、實驗室軟硬件條件、實驗教學內容和教學手段）與國內工科高校相關課程進行對比，分析了明尼蘇達大學電路與電子技術實踐教學的特點，為我國高校相關課程的實踐教學提供有益的經驗。

1 電路與電子技術實踐課程構成

明尼蘇達大學電路與電子技術實踐課程是該校電氣與計算機工程系為電氣工程、計算機科學與技術本科專業開設的專業基礎課程，同時也面向機械工程等其他專業學生授課。電氣工程專業要求本專業學生完成24學分的實踐課程（共計8門實驗室課程，不包含物理、化學等基礎實驗課程），其中電路與電子技術實踐課程必修部分共有9學分，占全部實踐課程學分設置的38%［4］。這說明該校工科教育非常重視學生基礎能力與技能的培養。

明尼蘇達大學電路與電子技術實踐課程包含5門獨立設置的實驗室課程，其中有4門課程是電氣工程專業的必修課程［5］（見表1）。按照培養方案，必修課程要求本科學生在第3、第5、第6學期完成。與國內大學不同，美國大學課程設置較為靈活，全年秋、春、夏3個學期都開設了這些課程，便于學生在任何學期都可以修完相應課程。

表1 明尼蘇達大學電路與電子實踐環節內容

2 電路與電子實驗室軟硬件條件

實驗室的軟硬件環境為實踐教學的順利進行提供了必要的條件和保障［6］。明尼蘇達大學電氣與計算機工程系的電路與電子技術實驗室充分體現了實用的特點，在充分保證實踐教學的前提下優化實驗室的資源，實現全天開放實驗教學。

2.1 實驗室構成

明尼蘇達大學電路與電子技術實踐課程主要面向電氣與計算機工程系本科學生開設，但是也面向機械工程、航空航天工程等專業的學生開課。由于只有4間實驗室，所以其中一間實驗室是EE3101和EE3102這2門課程共用的實驗室。

明尼蘇達大學的電路與電子技術實踐課的實驗室面積都不是很大，每間只有40～60m2。然而，這并不意味著實驗資源緊張或實驗條件惡劣。通常，該校每門實驗室課程會有4～10個實驗課段（session），每個實驗課段只容納12～14名學生，因此每個學生的實驗面積并不少。這樣安排一方面能夠保證較為良好的學習環境，另一方面也便于教師進行輔導。

可以看出，每門課程被分為幾個實驗課段，并且實驗室全天和全年開放，使得明尼蘇達大學電路與電子實踐教學能夠在實驗室數量較少、面積較小的情況下高效運行，也使得實驗設備占用的資金減少而使用率極大提高。這種在有限的實驗室面積和較少設備購置經費的條件下，能夠保證教學順利實施和良好教學效果的經驗頗值得我國高校學習。

圖1是明尼蘇達大學電氣與計算機工程系一間電子實驗室內部情況。這一實驗室使用面積約60m2，共有10套實驗設備，卻完成EE3101和EE3102這2門基礎實驗室課程的實驗教學。按照2012年春季課表，EE3101課程設置4個實驗課段，EE3102課程設置9個實驗課段，使該實驗室周課內學時達36學時，實驗室空閑率很低。

圖1 電氣與計算機工程系電子實驗室

2.2 實驗設備硬件條件

明尼蘇達大學電氣工程專業雖然在美國大學中排名較為靠前，但就其本科實驗室設備條件來說與我國國內普通大學電氣工程本科教學實驗室有著較大區別。

該校電路與電子技術實驗室均沒有裝備像我國國內大學那樣的成套實驗箱或是實驗臺，而只有簡單的面包板。測試設備主要采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器并結合實體數字示波器、邏輯分析儀等測試設備，老式模擬示波器在實驗室內仍有所保留，便于學生學習使用。

面包板雖然不如實驗箱操作簡便，但需要學生完成元件級的實驗電路搭接與調試工作，從而極大地鍛煉了學生的動手能力。面包板和所用的電子元器件通常會在開學初發給學生，學生可以在進入實驗室前利用課余時間完成電路的組裝工作。這樣做也會降低設備的采購成本，并使實驗室的通用性和實驗的靈活性大大提高。

表面上看，明尼蘇達大學電路與電子技術實驗室的硬件不如我國國內高校工科實驗室那樣氣派，甚至可以說有些簡陋，但是正是這種“簡陋”的實驗裝備，體現了美國大學工程教育中的務實與求實［7］。

2.3 實驗室管理

明尼蘇達大學的實驗教學分工明確。實驗課由專任教授授課，實驗的輔導工作主要由電氣與計算機工程系的研究生教師助理（Teacher Assistant）完成，實驗室設備的維護與管理由學院技術人員和兼職研究生共同完成。電路與電子技術實驗室每天08：00～22：00開放，使用電子門禁控制人員的進入。學生能夠很方便地在實驗室空余時段進入實驗室自主學習，時間更加靈活，對技能的提高與鞏固更為有效，同時也保證了實驗室的安全。

3 實踐課程教學內容與組織分析

3.1 實踐內容分析

明尼蘇達大學的電路與電子技術實踐教學環節共設置29個實驗項目和貫穿全學期的項目設計（相當于我國高校課程設計實踐環節）。在電路與電子技術實踐課程中，多數實驗項目的學時為2～3學時（一個實驗課段），也有些實驗項目需要2個實驗課段（約4～6學時）完成，但這不包括學生利用課余進行實驗的時間。每個實驗項目保證學生能夠有充裕的時間完成。

表2—表6給出了明尼蘇達大學電路與電子技術實踐教學5門課程的具體實驗內容設置和學時安排［8－12］。

表2 EE2002“電路與電子實驗室課引論”的實驗安排

表3 EE3101“電路與電子實驗室課Ⅰ”的實驗安排

表4 EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”的實驗安排

表5 EE4111“高級模擬電子設計”的實驗安排

表6 EE2301“數字系統設計”引論的實驗安排

上述電路與電子技術實驗項目基本是硬件電路實驗。雖然學校也要求學生應用電路仿真軟件對所設計的電路進行仿真，但是仿真測試的任務通常留在課余進行。

從這些實驗項目中可以看出明尼蘇達大學電路與電子技術實踐教學的幾個特點。

（1）實驗的主要部分集中于半導體器件的分析。實驗項目的構成中介紹實驗設備使用和實驗流程的認識性實驗4個；涉及線性電路（電阻元件）實驗2個；涉及半導體非線性器件電路實驗15個，應用設計項目1項；涉及數字集成電路器件實驗6個。

（2）由于實踐環節主要是獨立于理論課程教學而設置的實驗課，因此實驗項目的安排與理論課程的進度沒有直接的聯系，實驗環節的設置相對獨立且自成體系，實驗項目所涉及的內容更加全面。例如EE2002和EE3101實驗室課程都涉及了運算放大器實驗。前者主要完成運算放大器基本特性測試，而后者著重于對運算放大器非理想特性的測試和應用。兩者互補，使學生能夠全面了解運算放大器應用的要點。

（3）實驗項目既重視基礎，又重視應用。項目的設置偏重于設計性實驗和啟發式實驗，幾乎看不到單純的理論驗證實驗。此外，實驗項目強調對學生分析能力的培養，而單純測試數據的實驗并不多見。由于許多實驗項目來自于實際電子電路應用，因此，在實驗的內容上也更強調培養學生對電路現象和相關理論的分析能力。例如，多個實驗項目涉及高頻下電路特性的測試，這是為了幫助學生對常見電路的工作情況有所認識。此外，貫穿全學期的項目設計實驗也是以實際應用為背景，以學生自主實踐為主導的實踐環節。電氣與計算機工程系會在期末專門安排學生的設計成果展示，學生要通過完成的作品、實踐方案和報告向教師，甚至是向業界人士展示實踐成果。

（4）基礎實驗課程安排階段實驗考核與測試。從表2和表3的實驗項目設置中可知，在貫穿全課程的教學中安排有多次階段考核與測試。這樣做可以幫助學生鞏固實驗內容，并更加熟練地使用實驗工具與設備。

3.2 實驗教學組織

由于明尼蘇達大學的實驗指導手冊較為全面、具體，因此，電路與電子技術實踐教學的組織要比國內簡單。通常，每個實驗課段容納12～14名學生參加，學生可以2～3人組成一組，但每人需要提交一份實驗報告。實驗主要由研究生教師助理進行輔導。教師助理會簡要講授實驗的注意事項，協助學生領取元件，并在學生實驗過程中給予答疑。學生也要根據實驗手冊的要求向教師演示每一階段的“里程碑（即實驗設置的關鍵點）”。

圖2展示了明尼蘇達大學“EE3101電路與電子實驗室課Ⅰ”實驗情況。這門課程是1個人一組，每個課段可容納14名學生學習。

圖2 EE3101“電路與電子實驗室課I”的實驗情況

3.3 實踐課程評分與評價

評定學生的實驗成績是激勵和促使學生認真完成實踐環節的重要手段之一。由于明尼蘇達大學電氣與計算機工程系的電路與電子技術實踐課程是專業必修課并有學分要求，因此在一定程度上保證了學生能夠以積極的態度參與到實踐環節中，學校也更為具體和細致地對學生的實驗效果進行評定和評價。

以EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”為例，這門實驗室課程的成績評定共由7項構成（見表7）。

表7 EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”的實驗評分構成

表7中序號3“項目設計”的評定，要求方案設計包括項目的概念、項目實施要點、電路草圖、元件清單與價格、為滿足設計要求所做的設計分析報告、每一個組員的任務拆解分配表、詳細的電路仿真報告、電路原型的測試結果報告等內容。在這門實驗室課程中，學生成績的40%依據自身的工作，成績的60%依據全設計組的共同工作表現。

在其他實驗課程中，也會在課程中期設置小測驗，檢查學生的實驗水平，便于及時發現學生在實踐中的問題。

明尼蘇達大學十分重視對學生寫作能力的培養，學生的實驗筆記、項目工作日志和實驗報告在成績評定中占有較高的比例。工科學生要完成5～6門寫作訓練課程（包括1門寫作基礎課程和4～5門貫穿于專業教學的寫作強化課程）［13］，教師對學生實驗筆記和實踐報告的撰寫也有很高的要求。

以電路與電子技術幾門實驗室課程為例，每個實驗項目均要求學生按照正式論文格式撰寫實驗報告，即實驗報告分為引言、實驗背景與理論、實驗軟硬件環境、實驗測試過程與數據分析、實驗結論等幾個部分。撰寫實驗報告猶如撰寫一篇論文，而不僅僅是簡單的數據記錄。這在一定程度上鍛煉了學生工程文獻的撰寫能力。

4 結束語

明尼蘇達大學的電路與電子技術課程實踐教學環節具有較強的獨立性和系統性，課程實驗內容豐富，注重學生能力的提高。實驗項目的設置突出學生為學習的主體，在注重基礎能力與素質培養的同時，實踐內容與工程實際應用的結合更加緊密，這些方面頗值得我國高校借鑒和學習。

（References）

［1］葉紅.美國高校電子工程類專業本科培養方案淺析［J］.高等理科教育，2007（6）：64－67.

［2］王建明，帥仁俊.電路實驗教學平臺建設與實驗教學改革［J］.實驗室研究與探索，2008（2）：56－58.

［3］江捷.淺析美國密歇根州立大學ECE系本科課程設置［J］.實驗技術與管理，2012，29（2）：173－176.

［4］DECE of UMN.4yr＿plan＿ee＿post＿fall2010 ［EB／OL］.（2010－08－01）［2012－11－02］.http：／／cse.umn.edu／services／advising／CSE＿CONTENT＿188609.php.

［5］DECE of UMN.ECE Catalog Descriptions［EB／OL］.［2011－09－01］.http：／／www.ece.umn.edu／undergraduate／index.htm.

［6］顧紅艷，劉曉鴻，蔡曉君，等.借鑒美國明尼蘇達大學實驗室管理經驗加快我國開放實驗室管理［J］.實驗技術與管理，2008，25（10）：187－190.

［7］朱善安，楊敏虹.北美大學的EE教學改革與我們的思考［J］.高等農業教育，2001（2）：91－93.

［8］DECE of UMN.EE 2002Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee2002／EE2002＿Lab＿Manual＿（revised＿Sum＿2012）.pdf.

［9］DECE of UMN.EE3101Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee3101／EE3101＿Lab＿Manual＿（Revised＿Sum＿2012）.pdf.

［10］DECE of UMN.EE3102Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［11］DECE of UMN.EE2301Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［12］DECE of UMN.EE4111Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［13］陳一民，馬鴻雁，張明珠.美國明尼蘇達大學電氣工程本科教育研究［J］.實驗技術與管理，2012，29（12）：183－187.