“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)改革與實(shí)踐

劉小艷， 金 平

(清華大學(xué) 電子工程系 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，北京 100084)

0 引 言

隨著電子信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，電子學(xué)科知識(shí)日益膨脹，而高校電子工程專業(yè)本科生的學(xué)時(shí)基本不變，使近年來知識(shí)膨脹與學(xué)時(shí)有限的矛盾日益突出[1]。這一矛盾導(dǎo)致教師講授的內(nèi)容越來越多，類似于灌輸給學(xué)生，再加之交叉學(xué)科內(nèi)容的重復(fù)講授，導(dǎo)致學(xué)生不堪重負(fù)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)壓力不斷增大，真正接受與理解的知識(shí)卻越來越少，難以形成一個(gè)整體的專業(yè)課程體系。因此需要對(duì)原有的課程體系、教學(xué)理念和教學(xué)內(nèi)容等進(jìn)行改革和創(chuàng)新[2-3]。

通過梳理電子學(xué)科知識(shí)體系和核心概念，清華大學(xué)電子工程系進(jìn)行了全方位、多層次的教學(xué)改革，建立了新的課程體系——基礎(chǔ)核心課程和專業(yè)限選課程，逐步完善了培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃。電路類課程是電子工程學(xué)科的重要基礎(chǔ)課程，兼具理論性和實(shí)踐性，因此成為此次教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。電子電路實(shí)驗(yàn)課作為電路類課程的第一門實(shí)踐課程，圍繞理論課進(jìn)行了課程改革，建立了新的電子電路實(shí)驗(yàn)課程體系，形成了一門新的課程——“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”，作為本科生的第一門基礎(chǔ)核心實(shí)驗(yàn)課。

1 建立新的電子電路實(shí)驗(yàn)課程體系

原有的電子電路實(shí)驗(yàn)課程體系一般由“電路實(shí)驗(yàn)”、“電子工藝實(shí)習(xí)”、“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”、“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)?；旌舷到y(tǒng)設(shè)計(jì)”等課程組成[4-7]，在這個(gè)體系中實(shí)驗(yàn)課程大部分跟隨理論課程開設(shè)，不是獨(dú)立開課，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上存在將原理的驗(yàn)證和工程技術(shù)研究分開的部分，即存在不合理成分，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)世界中理論原理和實(shí)際應(yīng)用是分不開的[8]。

本著“由易到難，循序漸進(jìn)，跟理論課程緊密結(jié)合，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用”的基本原則，打破 “模擬”與“數(shù)字”的界限，結(jié)合“原理”與“應(yīng)用”，通過梳理原有的“電路原理實(shí)驗(yàn)”、“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”、“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”這3門課程的教學(xué)框架和內(nèi)容，整合核心知識(shí)并突出核心概念應(yīng)用，建立了新的電子電路實(shí)驗(yàn)課程——“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”，替代了上述3門課程。該課程獨(dú)立開課，64學(xué)時(shí)，分兩學(xué)期進(jìn)行，面向本科大一下學(xué)期和大二上學(xué)期學(xué)生開設(shè)。

2 “電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”課程的特點(diǎn)

(1) 總體學(xué)時(shí)壓縮，知識(shí)概念整體性增強(qiáng)。通過梳理課程體系和整合核心知識(shí)，拋棄了簡(jiǎn)單驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)，整合原有課程中重復(fù)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將原來90學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)壓縮為64學(xué)時(shí)，使得課程的概念整體性增強(qiáng)。例如運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)，在原有的“電路實(shí)驗(yàn)”中，用運(yùn)算放大器構(gòu)成受控源，研究受控源的轉(zhuǎn)移特性和負(fù)載特性，由于受控源本身屬于一個(gè)原理性的概念而并非一個(gè)實(shí)際器件，故此實(shí)驗(yàn)屬于簡(jiǎn)單的原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)[4]；在原有的“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”中，用運(yùn)算放大器構(gòu)成反相或同相比例放大等運(yùn)算電路，此實(shí)驗(yàn)屬于簡(jiǎn)單的應(yīng)用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)?？紤]到這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的電路基本相同，只是研究的側(cè)重點(diǎn)不一樣，同樣運(yùn)算放大器在應(yīng)用時(shí)也需要考慮其負(fù)載特性，故將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)整合成為一個(gè)新實(shí)驗(yàn)。

(2) 內(nèi)容整合，突出電路特性研究。還是以運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)為例，新實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究運(yùn)算放大器的應(yīng)用及其應(yīng)用電路的特性研究。如運(yùn)算放大器構(gòu)成的反相比例放大電路，研究其直流傳輸特性和交流特性；運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比較器，研究其傳輸特性和響應(yīng)時(shí)間等等。通過這些實(shí)際應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)及其特性研究，使學(xué)生一方面能掌握運(yùn)算放大器的正確使用，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生“設(shè)計(jì)電路時(shí)除了滿足功能要求外，還需滿足性能要求”的設(shè)計(jì)理念。

(3) 研究“透”器件特性。理論課講授了一些常用基本器件的特性，學(xué)生獲得的是理性認(rèn)識(shí)，而通過實(shí)踐獲得的是感性認(rèn)識(shí)，兩者結(jié)合使學(xué)生不但加深對(duì)器件本身的理解，而且還學(xué)會(huì)正確使用這些器件。由于該課程是我系本科生的第一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，通過實(shí)踐掌握常用基本器件的特性對(duì)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)非常重要，故新課程實(shí)驗(yàn)很注重器件特性研究和應(yīng)用。例如二極管是一個(gè)非線性器件，理論課上常用“其伏安特性不是一條直線”來講述其非線性特性，顯得略為抽象[9]；而實(shí)驗(yàn)中通過直接測(cè)量二極管在不同直流工作點(diǎn)時(shí)的靜態(tài)電阻和動(dòng)態(tài)電阻的大小，加以比較，就很直觀理解了其非線性特性；二極管的非線性典型應(yīng)用如整流、穩(wěn)壓電路，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只提出設(shè)計(jì)要求，由學(xué)生根據(jù)二極管的特性自行完成電路設(shè)計(jì)。

(4) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分多層次。通過“儀器訓(xùn)練與基本測(cè)量”實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，在此基礎(chǔ)上開展典型應(yīng)用設(shè)計(jì)型和系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，由淺入深，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，逐步培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力和探索精神，培養(yǎng)系統(tǒng)觀念和工程觀念[10]。具體來說，每個(gè)實(shí)驗(yàn)既有基本內(nèi)容又有一定的設(shè)計(jì)創(chuàng)新內(nèi)容，并附有若干有一定難度的思考題；摒棄了“傻瓜式”按步操作的實(shí)驗(yàn)方式，增加了“自主設(shè)計(jì)型”內(nèi)容在教學(xué)中的比例。例如電路基本定律定理實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件首先設(shè)計(jì)一個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，再利用該網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證Kirchhoff定律、疊加定理、戴維南定理等，最后通過分析計(jì)算給出各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的明確結(jié)論。

3 將EDA技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著EDA技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，利用EDA技術(shù)進(jìn)行電路仿真也成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要組成部分[11-15]。在該課程的開始階段，介紹常見的電路仿真工具如Pspice和Multisim，并要求學(xué)生實(shí)驗(yàn)之前對(duì)一些實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，這一過程培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，擴(kuò)展了學(xué)生的研究型思維。對(duì)于綜合設(shè)計(jì)型的實(shí)驗(yàn)，要求實(shí)驗(yàn)之前必須仿真驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的電路，由此使學(xué)生建立先進(jìn)的電子電路設(shè)計(jì)理念。當(dāng)然EDA仿真代替不了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中只引導(dǎo)學(xué)生將其用在實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)階段，大大提高了預(yù)習(xí)的質(zhì)量和效果。

4 開發(fā)電路綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于電子電路實(shí)驗(yàn)課程改革，為滿足多層次的電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)了一個(gè)電路綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[16]。該平臺(tái)包含一些實(shí)驗(yàn)常用的功能模塊比如直流穩(wěn)壓電源模塊、顯示模塊、按鍵模塊和測(cè)試模塊等，且模塊之間相互獨(dú)立，某個(gè)模塊的故障不會(huì)影響其他模塊的正常工作。其中測(cè)試模塊是該平臺(tái)的一大特色，可用來測(cè)試常用實(shí)驗(yàn)器件如晶體管、NE555、常見集成運(yùn)算放大器(OP07、μA741、LF347、LM324和TL084) 等，方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中及時(shí)判定器件本身的好壞。此外學(xué)生可在平臺(tái)上自行搭建和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)室開放提供了良好的條件。該平臺(tái)具有通用性、開放性和擴(kuò)展性，已應(yīng)用于“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)，效果良好。

5 考核重視預(yù)習(xí)并兼顧實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

該課程全過程一位同學(xué)一組，教學(xué)過程中強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)的重要性并增加了預(yù)習(xí)報(bào)告在考核中所占的分值比例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真作好預(yù)習(xí)，這樣實(shí)驗(yàn)中如果遇到問題學(xué)生就會(huì)自己分析問題出現(xiàn)在哪里，應(yīng)該怎么去解決，所以預(yù)習(xí)非常重要，預(yù)習(xí)得好會(huì)使實(shí)驗(yàn)效果得到很大提高。

該課程的總成績(jī)分為平時(shí)成績(jī)(占總分70%)和考核成績(jī)(占總分30%)，其中平時(shí)成績(jī)又包括預(yù)習(xí)報(bào)告成績(jī)、實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)和總結(jié)報(bào)告成績(jī)；考核成績(jī)包括儀器使用考核成績(jī)和期末電路實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)。這種評(píng)定成績(jī)的方式兼顧實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，能較為客觀地反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、動(dòng)手能力和科學(xué)作風(fēng)，并能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。

6 結(jié) 語

近年來通過不斷改革“電子電路與系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”教學(xué)內(nèi)容和優(yōu)化教學(xué)方式，通過強(qiáng)化電路核心概念并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生對(duì)電路的興趣，啟發(fā)了學(xué)生對(duì)電路的探究思維，取得了良好的教學(xué)效果。當(dāng)然改革不能一蹴而就，在以后的教學(xué)工作中還需要不斷完善電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和內(nèi)容，也期待能跟同行們進(jìn)行切磋和交流。

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