模擬電子技術實踐創新能力培養的探索

葉朝輝， 華成英， 閻 捷， 秦 儉

(清華大學 自動化系, 北京 100084)

模擬電子技術實踐創新能力培養的探索

葉朝輝， 華成英， 閻 捷， 秦 儉

(清華大學 自動化系, 北京 100084)

為了培養創新人才,大學課程需要培養學生的創新能力。模擬電子技術基礎課程是面向電氣信息類和自動化專業的工科專業基礎課,該課程具有很強的工程性和實踐性,清華大學自動化系開設的模擬電子技術基礎課程采用綜合論文的方式培養學生實踐創新能力,通過4個層次的課程教學使學生做到自主創新。課程調查結果表明,學生整體上對教學效果十分認可,培養學生實踐創新能力的改革達到了預期效果。

模擬電子技術； 實踐能力； 創新能力

1 大學課程培養實踐創新能力的重要性

創新教育是以培養人的創新意識、創新精神和創新能力為基本價值取向的教育實踐,旨在培養創新人才[1]。

創新能力不足是我國目前與發達國家的一個重要差距,產生差距的一個主要原因就是發達國家非常重視創新教育。例如,美國的大學教育就強調培養學生的實踐能力和創新能力,文獻[2]通過調查,分析了美國賓夕法尼亞大學本科電子信息類專業認知教育課程“電子系統工程介紹”如何培養本科生的創新能力和實踐能力。該課程分為3個內容,專題講座、認知實驗和項目設計。通過3個層次的學習和實踐,逐步培養學生的實踐能力和創新能力。文獻[3]總結美國的創新教育主要包括鼓勵質疑、強調自主學習、強調多元化的人才評價和選拔機制、強調教師與學生的科學研究等。

為了適應我國2020年建成創新型國家的戰略發展需求,大學亟須開展創新教育。目前我國的大學教育正在向創新教育轉變,但仍存在很多不足,主要表現在學生自主學習、教師引導研究、學生自主創新等方面有欠缺。

2 培養模擬電子技術實踐創新能力的改革

模擬電子技術基礎課程是面向電氣信息類和自動化專業的工科專業基礎課,該課程具有很強的工程性和實踐性,而學生剛開始習慣于用數學推理的思維方式去學習,因此普遍感到學習困難,多年來均被學生喻為“魔電”[4]。因此以往的教學主要側重于電子電路分析和基本實驗,而研究型和應用創新型實驗則由于太難而很少被涉及。為了培養學生的創新能力,有些大學進行了模擬電子技術(或者電子技術)課程實驗教學的改革[4-10],對培養學生的實踐創新能力起到了一定的效果。

清華大學自動化系開設的“模擬電子技術基礎”課程一直以來就非常強調從思維方式和實踐兩方面培養學生的研究和創新能力,例如強調從設計的角度構造和理解電路,強調通過仿真和實驗2個實踐環節研究電路,通過綜合實驗設計電路。這些教學方法對培養學生的研究創新能力起到了一定的作用,但在學生自主學習、引導學生研究創新方面還有不足。為了進一步培養學生的研究創新能力,近年來,該課程通過綜合論文的方式,鼓勵學生自主學習,引導學生自主研究、自主創新,進行電子電路設計研究和應用創新,取得了很好的效果。

3 培養實踐創新能力的思路

“模擬電子技術基礎”內容包括各類模擬電路及分析方法,這些電路都是在一定應用背景和需求下,通過實踐設計和創造出來的。因此,要做到創新,首先就是要能夠深入理解和掌握這些電路原理和分析方法,然后通過實踐和應用進行研究和創新。

為了讓學生在課程中一步步接近模擬電子技術的精髓,直至能夠融會貫通、做到自主創新,筆者認為課程教學應細致地分為4個層次:

第一層次,掌握基礎知識和基本技能。讓學生通過課堂講授和討論以及自學MOOC(Massive Open Online Courses)課程,掌握基本知識,訓練正確的分析和設計電路的思維方法,打下堅實的理論基礎。之后,通過仿真和實驗2個實踐環節,獲得更深刻的體會,掌握基本實驗技能,進行基本研究。

第二層次,了解電路背景和應用,開闊視野。雖然掌握了電路基本知識,學生并不知道如何去應用。因此在授課時,介紹電路產生的背景和應用場合,并介紹國際知名半導體企業生產的最新的模擬集成電路及其應用,另外介紹各行各業的現代電子系統及模擬電路在其中的作用,然后鼓勵學生課外進一步自學相關知識。

第三層次,實例教學。有了上述基礎后,學生對于研究和創新還不知如何具體去做。因此還需要給學生提供一些研究內容和實際電子系統設計的樣例作為參考,逐步引導學生去研究和創新。

第四層次,創造良好的實驗環境。給學生應用創新提供充分的實驗環境和硬件條件,鼓勵學生去研究和創新。

在以往的教學中,第一層次強調得多,第二至第四層次強調得少,而這也正導致了對學生創新能力培養的不足。

我們的課程通過改革,鼓勵學生進行應用創新設計,循序漸進地培養學生電子電路設計和應用創新的能力，例如通過綜合論文的方式培養學生科技論文的寫作和表達能力。

4 實踐創新能力培養的實施

第二層次教學中的實施方法包括以下2個方面。

(1) 針對一些電路進行知識拓展,例如講解集成運放、功放、線性穩壓電源和開關穩壓電源時,除了介紹基本電路外,還分別簡介TI生產的精密集成運放、音頻功放、三端穩壓器以及低壓差線性穩壓器、電感型和電荷泵型開關穩壓電源,感興趣的學生再進行課外自學。在講解運算電路時,除了講解基本運算電路外,還介紹其最早的應用和現代應用,并介紹實用的模擬乘法器、對數放大器、儀用放大器、差分放大器原理及應用電路,感興趣的學生再進行課外自學。

(2) 在講解應用電路之前,介紹電子系統的組成和模擬電路在其中的作用,介紹電子系統設計方法,并介紹現代實際的電子系統,如工業測量系統中的聲波測井系統、控制系統中的數控系統、通信系統中的大氣污染監測系統等。另外介紹最新的電子創新設計,例如介紹全球影響力最大的消費類電子展的創新設計產品,例如2016年的智能腰帶、智能調酒器、USB充電器電池、微軟頭戴式VR等,激發學生創新興趣和熱情。

第三層次教學中,本課程與TI合作,設計了基于TI模擬集成電路的大量研究型實驗和綜合應用型實驗,學生可以此為參考,選擇其中的實驗進行研究,或者在這些實驗的啟發下設計創新實驗,最后寫作一篇綜合論文。綜合論文采用科技論文的寫作方式,培養學生高度概括實驗的能力,使他們學會用簡潔、準確的語言來表達自己的實驗思想及觀點,為將來畢業設計撰寫論文打下基礎。

第四層次教學中,整合實驗室資源,充分發揮現有實驗室資源的效率。給學生提供開放的實驗條件,包括定時和預約兩種方式開放實驗室,提供通用模擬器件和TI的各類先進模擬集成電路、便攜式實驗板、虛擬儀器MyDAQ套件,將實驗室不常用的儀器設備借給學生,便于學生隨時隨地進行實驗,極大地方便學生進行創新研究。

5 研究和創新實驗案例設計

課程分別給學生提供了研究和創新兩類實驗案例。

研究實驗的目的是為了讓學生在學習電路的過程中對其特點和性能進行深入研究,或者研究如何用其組成應用電路。研究實驗樣例以研究基本電路和集成模擬電路為主,研究的問題包括電路結構或者參數變化對性能的影響、電路的性能指標測量、不同電路的性能對比等。這些樣例均為開放式,只給定題目,研究的具體內容和細節學生可以自由發揮。學生既可以選擇這些實驗進行研究,也可以通過這些實驗樣例的啟發,自己設定研究題目和內容,做到自主研究。

這些研究實驗樣例有:研究用晶體管和MOS管分別組成的單管放大電路；通用集成運放LM358性能參數測量；運放組成的電壓比較器與集成電壓比較器的比較；壓控電壓源二階低通濾波電路電阻電容參數變化對性能的影響；2種集成音頻功放性能研究和對比；集成對數放大器應用研究；集成模擬乘法器應用研究；2種電壓-頻率轉換電路研究和性能對比等。

例如,研究用晶體管和MOS管分別組成單管放大電路,學生首先用所學知識組成2種單管放大電路,然后分別通過仿真研究電阻參數變化對靜態工作點和動態性能的影響,總結并通過理論分析實驗結果,對比晶體管和MOS管組成的單管放大電路的性能特點。最后有興趣的學生還可以通過實驗驗證。該研究實驗不僅讓學生進一步理解電路,還學會了如何去研究電路,激發學生的研究興趣。

創新實驗的目的是為了讓學生將學習的電路應用于實際,發揮自主性和創造性。當然,在課程教學中強調培養學生的創新能力,并非要求學生發現新的理論、新的現象,它所強調的是對學生創新能力的培養,實際上是要培養學生發現問題和解決問題的能力、獨立思維的能力、靈活運用實驗技能的能力[11]。因此這些創新實驗樣例并不是真正的創造性的或者未知的實驗,而是從現代社會中收集的一些實用的或有價值的電子電路或系統,學生既可以選擇這些實驗進行研究,也可以通過這些實驗樣例的啟發,自己設定創新題目和內容,做到自主創新。

提供的創新實驗樣例有:聲光控燈、階梯波發生電路及應用研究；音頻放大器研究；簡易脈搏表、紅外熱釋電防盜系統、基本溫度測量電路及PID溫度測量和控制電路研究；超聲波測距電路、大氣壓測量電路、簡易計步器研究等。

例如,聲光控燈實驗提示用運放、集成電壓比較器、駐極體麥克風、光電二極管或光敏電阻實現聲光控燈,燈可用發光二極管代替,要求燈只在夜晚且有聲音時亮。該實驗引導學生如何去設計電路,學生不僅需要將所學的多種電路連接起來組成一個小型電子系統,還需要自己去查閱資料,自主學習,自主探究,最后通過思考并發揮創造性去設計和實現目標電路,激發學生的創新熱情。

6 學生完成的創新實驗

有一部分學生選擇了上述參考實驗樣例進行研究,而另一部分學生則自己設計了創新實驗,例如心形信號發生器、用模擬電路證明勾股定理、基于皮阻的測謊儀、掃頻超外差式頻譜分析器、音調均衡器、樂音識別電路等。

某學生設計的心形信號發生器電路組成如圖1所示,該實驗將多種模擬電路組成了具有創意的電子電路,做到了學以致用,發揮了自主性和創造性。圖1中的精密整流電路和模擬乘法器電路具體設計如圖2所示,仿真示波器顯示的心形波形和實際示波器顯示的心形波形分別如圖3和圖4所示。

圖1 心形信號發生器電路組成

圖2 精密整流電路和模擬乘法器電路

圖3 仿真示波器顯示的心形波形

圖4 實際示波器顯示的心形波形

7 教學效果

2016年春季學期對教學改革效果進行了調查,回

收了約118份問卷。約92%的學生認同有利于培養研究問題的能力,約95%的學生認同有利于培養實踐動手能力。調查結果表明,綜合論文有利于培養學生的實踐、研究和創新能力,達到了預期效果。另外,針對提供的實驗器材進行了調研,77%的學生認為提供的元器件和實驗板非常需要,47%的學生認為提供的虛擬儀器套件和儀器設備非常需要。調查結果表明,大部分學生愿意利用提供的實驗條件進行實驗研究和創新。

References)

[1] 由繼紅.實驗室與創新教育研究[J].實驗技術與管理,2010,27(9):16-17, 23.

[2] 馬利,張玉奇,李鵬,等. 從美國賓夕法尼亞大學專業認知教育談本科生創新能力培養[J].實驗技術與管理,2014,31(10):213-215,225.

[3] 李建中. 美國大學的創新教育及啟示[J].創新與創業教育,2012,3(4):103-106.

[4] 曹基石，張敬懷，閏亞龍.電子技術實驗教學中科學素質與創新能力的培養[J].電氣電子教學學報,2002,24(2):219-221.

[5] 張慧萍,李汝莘,孫貴斌.深化電子實驗教學改革 培養學生創新能力[J].重慶交通學院學報(社科報),2006,6(4):131-133.

[6] 王淑娟,齊明.通過電子技術基礎精品課程建設培養學生創新能力[J].中國大學教學,2008(10):48-49.

[7] 張成亮,李衛兵.改革電子技術實驗教學,培養學生創新能力[J].長春師范學院學報(自然科學版),2009,28(4):126-128.

[8] 李惟.電子技術實驗教學在培養學生的實踐與創新能力的做法、效果[J].北華航天工業學院學報，2011，21(3)：54-56.

[9] 范愛平，姚福安.電子技術試驗培養學生創新能力的探索與思考[J].全國高等學校電子技術研究會論文集，2010，20(增刊)：11-13.

[10] 黃荷英.基于創新能力培養的“電子技術”教學模式創新探析[J].中國電力教育，2010(12)：78-80.

Exploration on cultivation of practical and innovative ability of analog electronic technology

Ye Chaohui, Hua Chengying, Yan Jian, Qin Jian

(Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to cultivate innovative talents, the university curriculum needs to cultivate students’ innovative ability. The course of Analog Electronic Technology which is a basic course for the Electrical Information and Automation specialty has a strong engineering and practical background. This course offered by the Department of Automation of Tsinghua University cultivates undergraduates’ innovative ability using the way of comprehensive thesis, in which the four levels of teaching methods are used to help students to achieve independent innovation. The course survey results show that the students believe that the teaching methods are effective for training practical ability, research ability, and innovative ability.

analog electronic technology; practical ability; innovative ability

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.007

2016-07-20

葉朝輝(1968—)，女，湖南長沙，博士，副教授，主要研究方向為現代電子技術及應用.

E-mail:yezhaohui@tsinghua.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)1-0029-04