基于工程教育的電工電子實踐課程體系的構建與實踐

陳 安 曾思明 劉銀萍

廣東工業大學實驗教學部 廣東廣州 510006

廣東工業大學電工電子實驗中心從2014年開始，在“盡早綜合運用知識、盡早接觸工程實際、盡早開展探索研究”的思想指導下[1,2]，打破傳統的實驗教學方法，在工程教育理念下采用EEPC-CDIO教育教學模式，對電子信息類卓越工程師班、實踐能力提高班、創新班實踐課程進行教學改革，構建一套完整的“強化基礎、重視綜合、提高能力、課外學習、不斷創新”的創新實驗教學新模式，優化實驗內容。新體系對激發學生實驗興趣，提高學生實踐能力，促進實驗教學改革以及共享優質實驗教學資源起到重要作用[3,4]。

1 電工電子實踐課程體系的構建

2014年下半年，電工電子實驗中心基本形成了全新的電工電子實踐課程體系，課程體系如圖1所示。本體系由實驗知識方法、模擬電路設計、數字電路設計、綜合系統設計、課外研學實踐五個教學模塊組成。其中，課程體系強調知識從淺入深、由點到面綜合貫通；實驗內容從工程的實際應用出發，從元器件選擇、儀器操作、簡單電路結構設計、復雜電路設計到綜合電路設計循序漸進[5,6]。

圖1 電工電子實踐課程體系

實驗項目的優化設計是電工電子課程體系中的關鍵環節[7]。按照OBE工程認證要求[8,9]，編寫了新教材《電工與電子技術實驗教程》，制訂了新的教學大綱，設計開發了一批新的實驗項目，每個實驗項目分三個層次：基礎型、提高型和開拓型，并把每個實驗項目分配到不同的教學模塊中。

模塊一：以常用電工電子儀器操作、元器件識別及參數測量及電容電壓充放電等實驗為載體，重在培養學生的基本工程素質、基本實驗技能、基本分析和處理問題的能力[10]。在《一階動態電路響應的分析與仿真》實驗中，學生運用Multisim 12.0軟件及數字示波器，根據觀察一階動態RC電路全響應變化的規律，測算時間常數；通過自主選擇不同的參數，邊觀察邊分析，可以得到積分電路、微分電路或者三角波。每個學生選擇的參數不同，測量的結果也不同，要求學生在實驗中嘗試分析不同的參數產生不同實驗現象的原因，培養學生分析問題的能力。

模塊二：模擬電路設計模塊設置了單元電路實驗和綜合小系統項目。每個單元實驗都有教學目標、學生學習任務及思考分析，涵蓋不同課程的多個知識點，單元電路實驗做完后，把它們綜合起來形成一個小系統項目。例如，波形發生電路是一個典型的綜合型模擬電路實驗，在基礎實驗部分，要求學生通過遲滯比較電路及積分電路先產生方波、三角波；三角波再通過二階濾波電路產生正弦波；更高層次上，要求學生通過模擬電路所學知識，實現三種波形相互生成。如圖2所示。

學生收到設計要求后，自主查閱資料，提出設計方案，并對方案進行仿真設計，直到調試出最終結果。學生提出的參考方案如圖3所示。

圖2 波形發生電路要求

圖3 波形發生電路設計方案

在整個波形發生電路設計過程中，融合了模擬電路的多個單元電路，方案靈活，電路模塊可以任意組合，充分發揮了學生的主觀能動性，如圖4所示。

圖4 多個單元電路融合

在學習模擬電路的過程中，很多學生覺得模擬電路理論性強，理解起來抽象、枯燥、不直觀，如果能將模擬電路知識綜合運用到實際產品中，理解起來就會容易一些。例如，波形發生電路設計完成后，部分學生思考能不能把波形發生電路的單元電路及模電各分散的知識點(三極管放大電路、運放電路、功率放大電路等)綜合串接到一個產品中，根據學生的想法，設計了小系統音頻功率放大電路，設計要求如圖5所示。

圖5 音頻放大電路設計要求

根據要求，給學生提供了一個項目實現的基本方案，供學生參考，學生也可以根據自己所掌握的知識提出自己的方案，學生設計的無線功放電路設計框圖如圖6所示。

圖6 無線功放電路設計框圖

這個項目有音樂/聲音，有無線知識與玩相結合的技術，能夠激發學生的學習興趣。知識點全面綜合，包括三極管放大電路、紅外發射與接收、有源濾波、功率放大等。每一個模塊知識點是相對獨立的，可以根據課程的進度，分塊分步做，學生可以根據自己的能力逐步提高難度；實驗案例涉及模擬電子技術、數字電子技術、電路理論等多門課程的知識與技術方法，實現了跨課程知識融合；實驗案例與實際生活緊密相連，具有現實的工程意義；實驗案例的實施方案及其實現方法具有多樣性；實驗案例中的傳輸距離、傳輸效率和傳輸功率的提高具有挑戰性。

模塊三：從數字電路基本特性開始，由組合邏輯到時序邏輯電路、再到FPGA數字系統綜合設計，實現從簡單到復雜、單元到系統的循序漸進過程。其中，LED數碼管驅動顯示、數字頻率計電路設計、交通燈設計等設計項目綜合了組合邏輯、時序邏輯、開關陣列等多種設計方法，實現了多知識點的融合。

模塊四：綜合前面所學的電路、模擬電路、數字電路知識，加上單片機、FPGA等綜合應用設計一個綜合系統。以溫度控制系統為例，如圖7所示，學生在項目實踐中需經歷“項目需求分析、知識學習補充、理論推導計算、實現方法選擇、電路設計仿真、實驗步驟設計、參數測試方案、實驗總結分析”的過程，通過不斷改進和調試，做出產品。

圖7 學生制作的溫度控制系統

模塊五：課外研學是電工電子實踐教學體系的一個重要組成部分。學生可以自己申報項目，也可以選擇教師提出的課題，經過評審立項后可獲得一定的經費支持。在課外研學過程中，學生圍繞問題開展自主學習和研究，不僅能夠有助于學生融會貫通課程內容，構建復合型知識結構體系，對培養學生科研創新能力成效明顯。

通過幾年的實踐發現，實驗項目在內容選擇上應側重于學生在學習、生活和工程實踐中可能遇到的問題和現象，促進學習與實踐的結合；要加強實驗室建設的硬件建設，加大實驗室的開放，給學生提供自主學習的環境；在課程配置上，開設電子競賽的系列培訓選修課程，如常用電子電路的設計、常用傳感器應用電路設計、常用單片機系統設計等課程，分層次遞進，培養學生的綜合素質和創新能力。

2 教學效果

通過幾年的實踐，學生制作出開關電源、DDS信號源、智能溫控系統、智能尋跡小車、光耦參數特性測試儀、雙向DC/DC變換器等實物作品，并在此基礎上積極申報大學生創新創業項目，很多學生獲得立項，其中“基于微控器的光耦參數特性測試儀”“純電動汽車復合電源的雙向DC/DC變換器”等項目獲得省級立項，極大地激發了學生的學習熱情，主動參與的熱情非常高。在整個學習期間，學生經常中午和晚上都泡在實驗室里，有時候為了調試一個程序很晚才回寢室，當其作品能夠達到預期功能后，學生對自己的成果感到非常自豪。

學生在國家、省、校各類比賽中共獲獎60余項，其中在第十一屆“博創杯”全國大學生嵌入式設計大賽中獲特等獎并被授權一項實用新型專利：一種可穿戴的跌倒報警多功能引導裝置；在全國電子設計大賽中獲得國家二等獎，在全國電子設計大賽中獲得省級一等獎、二等獎及校級獎勵多項；基于微控器的光耦參數特性測試儀實物制作完成后，在第六屆“挑戰杯”廣東工業大學課外學術科技作品競賽中獲得二等獎，并且論文《微控器下的光耦參數特性測試儀的設計》在《電子制作》雜志上發表。

3 關于提高學生主動實踐能力的思考

3.1 改善實驗條件 激發學生的實踐興趣

興趣是激發創造的動力源泉，學習一門技術或設計一個電路首先需要培養興趣，需要構建一個良好的環境。培養興趣需要具體的措施，在實踐中，通過整合有效資源，建立相關配套制度，為學生主動實踐提供必要的條件。

3.2 從細微處入手 狠抓學生基本功的實踐

隨著計算機的發展和軟件仿真的流行，為實踐教學提供了很多便利條件，但也有一個事實不容忽視，那就是隨著大量仿真軟件的使用，或多或少影響了學生很多基本功的訓練，減少了許多必要的動手機會，培養了許多“紙上談兵”的人才。教師有必要深入到學生當中，從細微處入手，深入地了解學生的真實水平，既不能否定學生的能力，也不能高估學生的水平，對癥下藥，有步驟有條理地引導學生實踐。

3.3 引導學生自主研學 增強協作精神

教師通過研學方法、案例分析、任務要求、考核規則的引導，使學生進入自主研學的各個場景，成為實踐的主角，養成研究探索習慣，讓學生自主選題設計任務要求、自主設計實現方案與進程、自主選擇研究軟硬件平臺、自主構思展示實踐成果。一個人的精力和能力畢竟是有限的，沒有協作就難以形成氣候，一人為木，眾人成林，只有“眾人拾柴”才有“火焰高”的局面。應鼓勵學生多參與科技競賽，在競賽的大環境中培養和磨煉自己，培養團隊協作精神。

4 結語

人才培養是一項系統化工程，在科學技術飛速發展的今天，培養具有扎實的理論基礎、能夠應用科學技術解決工程實踐問題的應用創新型人才，實踐環節尤為重要；以“引導入門—基礎系列—專題研究—科學研究”為導向的循序漸進的創新實驗教學新體系的建立，有效培養了學生的自主學習能力、信息分析綜合能力、工程意識、動手能力和團隊合作精神。新教學方法的實施，使得教師的教學能力、水平也獲得較大進步，通過教學、教研促進科研，教師的綜合業務素質得到增強。