“新工科”背景下《電路分析》實踐教學方式的探索

尚建華 華一村 鄧開連 孫嘉曈 陳根龍 白慧

摘? 要：針對新一輪技術革命和產業變革對高校教育提出的挑戰，國家提出了“新工科”的建設理念，強調創新性和復合性的教育理念和人才培養模式。新的人才培養模式對于實踐教學提出了新的要求。現以電子信息與電氣工程類專業為例，通過對《電路分析》理論課課內實驗、認識實習、實驗課程、創新實踐項目等環節的分析研究，探索實踐教學方法和方式的改革和創新。具體實踐表明，上述實踐教學方案對培養創新型、應用型人才具有較好的效果。

關鍵詞：新工科? 人才培養模式? 電路分析? 實踐教學

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0144-04

Research on the Practical Education of Electric Circuit Analysis under the background of "new

Engineering"

SHANG Jianhua? HUA Yicun? DENG Kailian? SUN Jiatong? CHEN Genlong? BAI Hui

（Engineering Research Center of Digitized Textile & Apparel Technology， College of Information Science and Technology， Donghua University， Shanghai， 201620? China）

Abstract：In view of the challenges posed by the new round of technological revolution and industrial reform to higher education， the state puts forward the construction concept of "new engineering"， emphasizing innovative and compound education concept and talent training mode. The new talent training mode puts forward new requirements for practical teaching. Taking Electronic Information and Electrical Engineering specialty as an example， this paper explores the reform and innovation of practical teaching methods and methods through the analysis and research of experiments， cognitive practice， experimental courses and innovative practical projects in the theoretical course of Electric Circuit Analysis. The specific practice shows that the above practical teaching scheme has a good effect on cultivating innovative and applied talents.

Key Words：New engineering; Talent cultivation model; Electric Circuit Analysis; Practical education

為了應對第四次科技革命以及產業升級變革對高校工程人才培養提出的新挑戰，教育部提出了“新工科”建設理念[1-3]，各高校也相繼開展了“新工科”背景下的教學研究，意在探索“新工科”建設模式，進而形成中國特色、世界一流的工程教育體系，有力支撐國家的創新發展，為實現中華民族偉大復興的中國夢奠定堅實基礎。

東華大學電子信息與電氣工程類專業包含自動化、電氣工程及其自動化、通信工程和電子信息工程4個本科專業，經過多年的發展，已在自動控制等領域形成了自己的特色和優勢[4]。上述4個專業的學生通過強電和弱電、軟件和硬件以及元件與系統等知識的學習，獲得電子技術、電氣控制、自動化、通信以及計算機應用等領域的基本技能，培養分析和解決信息技術領域實際問題的能力，進而成為自動化、電氣工程、信息技術等領域的寬口徑、復合型高級工程技術人才。

在電子信息與電氣工程類專業的課程體系中，《電路分析》是一門重要的專業基礎課，該課程理論嚴謹、邏輯性強，且具有較強的工程實踐要求[5-6]。課程的教學目標是幫助學生扎實掌握電路的基本理論知識、電路的基本分析方法和初步的實驗研究技能，培養學生發現、分析和解決問題的能力，為電類專業后續課程的學習準備必要的電路知識，并為深入研究電路理論奠定基礎。然而，《電路分析》要求學生在掌握電阻電路分析、相量法及交流電路、動態電路的復頻域分析和二端口網絡等理論知識的同時，還需在16學時內完成配套的電路實驗課程，這對于初學電路、缺乏經驗的二年級學生而言，不僅學習難度較大，而且實踐鍛煉的機會也非常有限，很難達到通過實踐操作促進理論內容學習的目的。傳統的《電路分析》的實驗課程內容僅是對經典的電路理論進行驗證，缺乏有關電路分析方法的實踐以及實用化電子線路的設計與調試，在培養學生的創新能力以及解決實際問題的動手能力等方面略顯不足。因此，認真思考和研究理論教學和實踐教學的開展模式，不僅可以有效解決學時有限和內容廣泛之間的矛盾，還能合理兼顧傳授知識與培養能力的需求;所培養的學生也將具備更好的實踐動手能力以及分析問題和解決問題的能力，更加符合新時期應用型人才的需求。下面以東華大學電子信息與電氣工程類專業為例，從5個方面探討“新工科”背景下《電路分析》實踐課程的改革和發展，以進一步提升理論教學和實踐教學的效果，使實踐課程能夠更加緊密地結合行業的發展，滿足國家產業提升的人才需求[7]。

1? 認識實習環節

《電路分析》是電子信息與電氣工程類專業學生的第一門專業課程，在此之前，學生沒有任何電學實踐基礎。因此，在《電路分析》開課之初，同期開展認識實習活動，其教學目標不同于專業實習。認識實習環節旨在借助技能訓練幫助學生掌握后續專業課程（理論課程和實踐課程）所需的基礎實踐技能，提高學生的動手能力和專業課程的學習興趣，為將來從事相關專業工程技術研究工作奠定基礎。

認識實習環節共計5周，主要內容包括規范的實驗操作和用電安全、元器件的認識和測量、常用儀器儀表的正確使用、焊接和裝配技術以及電子仿真工具Multisim的使用[7-9]。其中，Multisim仿真軟件是一個集電路原理設計和電路功能測試于一體的虛擬仿真軟件，是用軟件的方法虛擬電工、電子元器件及各種儀器、儀表，并通過圖形界面將元器件構成的電路和所需的虛擬儀器、儀表集合為一體的。與傳統的電子電路設計方法相比，Multisim包含的元器件及測試儀器和儀表十分齊全，可完成各種類型的電路設計和實驗，無需消耗實際的元器件，因此，實驗成本低、效率高;其次，基于Multisim的計算機仿真實驗可以同步進行設計與實驗，電路的修改調試、參數的測試分析以及數據的記錄和輸出均十分方便。另外，Multisim具有強大的電路分析功能，包括直流工作點分析、穩態分析以及瞬態分析等多種電路分析功能，這非常有利于拓展電路實驗的廣度和深度，也便于學生隨時隨地開展電路的設計和分析。

通過5周的學習和動手操作，學生能夠識別和選用常用的電子元器件，能夠初步了解常用的電工電子測量儀器和儀表的使用方法、電路搭建和調試的基本思路以及印制電路板的制作流程，并能利用Multisim仿真軟件進行基本電路的仿真和測量。

2? 電路實驗課程

與《電路分析》理論課相對應的電路實驗課程共計16學時，主要教學內容包括疊加定理和戴維南定理實驗、電源的外特性和電源的等效變換實驗、含有受控源的直流電路實驗、交流阻抗參數的測量實驗、電路功率因數的提高實驗、串聯諧振電路實驗、一階電路和二階電路的響應等。上述電路實驗主要為驗證性實驗，旨在幫助學生通過實踐操作進一步加深鞏固電路理論知識，逐步掌握電路設計和調試等科學實驗技能以及常用電子儀器、儀表的正確使用方法。

電路實驗課程是《電路分析》理論教學的配套實踐課程，基礎性較強，主要偏向于原理驗證。每次實驗，學生首先需要明確每個實驗的任務，準確理解電路原理圖，然后搭建電路并熟練使用各類電子儀器觀察和分析電路的性能，按步驟、按要求逐步完成每個實驗內容，并詳細記錄實驗數據和現象;調試過程中，需要學生合理分析并解決實驗中出現的問題，強調獨立思考;最后，準確處理數據并進行分析和解釋，完成實驗報告。對于學有余力的同學，電路實驗課程還提供了拓展實驗內容，以期更好地培養學生的實驗積極性，提高學生的自我探究能力。

3? 基于Multisim仿真的《電路分析》課內實驗

電路實驗在《電路分析》的教學環節中扮演著重要的角色，在培養高質量創新人才和全面提高學生綜合素質等方面具有不可替代的地位和作用。然而，電路實驗課程的學時有限，只能在一定程度范圍內豐富學生的實驗感知。為了幫助學生理解和鞏固電路理論知識，任課教師在《電路分析》理論教學環節中增加Multisim仿真實驗內容，不僅可以對電路實驗課程進行延伸和拓展，還能將教學難點的講解融于直觀形象的演示和介紹中[10-11]。課上，任課教師根據課程進度，借助Multisim仿真軟件平臺建立驗證基爾霍夫定律、電阻電路等效變換、替代定理等基本定律定理的仿真電路，然后結合仿真實驗測量結果及理論推導講解相關知識點;課下，每個學生需要自行設計搭建仿真電路，學習使用常用電子儀器和儀表分析實驗現象、測試結果并排除故障，完成電路參數的測量。

另外，學生還需以團隊的形式完成一次課程大作業[12-13]，大作業的內容較為綜合且具有一定的難度和挑戰性。例如，在講解“含有運算放大器的電阻電路”這一章節之后，任課教師會圍繞“濾波器的設計”布置大作業。首先，任課教師給出電路的具體參數設計要求和大體思路，以便學生能夠有針對性地進行技術調研和方案設計。在確定設計任務之后，學生組隊并根據個人興趣和專長進行任務分工，包括相關技術的發展調研、原理仿真、電路設計和仿真、誤差分析以及報告的撰寫和展示。在完成大作業的過程中，如遇到問題，學生可進行組內討論，也可以與任課教師討論。最后，每個團隊需對工作進行匯報和總結。

經過幾個學期的實踐，基于Multisim仿真平臺的拓展實踐環節取得了較為明顯的效果，選課學生給出了很多積極的反饋。學生不僅建立了實際電路模型化的概念，掌握了簡單電路模型化的處理原則，還初步具備了搭建實際電路的能力，為后續小規模、綜合型電路實驗以及數模電課程設計等實踐環節的順利開展奠定了較好的基礎。更為重要的是，自主、合作、探究的學習過程讓學生真正成為了課堂的主人，學生不再是被動地接受和學習，而是自信、自主、快樂、滿足地學習和探索。

4? 創新實踐項目

“新工科”建設理念更為強調應用型、創新型和復合型的人才培養模式，單一模式的培養方案已無法滿足社會發展的需求，為此，《電路分析》的任課教師結合自身的科研方向，每年提供1～3個創新實踐題目供學生團隊選擇。學生團隊可根據自身特長和興趣進行選題，并在教師的指導和協助下自主完成創新性實驗方法的設計、實驗條件的準備、實驗的實施、數據處理與分析、報告撰寫以及成果交流等工作。

例如，在創新實踐項目《語音信號實時重構功能單元的設計》中，首先，學生需查閱科技文獻，理解基于激光多普勒振動測量原理的語音信號遠距離、非接觸、實時探測技術的實現原理，明確激光多普勒測振系統輸出信號的特征，細化并完善研究方案，制訂項目實施計劃;然后，依據真實環境中語音信號探測的實際情況，開展實時重構電路的功能仿真和降噪濾波器等模塊的配置參數模擬。其次，建立實時重構電路的Multisim仿真模型，進而獲得最優化的配置參數;在此基礎上，再借助Protel DXP軟件設計完成硬件電路并制板。最后，購買相關元器件并完成板級調試，再與激光多普勒測振系統進行聯調實驗，進而得到原始語音信息，實現語音信號的探測。在完成項目研究內容之后，學生還需對研究成果進行總結、展示并提交結題報告。

創新實踐項目為期一年，它是以科研項目為導向，幫助學生從科學問題出發，從理論和實踐兩個方面進行項目研究和探索。這種以創新實踐項目為牽引的課外培養模式，不僅可以提高學生的實踐能力，還可進一步調動本科生開展科研的主動性、積極性與創造性，引導學生運用已學知識發現和解決問題，激發學生積極主動獲取新知識和新技能的興趣，這對倡導以啟發探索和創新性實驗為核心的研究式學習起著積極的促進作用[14-16]。

此外，創新實踐項目可以幫助學生形成良好的團隊合作意識，學會有效溝通和協同互助，為后續參加大學生電子競賽、挑戰杯賽等競賽積累項目實踐經驗。

5? 生產實習

首先，生產實習可以增強學生對電子信息與電氣工程類專業的感性認識，幫助學生了解相關技術在工程企業中的應用以及專業基礎知識是如何與實際工程相結合的;其次，生產實習還可以讓學生盡早體驗真實的職場環境，有利于學生在工作后盡快完成從學校到職場、從學生到員工的角色轉變[17]，盡快進入工作狀態。

相對于以前在某一時間集體到大型國企實習的方式而言，現在的生產實習多采用分散式、自主式的方式進行。對于電子信息與電氣工程類專業的學生，學院會提供測試、通信、電力、控制等行業的龍頭企業作為實習基地，鼓勵學生走出去，學生則可根據自身專業和未來就業意向選擇其一進行實習。實習階段，校內有相關研究方向的教師給予指導，校外企業則會安排企業導師及時跟進并提供幫助;此外，各專業還會邀請相關企業導師到校做講座和報告，分享工程實踐經驗。通過校企合作這種實習模式，學生能夠清楚地了解自己的特長和不足，并能在實際操作中不斷改進和提高、豐富自己的社會經驗，在職場上少走彎路，找到更加適合自己的工作。

6? 結語

現代科學技術的不斷發展和進步，要求高校的人才培養模式要不斷探索和更新。該文以東華大學《電路分析》課程為例，在分析課程特點和難點的基礎上，系統研究了認識實習、課內實驗、實驗課程、創新實踐項目以及生產實習等多種實踐教學方式對提升學生綜合能力的作用。研究及實踐結果表明，多種實踐教學方式的綜合運用，有利于提高學生的創新能力和動手能力，能夠有效縮短學生從學校走向工作崗位的磨合期，與“新工科”的創新型、復合型人才的培養理念也非常匹配。

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