“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(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革對高校教育提出的挑戰(zhàn)，國家提出了“新工科”的建設理念，強調(diào)創(chuàng)新性和復合性的教育理念和人才培養(yǎng)模式。新的人才培養(yǎng)模式對于實踐教學提出了新的要求。現(xiàn)以電子信息與電氣工程類專業(yè)為例，通過對《電路分析》理論課課內(nèi)實驗、認識實習、實驗課程、創(chuàng)新實踐項目等環(huán)節(jié)的分析研究，探索實踐教學方法和方式的改革和創(chuàng)新。具體實踐表明，上述實踐教學方案對培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型人才具有較好的效果。

關(guān)鍵詞：新工科? 人才培養(yǎng)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(chǎn)業(yè)升級變革對高校工程人才培養(yǎng)提出的新挑戰(zhàn)，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(chuàng)新發(fā)展，為實現(xiàn)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(yè)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(yè)，經(jīng)過多年的發(fā)展，已在自動控制等領(lǐng)域形成了自己的特色和優(yōu)勢[4]。上述4個專業(yè)的學生通過強電和弱電、軟件和硬件以及元件與系統(tǒng)等知識的學習，獲得電子技術(shù)、電氣控制、自動化、通信以及計算機應用等領(lǐng)域的基本技能，培養(yǎng)分析和解決信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H問題的能力，進而成為自動化、電氣工程、信息技術(shù)等領(lǐng)域的寬口徑、復合型高級工程技術(shù)人才。

在電子信息與電氣工程類專業(yè)的課程體系中，《電路分析》是一門重要的專業(yè)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(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，為電類專業(yè)后續(xù)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(tài)電路的復頻域分析和二端口網(wǎng)絡等理論知識的同時，還需在16學時內(nèi)完成配套的電路實驗課程，這對于初學電路、缺乏經(jīng)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(nèi)容學習的目的。傳統(tǒng)的《電路分析》的實驗課程內(nèi)容僅是對經(jīng)典的電路理論進行驗證，缺乏有關(guān)電路分析方法的實踐以及實用化電子線路的設計與調(diào)試，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(nèi)容廣泛之間的矛盾，還能合理兼顧傳授知識與培養(yǎng)能力的需求;所培養(yǎng)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(yè)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(fā)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(jié)合行業(yè)的發(fā)展，滿足國家產(chǎn)業(yè)提升的人才需求[7]。

1? 認識實習環(huán)節(jié)

《電路分析》是電子信息與電氣工程類專業(yè)學生的第一門專業(yè)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(yè)實習。認識實習環(huán)節(jié)旨在借助技能訓練幫助學生掌握后續(xù)專業(yè)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(yè)課程的學習興趣，為將來從事相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)研究工作奠定基礎。

認識實習環(huán)節(jié)共計5周，主要內(nèi)容包括規(guī)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(shù)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(gòu)成的電路和所需的虛擬儀器、儀表集合為一體的。與傳統(tǒng)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(diào)試、參數(shù)的測試分析以及數(shù)據(jù)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(wěn)態(tài)分析以及瞬態(tài)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(diào)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(nèi)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(shù)的測量實驗、電路功率因數(shù)的提高實驗、串聯(lián)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(diào)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(nèi)容，并詳細記錄實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象;調(diào)試過程中，需要學生合理分析并解決實驗中出現(xiàn)的問題，強調(diào)獨立思考;最后，準確處理數(shù)據(jù)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(nèi)容，以期更好地培養(yǎng)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(nèi)實驗

電路實驗在《電路分析》的教學環(huán)節(jié)中扮演著重要的角色，在培養(yǎng)高質(zhì)量創(chuàng)新人才和全面提高學生綜合素質(zhì)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(nèi)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(huán)節(jié)中增加Multisim仿真實驗內(nèi)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(jù)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(jié)合仿真實驗測量結(jié)果及理論推導講解相關(guān)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(xiàn)象、測試結(jié)果并排除故障，完成電路參數(shù)的測量。

另外，學生還需以團隊的形式完成一次課程大作業(yè)[12-13]，大作業(yè)的內(nèi)容較為綜合且具有一定的難度和挑戰(zhàn)性。例如，在講解“含有運算放大器的電阻電路”這一章節(jié)之后，任課教師會圍繞“濾波器的設計”布置大作業(yè)。首先，任課教師給出電路的具體參數(shù)設計要求和大體思路，以便學生能夠有針對性地進行技術(shù)調(diào)研和方案設計。在確定設計任務之后，學生組隊并根據(jù)個人興趣和專長進行任務分工，包括相關(guān)技術(shù)的發(fā)展調(diào)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(yè)的過程中，如遇到問題，學生可進行組內(nèi)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(jié)。

經(jīng)過幾個學期的實踐，基于Multisim仿真平臺的拓展實踐環(huán)節(jié)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(xù)小規(guī)模、綜合型電路實驗以及數(shù)模電課程設計等實踐環(huán)節(jié)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(chuàng)新實踐項目

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

例如，在創(chuàng)新實踐項目《語音信號實時重構(gòu)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(shù)的實現(xiàn)原理，明確激光多普勒測振系統(tǒng)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(jù)真實環(huán)境中語音信號探測的實際情況，開展實時重構(gòu)電路的功能仿真和降噪濾波器等模塊的配置參數(shù)模擬。其次，建立實時重構(gòu)電路的Multisim仿真模型，進而獲得最優(yōu)化的配置參數(shù);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(guān)元器件并完成板級調(diào)試，再與激光多普勒測振系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)實驗，進而得到原始語音信息，實現(xiàn)語音信號的探測。在完成項目研究內(nèi)容之后，學生還需對研究成果進行總結(jié)、展示并提交結(jié)題報告。

創(chuàng)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(fā)，從理論和實踐兩個方面進行項目研究和探索。這種以創(chuàng)新實踐項目為牽引的課外培養(yǎng)模式，不僅可以提高學生的實踐能力，還可進一步調(diào)動本科生開展科研的主動性、積極性與創(chuàng)造性，引導學生運用已學知識發(fā)現(xiàn)和解決問題，激發(fā)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(fā)探索和創(chuàng)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(chuàng)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(xié)同互助，為后續(xù)參加大學生電子競賽、挑戰(zhàn)杯賽等競賽積累項目實踐經(jīng)驗。

5? 生產(chǎn)實習

首先，生產(chǎn)實習可以增強學生對電子信息與電氣工程類專業(yè)的感性認識，幫助學生了解相關(guān)技術(shù)在工程企業(yè)中的應用以及專業(yè)基礎知識是如何與實際工程相結(jié)合的;其次，生產(chǎn)實習還可以讓學生盡早體驗真實的職場環(huán)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(zhuǎn)變[17]，盡快進入工作狀態(tài)。

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(xiàn)在的生產(chǎn)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(yè)的學生，學院會提供測試、通信、電力、控制等行業(yè)的龍頭企業(yè)作為實習基地，鼓勵學生走出去，學生則可根據(jù)自身專業(yè)和未來就業(yè)意向選擇其一進行實習。實習階段，校內(nèi)有相關(guān)研究方向的教師給予指導，校外企業(yè)則會安排企業(yè)導師及時跟進并提供幫助;此外，各專業(yè)還會邀請相關(guān)企業(yè)導師到校做講座和報告，分享工程實踐經(jīng)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(jīng)驗，在職場上少走彎路，找到更加適合自己的工作。

6? 結(jié)語

現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，要求高校的人才培養(yǎng)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(tǒng)研究了認識實習、課內(nèi)實驗、實驗課程、創(chuàng)新實踐項目以及生產(chǎn)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(jié)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(chuàng)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(chuàng)新型、復合型人才的培養(yǎng)理念也非常匹配。

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