“實踐、理論、線上、線下”四位一體的課程改革與實踐

王 蓉 王 歡 趙鑫泰 黎 飛 徐 建

(東南大學 信息科學與工程學院， 南京 210096)

“電子電路基礎”作為一門電子類的專業基礎課，其內容涵蓋了半導體器件、材料和工藝、放大器分析與設計、頻率響應與反饋、集成運放的應用、功率電路和振蕩器等內容[1]。課程對學生數學、物理、電路等基礎知識要求高，自身的綜合性和實踐性也強，難度大。學生需要自覺主動學習和思考，才能更好地領會該門課程。學生如果學習動機不純、缺乏學習興趣和正確的學習方法，容易滋生畏難情緒，學習效率不高甚至最終失去學習動力。這就需要在課程改革中深挖知識的廣度和深度，創新教學模式和方法，激發學生強烈的學習興趣，引導學生掌握正確的學習方法。

基于教指委改革項目、江蘇省重點研究課題項目和東南大學教改重點項目，提出了“實踐、理論、線上、線下”四位一體的“電子電路基礎”課程教學模式，激發了學生的學習興趣，使得學習效果得到普遍提升。

1 “電子電路基礎”課程現狀

1.1 理論實踐糅合度不夠

“電子電路基礎”課程是一門理論與實踐結合很強的課程，相關的實驗教學在加深學生對理論知識的理解，培養學生獨立解決問題能力、工程設計能力和正確的科學探究方法等方面非常重要。在理論和實踐結合方面，有的學校理論教師和實踐教師是分開的，造成進度不統一，理論實踐內容容易脫節等問題；有些學校雖然理論教師和實踐教師是統一的，但理論課和實踐課割裂為兩門課程，沿用了傳統的先理論授課再學生實踐的教學模式。先學習再應用，兩個階段分割清晰，雖對加深理論知識理解有一定益處，但不利于學生通過實驗去發現、去研究、去創造、去解決的思維模式培養[2-5]。因此，需要一種更加一體化的模式加強理論與實踐的結合，從內容到形式上，把理論和實踐課程真正糅合在一起，做到理論課中有實踐驗證，實踐課上有理論探索，讓學生既能學會從實踐中探索真理，又能學以致用的用理論去解決問題。

1.2 缺乏深入師生教學互動

通常主要的教學活動中，理論課上，教師以傳統授課形式為主；實驗課則普遍采用學生自主實踐，輔之以課上提問、驗收、答疑等方式。但無論理論或實驗課上，均缺乏深入的探究性討論和圍繞實驗發現問題的研究性指導，學生難以加深對所學知識的理解，且認知水平和自主探究解決問題的能力也不易提高。由于課堂時間的緊張，迫使師生互動受限。不過，“互聯網+”的發展使線上資源極為豐富，為學生的自主學習提供了大量的素材和機會[6]。

本課程完成了在線課程建設、口袋實驗室使用、智慧教室開放等的硬件環境建設[7]，為隨時隨地的課堂實踐做好了充分準備。因此，課程改革中，建立線上、線下理論實踐一體的教學模式，壓縮課堂純理論授課時間，深入開展理論和實踐糅合一體的研究型教學得以開展。

2 四位一體“電子電路基礎”課程教學模式

2.1 實踐導學與理論強基完全糅合

理論和實踐，孰先孰后，各有利弊。先做實驗，可以培養學生用實驗的方法去發現問題和解決問題；先學理論，可以讓學生在后續的實驗中加深對理論的理解。教學實踐證明：學生實驗中遇到的各種問題，是最好的教學資源和研討契機；在課堂中和學生一起發現實驗中的問題，探索解決問題的方法，是最好的探究性教學形式之一。為了更好地發揮理論和實踐對學習的互促作用，課程改革將理論課64學時和實驗課的32學時完全打通，每周2次課，每次3學時，實施小班化教學。不再區分理論課或實踐課，從內容到形式上，把理論和實踐課糅合在一起，理論課中有實踐驗證，實踐課上有理論探索。重新劃分課程知識圖譜，梳理理論和實踐課程內容。合理地安排哪部分內容先理論再實踐，哪部分內容先實踐再理論，哪部分內容是探究性內容，適合采用學生線上學習，哪部分內容適合在線下和教師翻轉互動，共同探索解決問題的方法。總之，在強化師生教學互動中，切實激發學生的求知興趣、提高探索性思維方法和解決復雜工程問題的能力。

2.2 四位一體實例1

晶體三極管是“電子電路基礎”課程涉及的重要器件，教材中通常會介紹晶體三極管的工作原理，分析模型，分析方法及常見應用。對學生來說，這是一個全新的非線性有源器件，這部分需要“理論強基”，使學生深入理解它的基本工作原理，例如放大、飽和和截止三種工作模式，大、小信號模型和分析方法，只有真正掌握這些，學生方能進一步應用三極管特性構建各種功能電路，如放大器等。

三極管在放大器中使用時，靜態工作點的合理設置是前提。在講解了基本偏置方法和靜態工作點求解后，學生需進行驗證性實驗。在圖1所示電路中，給出雙極型晶體管2N3904的β和VBE(on)，讓學生計算T1的各極電流和電壓，再在Multisim中用直流靜態工作點仿真對比驗證。給該電路加上輸入信號和適當的電容形成一個晶體管放大器之后，用瞬態仿真測試晶體管放大器的波形和增益，如圖2所示。

圖1 晶體三極管靜態工作點分析電路

圖2 晶體三極管放大器電路

課后布置實踐作業，將圖2中的20 KΩ電阻分別改為8 kΩ和30 kΩ，再進行直流工作點仿真，判定三極管的工作模式，并進行瞬態仿真，觀察輸入輸出信號波形。記錄發現：兩種情況下，三極管均工作于放大模式，但是學生會發現輸出波形失真。引導學生認真思考個中原因，提示他們在課本和在線課程的“三極管的偏置電路”單元中尋找原因來解釋該現象。

翻轉課堂上，請學生講解研究結果，引導學生在實踐發現和自學理論的基礎上，探索發現“靜態工作點設置的合理性問題”。

放大器基本電路，要實現不失真放大，必須選取VIQ使靜態工作點設置在放大區，且遠離截止區和飽和區，如圖3(a)中的Q點。若Q點設置靠近截止區(Q′)，則輸入電壓負峰值的一部分進入截止區而使輸出信號電壓的正峰值附近被削平。若移向飽和區(Q″)，則輸出信號電壓負峰值的一部分進入飽和區而被削平。這種被削平的截止失真和飽和失真，統稱為平頂失真。

(a)放大器基本電路

(b)圖解分析法畫出的波形圖3 靜態工作點的合理設置

偏置點的合理性設置問題在平時的學習中較難體現，學生感受不深。通過實踐發現問題，再布置自學線上內容“三極管的偏置電路”，讓學生自行尋找原因，解釋實踐中發現的問題。翻轉探討理論的方式，可以給學生更加直觀的感受，理解偏置點設置對放大器的重要作用。

2.3 四位一體實例2

多級級聯放大器的電壓增益為各單級放大器電壓增益的連乘積，但是在計算各單級放大器指標時，必須考慮多級放大器中的前后級之間耦合方式的選擇及由此帶來的級聯負載效應。布置課后實踐作業，將同樣的放大器兩級直接級聯，如圖4所示。探索是否可以實現Av總=Av×Av=Av2。提示學生在課本或在線課程上“多級放大器”章節里尋找答案。

圖4 兩級直接級聯放大器

翻轉課堂上，請學生講解研究結果，帶領學生一起研究圖4電路的問題，學會放大器增益異常的檢測方法：關鍵是首先檢查直流工作點。介紹多級放大器的三種級聯方法：耦合連接、隔直連接和直接連接。直接連接時，重點是討論前后級的直流工作點互相影響該如何處理。再研究隔直流連接。最后，如圖5所示將兩級放大器采用電容耦合，仿真讀出第一級、第二級和總電壓增益分別為Av1、Av2、Av，指出此時的總增益并不等于單級放大器仿真增益的乘積，從而引導學生思考負載效應對級聯放大器的影響，最終讓學生掌握正確的多級放大器的分析和設計方法。

圖5 電容耦合級聯兩級放大器

多級放大器的分析和設計對學生而言，都有一定的挑戰度，主要是對負載效應缺乏直觀認知。通過實踐發現的問題，可以自學在線課程中的“多級放大器”章節來尋找原因，并對實踐發現的問題，給出合理的解釋。翻轉探討理論的方式，可以讓學生更好地掌握多級的設計技巧，對負載效應等有更深入的理解。

3 四位一體教學法考核

四位一體的教學模式提升了師生互動機會，實現了對學生學習的“過程監控”，讓學生逐步提高自學能力、發現問題、分析問題和解決問題等綜合素質能力。因此在這個模式中，對于學生的評價也要充分考慮到這些方面，在理論課和實踐課的最終成績評定上建立多元化的課程考核體系：理論課，平時成績占20%、月考兩次占20%、期中考試占20%、期末考試占 40%；實踐課，平時成績占20%、4次課后完成的設計型實驗占80%。

課程考核體系較之前更重視平時成績表現，學生用所學知識回答實踐中遇到的問題體現到書面報告和課堂討論上，該部分和平時作業共同構成了理論課平時成績的20%；而實驗中提出問題、分析問題體現到書面報告和課堂討論，構成了實踐課平時成績的20%。另外，作為實踐課考核的重頭戲，4項設計型實驗課題(放大器、信號發生電路、振蕩器和功放)在學期中分階段完成，綜合考察學生對知識的分析和融會貫通能力以及實際動手操作和調試能力。每一個設計課題評價原則上包括：設計方案合理性和創造性、硬件制作和測試情況、解決問題能力和答辯能力及報告書寫能力。

該考核模式全方位全過程考察了學生在不同階段所表現出的理論學習、知識應用和技能等綜合素質，有效地反映了學生學習的各階段成果。

4 學生反饋

在20-21學年第1學期的“電子電路基礎”課程，按照四位一體的教學模式進行了授課。圖6是授課課堂的現場照片。學生對所學課程內容和模式各自發表了自己的認識。部分學生的認識列舉如下：

(a) 課堂探究發現

(b) 課堂硬件實驗圖6 四位一體的課堂實錄

2019級2班易同學：之前的學習大部分還是側重于書本內容，與實踐結合的并不是非常緊密。而電子電路實驗貫穿整個課程和學期，與所學內容緊密結合，課堂上實驗探索問題啟發了我的思維，線上課程讓我學會自學知識、解釋問題；實際電路設計和測試鍛煉了動手實驗的能力，實驗理論結合加強了課本知識的鞏固。

2019級2班朱同學：電子電路實驗讓我對思考問題有了全新的認識，課堂探究時，當我改變一個參量時，考慮的不僅僅是直接影響，還要考慮例如直流工作點等很多方面的影響，并從頭開始繼續研究電路。

5 結語

“電子電路基礎”內容涵蓋廣，難度大，綜合性和實踐性強，對學生主動學習和自發思考都有極高的要求。本文在深度挖掘課程特點和充分利用課程線上、線下資源的基礎上，以激發學生學習興趣，引導學生學習方法，提升學生探索精神和實踐能力為目標，創新地提出“實踐、理論、線上、線下”四位一體的教學模式和方法，取得了很好的教學效果。