工程認證背景下的“模擬電子技術”教學改革

夏益民 蔡述庭 楊 健 謝 云 陳梅云

(1. 廣東工業大學 集成電路學院， 廣州 510006)(2. 廣東工業大學 自動化學院， 廣州 510006)

自2016年6月加入了《華盛頓協議》以后，中國也開始了與國際實質性等效的工程教育專業認證工作。傳統教育方式強調內容驅動和投入導向。工程教育認證是對教育范式的革新，遵循三大基本理念：成果導向、學生為中心、持續改進[1]。這些理念對提高工程人才培養質量、推動工程教育專業建設，具有很好的指導作用[2]。

近幾年工程教育專業認證，業界得出一個普遍共識：課堂教學是當前工程教育改革的“最后一公里軟肋”。全面展開課堂改革的過程，其實也就是準備專業認證的過程[3]。

“模擬電子技術”是電氣工程、自動化、電子等專業的一門重要專業基礎課。目前在該課程教學中存在以教師為中心、理論與實踐聯系不夠緊密、缺乏持續改進機制等問題。因此，作為以培養人才為主要職能的高校，在強調工程教育專業認證的大背景下，如何基于“模擬電子技術”課程，突出需求牽引，實現課程的綜合改革和持續改進以有效提升人才培養質量具有重要的現實意義。

1 傳統“模擬電子技術”教學存在的問題

1.1 教學跟不上產業需求與技術發展

工程教育專業認證突出成果導向，采用以需求為導向決定人才培養目標的逆向設計，再根據目標設置畢業要求和課程體系[1]。行業與用人單位，對所聘用人才素質能力的需求，很大程度上決定了專業教育的知識、能力和素質結構[4]。

隨著半導體技術和集成電路的飛速發展，傳統的教學方式已經不能適應時代和科技的發展，“模擬電子技術”課程教學面臨著新的挑戰，存在著教學內容脫離實際應用、課時有限導致教學內容難以拓展等問題[5]。針對上述問題，如何在教學工作中更好地對接產業需求，適應技術發展；如何在有限的課時內使學生不僅能夠掌握理論教學的根本和深度，而且能夠具備實踐和創新能力，已成為教學研究的重點[6]。

1.2 以教師為中心難以激發學生主動性

我國的工程教育專業認證通用標準，貫徹以學生為中心的理念，設置了學生、培養目標、畢業要求、持續改進、課程體系、師資力量和支持條件等七個指標。其中學生是第一指標[7-8]。

學生對以教師為中心、講授為主的課堂學習興趣不高，影響課堂教學效果及教學質量。同時，因為學時有限，為了鞏固課堂效果，教師只能布置大量作業，學生的大量時間浪費在分析、計算上。

傳統實踐環節以基礎驗證性實驗為主，采取老師課堂講解演示、學生重復驗證的實驗方式，學生只需在實驗箱上完成規定實驗的線路連接、數據/波形測試，工程實踐能力沒有得到很好的培養[9]。

1.3 缺乏對學習過程的監督與考核

根據《中國工程教育專業認證通用標準》，“持續改進”(第四節)部分，要求建立教學過程質量監控機制，明確各主要教學環節的質量要求，并應該定期評價課程質量和課程體系設置。

以平時成績為輔、閉卷考試成績為主的傳統考核方式，缺乏對過程進行有效檢測的機制。平時成績包括出勤和作業。出勤情況只能反映學生是否到堂上課，而不能反映他們是否認真聽講和思考問題。同樣，交上來的作業也很難反映學生是否認真解答。此外，以閉卷考試成績為主的考核方式，容易助長學生平時散漫考前突擊的風氣[6]。

這種以結果為中心的評價方式缺乏過程動態監控，功利導向明顯。成績評價只重視學生對大綱要求知識點的掌握，知識與能力脫節，難以充分反映學生的實際能力情況[10]。

綜上所述，“模擬電子技術”課程傳統的教學內容、教學方法和考核方式不能有效地激發學生的學習積極性，不利于培養學生的工程實踐能力和創新能力，難以滿足工程教育專業認證的要求。因此，改革勢在必行。

2 實行成果導向改革教學內容

2.1 適應產業技術發展及時更新教學內容

“模擬電子技術”教學內容應根據產業和技術的發展進行調整和優化[6]。有必要：①減少由分立元件構成的電路內容。分立元件組成的單元電路是集成電路的基礎，在課時有限的情況下，課堂教學中可以刪減復雜的多級放大電路和電流源電路等內容[11]。②補充實際集成運算放大器應用知識。傳統教學中偏重于理想集成運放的應用，與實際情況差異較大，需要補充相關知識。③調整三極管和場效應管角色。場效應管因其具有功耗小、容易集成等優點，應用越來越廣泛。場效應管逐漸取代或者至少處于不弱于三極管的位置，成為“模擬電子技術”教學內容的變化趨勢。

2.2 以課程思政建設增強專業自豪感

電子技術的發展是一個實踐不斷深化理論、理論持續引領實踐的科技創新發展歷程[6]。從1785年，庫侖確定了電荷間的相互作用力開始，到1975年，超大規模集成電路誕生。隨著集成電路的發展，我國的科技也取得輝煌的成果。北斗衛星、神州航天、5G通信、高鐵、量子通信……都是中國的核心技術，這些科技成果都離不開電子技術的基礎。通過簡要介紹電子技術的發展歷程，適時講解科學家的奮斗故事，可以激發學生的求知欲和進取心，并可以鼓勵學生的自信心和創新發明的興趣沖動。通過呈現一代又一代科學家的接力奮進，展示中國科技發展迄今取得的輝煌成就，鼓勵年輕一代肩負使命，致力于科技創新，為早日實現中華民族的偉大復興作出貢獻[12]。

3 推動以學生為中心改革教學方法

3.1 運用多種教學手段實施翻轉課堂

圖1為混合式翻轉課堂教學模式。教師主導教學過程，課前在線推送視頻、預習要求等，課中讓教學活動更加有效，課后及時評價反饋學生學習情況。學生作為學習主體，課前需要完成相關預習要求，課上采取小組合作等方式積極主動探究問題，課后通過作業等對所學知識予以鞏固和提高[13]。

“模擬電子技術”課程應根據不同內容的特點，綜合采用多種形式的教學手段，以達到最佳效果。綜合運用慕課、雨教室等教學手段，實施翻轉課堂的過程如圖2所示。具體實施階段如下：

課前階段：教師通過雨課堂發布學習任務，并組織學生通過課程組制作的慕課自主預習。

圖1 混合式翻轉課堂教學模式

圖2 混合式教學組織實施過程

課中階段：保留部分時間作傳統講授式教學，對知識點中的重點、要點和難點進行講解，采用“提出問題→討論問題→給出結論”的啟發式互動教學方式。通過隨機提問和雨課堂發布課堂測試等方式，了解學生是否認真自學及對知識點的掌握情況，從而及時調整教學內容和進度。留出部分時間讓學生分組談論，各小組整合討論成果并與其它小組交流，最后由教師點評各小組匯報內容。

課后階段：通過雨課堂發布課后作業和測試題，學生在線提交教師在線批改，學生根據結果對學習情況進行自我評價，教師根據完成情況進行評估和反思，相應調整下一輪的教學安排。

綜合運用慕課、雨課堂等多種教學手段實施翻轉課堂，有利于實現從“以教導學”到“以學定教”的轉變，激發學生的學習熱情和主動性，培養學生的自學能力、創新能力以及合作能力[14]。

3.2 采用項目驅動教學法突出能力培養

項目驅動法是教師根據課程內容和知識點提供項目任務，將知識點的學習與融會貫通整合到項目實施過程中。學生在教師的指導下積極運用所學知識，開展理論與實踐相結合的學習實踐活動。

在“模擬電子技術”教學中，通過項目驅動法將課程拆解為若干學習單元。每個單元以項目為線索，綜合運用多種教學模式，將知識點整合到項目任務中。項目驅動法能夠拓展學生的知識面，提高學生的積極性，使學生的綜合能力得到較大提升。實施方案如圖3所示。以“模擬電子技術”中擴音機電路的制作項目為例：該項目包含前置放大、音調控制和功率放大等模塊。其中前置放大模塊包含多級放大電路的組成、耦合方式、動態分析、性能指標估算等知識點。音調控制模塊包含放大電路的頻率特性、負反饋等知識點；功率放大模塊包含互補對稱功率放大電路等知識點。除此之外，還涉及每一模塊的仿真、制作、調試和系統整體的制作調試。

圖3 項目法教學實施方案

3.3 改進實踐教學提高工程實踐能力

由于課內學時有限，通過廣泛開展課外實踐活動的方式可以提高學生學以致用的設計能力和工程實踐能力。引入虛擬仿真、EDA技術到課外實踐項目中，利于學生及時發現問題并加以改正，從而提高設計效率。但是理論與實際有明顯差別，需要將實際設計和計算機輔助設計結合起來，在虛擬設計的指導下結合現實因素，才能設計出性能優良的電路。

以“模擬電子技術”課外項目實施為例，具體包含以下6個環節：

(1)自主組隊：2～3人一組，結合小組成員的興趣特長自主選題。

(2)方案論證：經過小組內部討論，設計系統方案，分析比較各種方案的優缺點，畫出系統框圖。

(3)仿真設計：根據設計要求和性能指標，確定設計方案，利用Proteus、Multisim等軟件先設計和仿真單元電路，再繪制完整的電路圖并進行整體的仿真。

(4)組裝調試：根據仿真結果，利用Altium Designer畫PCB圖、制板，在自制的電路板上進行焊接、調試，并將實物的測試結果與仿真結果進行對比和分析，分析判斷問題并排除。

(5)總結：電路測試結果是否滿足設計要求，總結電路特點、提出改進方向。

(6)撰寫報告、答辯：學生撰寫項目報告，準備答辯用的PPT、演示視頻等。教師針對項目存在的具體問題對組員提問，引導學生進行反思和總結。

4 圍繞學習成果產出改革考核評價體系

考核評價采取學習成果導向，實現評價的主體、內容、過程、方式多元化，如圖4所示。

圖4 成果導向的多元課程評價方式設計

以學生學習成果為導向，設計多元課程評價方式，制定三維課程評價體系，加強對學生學習過程和綜合能力的考核，促進對學習成果全方位、多角度的評價。這些措施，不僅能更真實地體現學生學習效果，而且能更好地促進學生積極學習、主動探索[16]。同時，有利于根據學習產出效果持續改進“模擬電子技術”課程。課程評價標準應充分反映學生的學習主動性，注重對學習過程的形成性評價[17]。

圍繞“模擬電子技術”課程學生學習目標和學習過程對考核內容和方式進行改革探索，改革后的考核內容和方式具有“抓過程”“考能力”的特點，考核內容如圖5所示，包括在線學習和測試、課堂答題、小組表現、筆頭作業、推送作業、仿真作業和項目設計。考核體系結構如圖6所示，包括基礎知識、電子電路分析、設計、工程實踐和綜合應用。

圖5 考核內容

抓過程：平時成績占總成績的50%，主要由課堂答題、小組討論、仿真作業、課外項目設計、在線學習等部分構成。豐富的過程考核，一方面加強對課堂教學的過程管理，另一方面有利于引導學生主動學習、積極實踐。

考能力：期末考試采取理論閉卷的形式，占總成績的50%，重點考查學生對模擬電路進行分析、設計和應用的能力，同時兼顧基本概念、基本原理和基本方法，考查學生綜合能力。

圖6 考核體系結構

5 結語

針對“模擬電子技術”課程存在的問題，教學團隊進行了一系列改革。實踐證明，以預期學習產出為中心，采用混合教學模式組織和實施“模擬電子技術”課程教學，學生的學習熱情得以激發，學生由“被動的”學習者向“主動的”探索者轉變，自覺學習意識大大加強，課堂參與度明顯提升。突出成果導向，強調模擬電路的設計與應用，學生的工程實踐能力和創新能力明顯提高，參加各類競賽和大學生創新項目的人數也大幅增加。圍繞學習成果產出改革考核內容和方式，構建立體化課程評價體系，問卷調查表明，學生普遍認為強化了仿真、設計和大作業等環節的考核方式對提升解決復雜工程問題能力很有幫助，同時有助于推動教學持續改進。

自動化學院本科生培養已采用了本教改成果，成效明顯，有較好示范作用。自動化專業和電氣工程專業分別于2017年1月和2019年1月順利通過了工程教育專業認證，具有較好的推廣應用價值。