基于“三維協同”的電子電路課程教學改革與創新實踐

［摘 要］隨著電子信息領域的迅猛發展，國內外高校紛紛對電子電路課程進行教學改革，以滿足新時代高素質工程人才的需求。文章針對當前電子電路課程中存在的課程體系割裂、內容滯后、教學方法單一及評價機制局限等教學“痛點”，提出了教學內容更新、教學方法創新、評價機制完善等“三維協同”的教學改革方案，包括引入自頂向下的復雜系統設計理念、強化學科交叉深度融合、采用案例教學法與類比教學法、建立以全過程學業評價為核心的多維評價體系等策略。通過實施電子電路課程教學改革，高校可以培養具有創新意識和實踐能力的高端人才，以滿足社會對復合型人才的需求。

［關鍵詞］電子電路課程；教學改革；案例教學；類比教學；多維評價體系

［中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2025）15-0051-05

黨的二十大報告指出，必須堅持科技是第一生產力，人才是第一資源，創新是第一動力。新質生產力是貫徹黨的二十大精神的重要動力之一，其特點是創新，核心是質優，本質是先進生產力[1]。新質生產力的引入將推動高等教育教學理念、內容、方式、評價等方面的全方位創新性變革，為教學質量的全面提升提供強大動力?。新質生產力的發展離不開高素質新型勞動者的培養。作為人才培養的主要途徑和關鍵陣地，課程與教學如何更好地滿足新質生產力發展的需求？這需要通過課程與教學改革，優化體系結構，整合升級課程資源，以合適的方法切實推動人才培養高質量發展[2]。

電子電路課程主要包括模擬電子線路（以下簡稱模擬電路）和數字電路與邏輯設計（以下簡稱數字電路）兩門子課程，是高校電子信息類專業重要的專業基礎課程，為集成電路、5G通信技術、人工智能、機器人等領域高端科技人才的培養奠定堅實的硬件基礎。本文將分析電子電路課程存在的教學“痛點”，提出符合工程教育OBE理念的課程內容、教學方法、評價方式“三維協同”的教學改革方案，為培養具備新時代創新能力和實踐能力的高素質工程人才提供有力支撐。

一、“挑戰”——電子電路課程教學改革的國內外研究進展

在電子信息領域，國內外高校紛紛進行了課程更新和改革，以適應快速發展的技術趨勢和學生的需求。國外高校如斯坦福大學對課程設置進行了改革，強調系統級概念而非孤立的器件設計，強化軟硬件聯系，更注重實踐應用[3]。針對模擬電路課程，側重電子線路模型教學，引導學生用簡單模型分析復雜系統，同時以系統的觀點整合概念模型并分析系統設計。針對數字電路課程，以計算機系統為案例，貫穿課程始終，介紹數字硬軟件的設計和構成，從晶體管設計門電路到只讀存儲器（ROM），進一步過渡到Verilog語言和現場可編程門陣列（FPGA）的使用，最終要求學生基于微序列器和外部存儲器設計一個整數運算器。麻省理工學院電氣工程與計算機科學系則對模擬電路和數字電路兩門課程的傳統教學模式進行了改革[4-5]。改革后的兩門課程完全采用實驗案例式教學模式，即從實踐到理論再到實踐的模式，引導學生通過實驗案例歸納模型、強化概念認知，并以此鼓勵學生探索創新。

與國外知名院校的課程體系改革相比，國內清華大學、北京大學、浙江大學、上海交通大學等高校對電子信息類基礎平臺課程進行了重新整合和優化，并提出了許多具有建設性的改革思路和意見[6]。這些高校借助智慧平臺、仿真平臺及學科競賽活動的開展，強化了“模數綜合型、復雜設計型、工程問題型、案例項目型”的教學改革。尤其是一些“雙一流”高校，借助“項目式”管理方式培養學生形成良好的研究意識和研究習慣，為他們今后從事科學研究奠定了堅實基礎，這是非常值得借鑒的方法。

二、“痛點”——電子電路課程存在的教學問題

當前，集成電路已進入后摩爾時代，器件尺寸逼近物理極限，電路性能觸及瓶頸，集成電路產業需突破極限開展技術革新。同時，人工智能、大數據、邊緣計算、量子通信等一系列新概念、新技術蓬勃發展，為電子信息領域的發展注入了新的活力。新時代背景下，國家亟須培養具備復雜工程設計能力、真實問題解決能力、仿真工具開發能力和學科交叉融合能力的電子信息領域高端人才。為滿足這一需求，各高校需不斷調整和優化教學內容，不斷革新教學模式。然而，電子電路課程在對這些能力進行培養時仍存在以下不足。

（一）傳統的電子電路課程內容與教學模式缺乏系統性、實踐性

模擬電路和數字電路課程仍然保持相對封閉獨立的知識體系，部分教師仍按照傳統的基本電路分析到模擬電路再到數字電路的內容順序進行講解，各個部分內容之間的銜接和聯系不夠緊密。傳統的電子電路課程內容偏重分析而忽視設計，強調單一模塊卻缺乏系統性；傳統的電子電路課程教學模式注重理論而輕視實踐，又囿于學科本域，未能實現交叉融合。這些問題使得學生復雜工程設計、真實問題解決、跨學科應用等能力培養受到限制，且部分教師對固有教學模式較為依賴，教學改革難以有效推進[7-9]。

（二）引進的科研項目與其他學科融合的力度不強

高校倡導科教融合，但部分高校引進的科研項目內容相對簡單，與其他學科融合的力度不強，學科與學科之間界限分明，與前沿科技結合不夠緊密[10]。

（三）課程考核忽略過程評價與學習成果評估

部分高校的課程考核方式仍以閉卷考試為主，評價方式更傾向于考查結果而忽略過程，未能關注在教師主導下以學生為主體的研究性學習過程，直接導致學生只注重理論應試，而忽視研究性學習成果的評估，從而脫離了理論與實踐的結合[11]。

三、“三維協同”的電子電路課程教學改革

為了改變傳統的教學模式，電子電路課程的教學改革需從教學內容更新、教學方法創新和評價機制完善上“三維協同”，破除教學“痛點”，提升教學質量。電子電路課程教學改革依托貝爾英才學院進行。該學院自2010年成立以來，始終致力于推動教育教學改革，被譽為教學與管理改革特區。作為培養拔尖創新人才的榮譽學院，貝爾英才學院實施了選拔制、導師制、滾動制以及小班化、個性化、國際化的“三制三化”人才培養模式，為學生提供了更為精細化和個性化的教育。同時，依托小班化的研究性教學，貝爾英才學院積極開展了電子電路課程教學改革，進一步提升了教學質量和學生的創新能力。面向國家急需電子信息領域高端人才的現狀，課程團隊重點圍繞提升學生復雜工程設計能力、真實問題解決能力、仿真工具開發能力、產業發展預判能力、學科交叉融合能力及培養學生科技報國情懷實施電子電路課程教學改革，探索建立與教學內容深度契合的課程思政案例庫，以期為國家培養電子信息類高端科技人才。

（一）“重組”——注重前沿、學科交叉，實施電子電路課程內容改革

首先，將電子電路課程內容從“以電路分析為主”轉變為“以系統設計為主”，推行自頂向下的復雜系統設計理念，打破經驗式設計傳統，對接行業應用，為學生播下系統設計的種子。例如，在數字電路課程中引入自頂向下設計方法，即按照系統級→子系統級→部件級→元件級進行分層級設計。在整個設計過程中，應盡量運用概念化（即抽象）方法對設計對象進行描述和分析，不急于考慮具體電路、元器件和工藝的實現，以抓住主要矛盾，避免糾纏于具體細節。該方法打破了傳統的按照元件級→部件級→子系統級→系統級進行層次設計的試湊法，可實現系統化、清晰易懂、可靠性高且可維護性好的設計。

其次，電子電路課程內容更加注重前沿性，需引入Science、Nature等前沿期刊的最新進展和研究成果，如類腦計算、FPGA、憶阻器、深度學習等，并建立文獻閱讀庫。

再次，從行業前端、科研項目、學科競賽中挖掘知識點和案例，拓展電子電路課程內容的廣度和深度，構建全新的知識圖譜，尤其要對復雜工程設計、真實問題解決和仿真工具開發方面加以強化。此外，注重理論與實踐的有機融合，使學生在深入理解理論的同時提高解決實際問題的能力。

從次，電子電路課程內容注重與交叉學科的融合，并與現代前沿科技接軌，如無線電通信、信息安全、生物醫學、材料科學等學科領域的前沿科技，為學生提供一個多維度、系統化的學習體系。

最后，電子電路課程內容注重與科研的融合。建立多學科項目—導師制科研團隊，利用科研反哺教學，將科研成果凝練成腦機接口、醫療診斷、能源優化等電子電路課程教學案例，以提升學生的交叉融合能力。科教融合將使學生在職業生涯中更具競爭力，能夠勝任不同領域的工作。

（二）“內化”——激發熱情、自主學習，實施電子電路課程教學方法改革

課程教師在課堂實施中側重問題導入、多維思考、團隊合作、問題升華，以期真正喚起學生的學習欲望，培養學生的自主學習精神，提升學生的產業發展預判能力。在教學方法上，以案例教學和類比教學為核心，激發學生的熱情，鼓勵學生主動探究。

案例教學是電子電路課程教學中一種非常重要的方法，但必須建立有深度、有交叉、有應用的優質案例庫。教師可從案例庫中選取合適的案例應用在課堂教學中，引發學生深度思考、產生持續學習的欲望，最終幫助學生成為自主學習者。以電子密碼鎖的設計為例，教師引導學生通過自頂向下的設計方法，設計并運行一個具備設置密碼、退位操作、萬能密碼等功能的電子密碼鎖系統，具體設計要求包括密碼輸入、顯示、比較和輸出電平控制等模塊。學生將通過邏輯設計和硬件實現，掌握從算法流程圖到控制器、電路設計的完整流程。這樣的教學不僅強化了學生的數字邏輯設計技能，還培養了他們的系統設計思維和問題解決能力。

類比教學法是電子電路課程教學中另一種非常重要的方法。電子電路課程教學涉及大量的微觀世界知識，如原子中的電子——空穴的運動及其物理特性、PN結空間電荷區的形成等，內容抽象難懂。同時，其應用場景如無線通信、信息加密等概念也較為深奧難懂。教師可以通過類比案例，讓知識點變得形象生動，將看不見摸不著的微觀知識精妙地講解清楚，讓學生更容易掌握課程的難點。例如，m序列信號發生器的應用背景為碼分多址（CDMA）技術，為了清楚解釋這項技術，教師先把蜂窩內基站和多個手機之間的通信類比成教室內教師和多個學生的交流，生動形象地解釋了信號混疊現象。再用時間、房間和語言區分學生，分別類比時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）和CDMA技術，用一種語言類比一個正交碼，清楚地解釋了CDMA技術的低功耗、大容量特點。

（三）“測維”——全面衡量、多維雷達，實施電子電路課程教學評價改革

為了滿足社會對多維綜合型人才的需求，課程團隊提出了全面改革電子電路課程教學評價的方案。該方案以全過程學業評價為核心，結合教學大綱制訂研究性教學實施方案，建立了科學規范的成績評定機制；加強過程性評價，通過全面衡量、多維雷達構建以問題解決能力和學習過程表現為核心的多維評價體系。

1.全面衡量：多維能力評價體系的構建

構建多維能力評價體系，需從復雜系統設計、問題總結凝練、硬件故障解決以及團隊協作等多個方面對學生進行全面考查。具體包括：（1）復雜系統設計能力。引導學生從理論學習走向實踐，培養其在解決復雜技術問題中的創造性思維。（2）問題總結與凝練能力。在課程中加入前沿論文閱讀、小組討論、讀書報告、設計報告等環節，啟發學生提出創新解決方案。（3）硬件故障解決能力。設置針對實際硬件問題的解決任務，考查學生分析和解決問題的實踐能力。（4）團隊協作能力。通過團隊項目和團隊作業，培養學生協同工作、溝通合作及實現團隊目標的能力。

2.結合教學大綱：設計研究性教學評價方案

為確保教學改革目標的實現，課程團隊以教學大綱為基礎，整體設計了電子電路課程的研究性教學評價方案。具體如下：（1）課程目標導向。圍繞科研創新能力培養目標，設計評價體系指標。（2）有序教學導向。依據不少于四項的具體教學環節及各環節的時間安排，確定評分權重、考核方式及階段性評價標準，確保過程性評價有序開展。（3）課程思政導向。考查教師是否在至少一個教學環節融入課程思政，實現課程思政教育和專業教學的深度融合。（4）鼓勵創新導向。考查教師是否能根據課程特點設計創新性、個性化的教學環節，避免過于依賴考勤、課堂提問等傳統評價方式。

3.科學規范：合理評定學生學習成績

電子電路課程過程評價的成績占總評成績的40%至60%。任課教師根據各環節的評價標準，采用動態評定方式對學生進行科學、合理的成績評定。具體包括：（1）項目過程評價。教師分別給出團隊成績和個人成績，以平衡小組合作與個人表現的關系。（2）動態評定機制。任課教師根據教學進度及各環節學生的表現動態評定平時成績，并及時向學生公布考核標準，以增強評價的透明度與指導性。（3）結合學科競賽與實踐激勵創新。學科競賽作為檢驗學生實踐能力的重要活動，被納入課程評價體系。同時，學校對在此項活動中表現突出的學生給予獎勵，并鼓勵學生將在競賽中遇到的問題反饋給教師，以便教師進一步強化教學內容與學術前沿的結合。

四、結語

電子電路課程圍繞教學內容更新、教學方法創新和評價機制完善展開教學改革，解決了傳統教學中內容單一、方法固化、考核片面等“痛點”問題。通過在課程中引入前沿科技成果和復雜工程項目，實現學科交叉融合，“重組”教學內容，強化理論與實踐的深度結合。在教學過程中采用案例教學法和類比教學法，激發學生的學習熱情，引導學生自主學習，“內化”教學方法，提升學生的問題解決能力和團隊協作意識。評價機制融入多維考核方式，以全過程學業評價為核心，建立起多維能力導向的評價體系，實現全面衡量。“三維協同”的電子電路課程教學改革，全面提升了課程的系統性、前沿性與實用性，增強了學生的創新意識和實踐能力，為新工科發展提供了有力支撐。

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［責任編輯：鐘 嵐］