機(jī)械學(xué)科大類《模擬電子技術(shù)》教學(xué)體系的再設(shè)計(jì)

1、機(jī)械學(xué)科大類模擬電子技術(shù)教學(xué)體系的再設(shè)計(jì)摘要：開展機(jī)械學(xué)科大類模擬電子技術(shù)教學(xué)體系再設(shè)計(jì)，其核心目標(biāo)是對原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化、整合，實(shí)施以問題為中心的理論教學(xué)體系與實(shí)際制作為驅(qū)動的實(shí)踐教學(xué)體系的重新設(shè)計(jì)，有效縮短理論課和實(shí)際應(yīng)用間的距離，并在機(jī)械學(xué)科大類本科教學(xué)中具體實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。關(guān)鍵詞：機(jī)械學(xué)科；模擬電子技術(shù)；教學(xué)體系再設(shè)計(jì) 一、問題的背景近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會對人才的需求格局發(fā)生了很大的變化，研究型、創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)已成為世界一流高校人才培養(yǎng)的共同目標(biāo)。建立由“知識傳遞型”教育向“能力培養(yǎng)型”轉(zhuǎn)變的教學(xué)模式已成為新的歷史條件下高校教學(xué)改革亟待解決的問題。然而

2、對于機(jī)械學(xué)科大類各專業(yè)的學(xué)生來說，一方面對電類課程的學(xué)習(xí)本身就存在一定的困難，另一方面電類課程理論學(xué)習(xí)后又鮮有應(yīng)用的機(jī)會，等到真正需要應(yīng)用時(shí)，卻早已將學(xué)過的知識忘記了，因此對于機(jī)械學(xué)科大類電類課程的培養(yǎng)目標(biāo)不僅是課程內(nèi)容和知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，更重要的是綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)。以課程群建設(shè)為目標(biāo)的教學(xué)改革正悄然興起，國內(nèi)一些著名高校如上海交通大學(xué)、重慶郵電大學(xué)、西安交通大學(xué)等分別開展了以電路、電子、計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)等幾大知識模塊所涉及的若干門課程為核心的，面向電子工程大類或非電類的技術(shù)基礎(chǔ)課程體系建設(shè)，有的與stanford、berkeley、mit等國際一流大學(xué)相關(guān)學(xué)科的課程設(shè)置相似或完全相同，將該課程體

3、系作為工科學(xué)生教學(xué)的公共平臺。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)科大類本科教學(xué)體系結(jié)合學(xué)院“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”的培養(yǎng)要求，課程組成員結(jié)合基礎(chǔ)課和專業(yè)課的實(shí)際聯(lián)系和知識點(diǎn)的情況，建立以服務(wù)于機(jī)電一體化寬口徑人才培養(yǎng)需求的電類課程群。模擬電子技術(shù)是機(jī)械學(xué)科大類各專業(yè)本科教學(xué)體系中的一門重要基礎(chǔ)課程，作為電類課程群中不可或缺的一份子，具有承上啟下的重要作用，該課程的基本概念多、理論抽象、工程特征突出、電路形式多樣，在過去的教學(xué)過程中學(xué)生普遍反映學(xué)時(shí)緊、任務(wù)重、收獲小，無論是理論教學(xué)環(huán)節(jié)還是實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)都比較單調(diào)，既難以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又不利于學(xué)生對知識與技能以及課程的真正意義融會貫通。為此，有必要根據(jù)本課程與

4、后續(xù)課程的聯(lián)系以及社會的需求，制訂有針對性的教學(xué)內(nèi)容，形成知識模塊與能力培養(yǎng)相交織的教學(xué)體系，并建立由“知識傳遞型”教育向“能力培養(yǎng)型”轉(zhuǎn)變的教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，促成從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變。二、研究內(nèi)容的定位隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、性能到應(yīng)用水平都已發(fā)生了革命性變化，結(jié)構(gòu)上已出現(xiàn)機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)并存的局面，社會對機(jī)械類人才的專業(yè)知識背景及能力的需求有較大改變，經(jīng)過課程組的反復(fù)研討和調(diào)研，特別是從對人才培養(yǎng)目標(biāo)知識的需求著手，逆向推論并分析與其他課程的關(guān)聯(lián)性，認(rèn)為模擬電子技術(shù)課程建設(shè)的特色應(yīng)該定位于“有效縮短理論課和

5、實(shí)際應(yīng)用間的距離”，主要強(qiáng)調(diào)在“拉距離”上下工夫，因此課程的定位如圖1所示。圖1 模擬電子技術(shù)課程的定位通過課程體系的再設(shè)計(jì)，并采用新型學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式，引導(dǎo)學(xué)生掌握關(guān)于模擬電子技術(shù)方面的必要知識，其中突出的是“應(yīng)用”這個(gè)點(diǎn)，包括電子技術(shù)本身知識點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用和基于電子技術(shù)的相關(guān)聯(lián)課程知識點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。這里凸顯了學(xué)生應(yīng)用技能、設(shè)計(jì)技能和調(diào)試技能的培養(yǎng)，而這一切的出發(fā)點(diǎn)都是圍繞著專業(yè)背景和社會需求來展開的。與此同時(shí)，從電子技術(shù)的角度，理順教學(xué)內(nèi)容、知識點(diǎn)的落實(shí)和后續(xù)應(yīng)用的架構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建新的教學(xué)模式，并確定了各環(huán)節(jié)相互間的聯(lián)系，如圖2所示。該架構(gòu)主要是以理論教學(xué)為中心，以實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)、課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

6、和開放創(chuàng)新環(huán)節(jié)為支撐的全新教學(xué)體系。其中理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成若干個(gè)核心問題，教學(xué)過程圍繞解答這些核心問題在探索性、研究性教學(xué)方法的實(shí)施展開，改變傳統(tǒng)的以教師授課為主的單一教學(xué)方法，建立一個(gè)以課程、講座和學(xué)生科研三大支柱為框架的，以課內(nèi)課外結(jié)合、老師學(xué)生互動、課程學(xué)習(xí)和科研探索交叉，多種教學(xué)手段并進(jìn)為特色的立體化教學(xué)體系，以期培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中得到全方位、多層面的綜合訓(xùn)練，形成一個(gè)多層面靈活有序的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。圖2 模擬電子技術(shù)課程再設(shè)計(jì)架構(gòu)三、教學(xué)體系再設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1.理論教學(xué)體系的再設(shè)計(jì)。此前，由于全校非電類專業(yè)模擬電子技術(shù)課程采用統(tǒng)一的教材、統(tǒng)一的大綱、

7、統(tǒng)一的教學(xué)內(nèi)容、統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，然而各專業(yè)對該課程理論知識與應(yīng)用需求不同，勢必導(dǎo)致學(xué)用矛盾日益突出。為此，在理論知識傳授方面，主要采用“精簡理論，強(qiáng)化應(yīng)用”的原則，精選教學(xué)內(nèi)容，既保證基礎(chǔ)內(nèi)容，又加強(qiáng)技術(shù)性和應(yīng)用性，進(jìn)行基于問題的理論教學(xué)內(nèi)容再設(shè)計(jì)，即結(jié)合后續(xù)課程對實(shí)際電路應(yīng)用的需求，兼顧知識體系獨(dú)立性與完整性的需要，將涵蓋全部理論教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)成2030個(gè)核心問題，教學(xué)過程圍繞解答這些核心問題展開。概括起來即為“教學(xué)內(nèi)容問題化”，把一個(gè)課堂的教學(xué)內(nèi)容，按照重點(diǎn)、難點(diǎn)，以及知識網(wǎng)絡(luò)分布，設(shè)計(jì)成若干核心問題以及圍繞該核心問題的應(yīng)用問題。例如，對于基本放大電路的講解過程中，選擇在機(jī)電系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床等

8、后續(xù)課程需要用到的繼電器驅(qū)動電路作為實(shí)際應(yīng)用對象，圖3（a）所示，以此典型的應(yīng)用范例為核心問題，講解共射極放大電路在繼電器線圈驅(qū)動應(yīng)用的原理。即，當(dāng)需要繼電器動作時(shí)，由控制單元（裝置）發(fā)出一個(gè)uin信號，利用共射極放大電路基極電流的控制作用，由bjt提供足夠大的集電極電流驅(qū)動繼電器線圈，從而實(shí)現(xiàn)繼電器的控制動作，用于接通或切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖3（b）為學(xué)生設(shè)計(jì)制作的實(shí)物照片，用于驅(qū)動機(jī)床回零開關(guān)信號。而對于圖4所示的典型差動放大電路，它既可以用于測試技術(shù)課程中傳感器（包括溫度、應(yīng)變等）信號的放大電路，又可以作為電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路，通過在不同實(shí)際應(yīng)用場合下該電路的組成、特點(diǎn)、信號分析、仿真等內(nèi)

9、容的深入展開。在實(shí)際教學(xué)過程中還可以設(shè)計(jì)一系列的開放性問題，如根據(jù)具體應(yīng)用場合及應(yīng)用對象的不同，指出該電路可能存在的問題，提出解決問題的辦法或思路，并設(shè)定基礎(chǔ)層、提高層和創(chuàng)新層三個(gè)不同層次的考核標(biāo)準(zhǔn)?；A(chǔ)層以作業(yè)的形式完成問題的解答；提高層從整體性能優(yōu)劣、電路參數(shù)優(yōu)化、仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果方面以分析報(bào)告的形式提交；創(chuàng)新層則需要重新設(shè)計(jì)最為合理的電路，并調(diào)試實(shí)現(xiàn)完成實(shí)際應(yīng)用。此外在課堂內(nèi)容的安排上，有意識地留出一定的空檔讓學(xué)生自習(xí)，同時(shí)在作業(yè)內(nèi)容的安排上加強(qiáng)了實(shí)踐環(huán)節(jié)。在課程內(nèi)容的整合方面，一方面強(qiáng)調(diào)課程知識的獨(dú)立性，一方面強(qiáng)調(diào)本課程與其他不同課程知識的銜接。（a）放大電路驅(qū)動繼電器工作原理電路（b）實(shí)

10、物照片圖3 共射極放大電路在機(jī)電系統(tǒng)繼電器控制中的應(yīng)用圖4 典型差動放大電路及其應(yīng)用問題設(shè)計(jì)2.實(shí)踐教學(xué)體系的再設(shè)計(jì)。以往的課程實(shí)踐環(huán)節(jié)基本采用已設(shè)計(jì)好的電路完全由學(xué)生照搬照做，屬于驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，這對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情作用不大，學(xué)生參與實(shí)踐環(huán)節(jié)的目的僅僅是為了完成該部分的任務(wù)，再設(shè)計(jì)的內(nèi)容運(yùn)用系統(tǒng)科學(xué)的方法，對組成課程群實(shí)踐教學(xué)需求的各要素進(jìn)行優(yōu)化、整合，在結(jié)構(gòu)與功能上進(jìn)行縱向與橫向以及縱橫交叉的全方位實(shí)踐環(huán)節(jié)。其中縱向?yàn)檎n程群內(nèi)各基本課程所必須的基礎(chǔ)實(shí)踐環(huán)節(jié)，是通才培養(yǎng)的基本目標(biāo)；橫向?yàn)槟骋徽n程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，具體到模擬電子技術(shù)即為：基礎(chǔ)層、提高層和綜合應(yīng)用層等實(shí)踐環(huán)節(jié)所組成。其中基礎(chǔ)層主要是使

11、學(xué)生掌握典型電路的調(diào)試、測試方法等基本技能；提高層則是重點(diǎn)提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，理解理想模型與實(shí)際物體差異的能力以及將所學(xué)的不同知識綜合運(yùn)用和初步培養(yǎng)學(xué)生解決一般工程問題的能力；綜合應(yīng)用層是通過課程的創(chuàng)新實(shí)踐，對學(xué)生進(jìn)行更深入地培養(yǎng)和訓(xùn)練，幫助學(xué)生由淺入深，逐步掌握電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本知識并開發(fā)部分功能模塊的能力；縱橫交叉層則是各課程在綜合應(yīng)用層上的知識的創(chuàng)新與實(shí)踐，同時(shí)又與人才培養(yǎng)所需學(xué)習(xí)過程相互結(jié)合。通過基礎(chǔ)平臺的水平相連、專業(yè)平臺的縱深發(fā)展，形成橫向有聯(lián)系、縱向有傳承的立體教學(xué)模式，并設(shè)想將實(shí)踐環(huán)節(jié)的部分資源向全院師生開放，使學(xué)習(xí)者的實(shí)踐學(xué)習(xí)過程在時(shí)間和空間上得到延伸。在實(shí)踐環(huán)節(jié)

12、中每次實(shí)驗(yàn)要求有一定的實(shí)際制作結(jié)果來培養(yǎng)學(xué)生的成就感，同時(shí)所有前面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)部分綜合起來就是后面整體設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的電路，這樣有利于培養(yǎng)學(xué)生對電路的整體理解和局部分析設(shè)計(jì)的認(rèn)識，從而提高他們的分析和設(shè)計(jì)能力。在課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中主要是緊密結(jié)合理論課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的相關(guān)知識點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用實(shí)例來展開具體的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，重視設(shè)計(jì)過程和結(jié)果的總體把握。在開放創(chuàng)新環(huán)節(jié)中主要是以課程組教師出課題或者學(xué)生自選，然后學(xué)生利用課余時(shí)間在開放實(shí)驗(yàn)室或虛擬實(shí)驗(yàn)室完成的形式展開工作，通過設(shè)計(jì)、軟件仿真和分析、電路的調(diào)試與驗(yàn)證等方面的訓(xùn)練，特別是通過鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一些具有實(shí)用意義的小電路、小制作，撰寫一些小論文，參與一些小的科技創(chuàng)新活動，可以讓學(xué)生真正做到“學(xué)”、“用”結(jié)合。經(jīng)過三年的不懈努力，已有超過1500名本科生在不同階段下，在這種立體化教學(xué)模式的實(shí)踐中有不同程度的受益。特別是在激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情上，促成了由“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，構(gòu)建起“教學(xué)自學(xué)反饋”的循環(huán)學(xué)習(xí)鏈條，形成一種“面向需求、注重應(yīng)用、夯實(shí)基礎(chǔ)”的教學(xué)理念與研究學(xué)習(xí)的基本思路，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中得到全方位、多層面的綜合訓(xùn)練。利于學(xué)生探索性、研究性實(shí)驗(yàn)的開展，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維。學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生普遍反映能真正學(xué)到知識，有利于培養(yǎng)他們對模