模拟电子技术实践创新能力培养的探索

叶朝辉， 华成英， 阎 捷， 秦 俭

(清华大学 自动化系, 北京 100084)

模拟电子技术实践创新能力培养的探索

叶朝辉， 华成英， 阎 捷， 秦 俭

(清华大学 自动化系, 北京 100084)

为了培养创新人才,大学课程需要培养学生的创新能力。模拟电子技术基础课程是面向电气信息类和自动化专业的工科专业基础课,该课程具有很强的工程性和实践性,清华大学自动化系开设的模拟电子技术基础课程采用综合论文的方式培养学生实践创新能力,通过4个层次的课程教学使学生做到自主创新。课程调查结果表明,学生整体上对教学效果十分认可,培养学生实践创新能力的改革达到了预期效果。

模拟电子技术； 实践能力； 创新能力

1 大学课程培养实践创新能力的重要性

创新教育是以培养人的创新意识、创新精神和创新能力为基本价值取向的教育实践,旨在培养创新人才[1]。

创新能力不足是我国目前与发达国家的一个重要差距,产生差距的一个主要原因就是发达国家非常重视创新教育。例如,美国的大学教育就强调培养学生的实践能力和创新能力,文献[2]通过调查,分析了美国宾夕法尼亚大学本科电子信息类专业认知教育课程“电子系统工程介绍”如何培养本科生的创新能力和实践能力。该课程分为3个内容,专题讲座、认知实验和项目设计。通过3个层次的学习和实践,逐步培养学生的实践能力和创新能力。文献[3]总结美国的创新教育主要包括鼓励质疑、强调自主学习、强调多元化的人才评价和选拔机制、强调教师与学生的科学研究等。

为了适应我国2020年建成创新型国家的战略发展需求,大学亟须开展创新教育。目前我国的大学教育正在向创新教育转变,但仍存在很多不足,主要表现在学生自主学习、教师引导研究、学生自主创新等方面有欠缺。

2 培养模拟电子技术实践创新能力的改革

模拟电子技术基础课程是面向电气信息类和自动化专业的工科专业基础课,该课程具有很强的工程性和实践性,而学生刚开始习惯于用数学推理的思维方式去学习,因此普遍感到学习困难,多年来均被学生喻为“魔电”[4]。因此以往的教学主要侧重于电子电路分析和基本实验,而研究型和应用创新型实验则由于太难而很少被涉及。为了培养学生的创新能力,有些大学进行了模拟电子技术(或者电子技术)课程实验教学的改革[4-10],对培养学生的实践创新能力起到了一定的效果。

清华大学自动化系开设的“模拟电子技术基础”课程一直以来就非常强调从思维方式和实践两方面培养学生的研究和创新能力,例如强调从设计的角度构造和理解电路,强调通过仿真和实验2个实践环节研究电路,通过综合实验设计电路。这些教学方法对培养学生的研究创新能力起到了一定的作用,但在学生自主学习、引导学生研究创新方面还有不足。为了进一步培养学生的研究创新能力,近年来,该课程通过综合论文的方式,鼓励学生自主学习,引导学生自主研究、自主创新,进行电子电路设计研究和应用创新,取得了很好的效果。

3 培养实践创新能力的思路

“模拟电子技术基础”内容包括各类模拟电路及分析方法,这些电路都是在一定应用背景和需求下,通过实践设计和创造出来的。因此,要做到创新,首先就是要能够深入理解和掌握这些电路原理和分析方法,然后通过实践和应用进行研究和创新。

为了让学生在课程中一步步接近模拟电子技术的精髓,直至能够融会贯通、做到自主创新,笔者认为课程教学应细致地分为4个层次:

第一层次,掌握基础知识和基本技能。让学生通过课堂讲授和讨论以及自学MOOC(Massive Open Online Courses)课程,掌握基本知识,训练正确的分析和设计电路的思维方法,打下坚实的理论基础。之后,通过仿真和实验2个实践环节,获得更深刻的体会,掌握基本实验技能,进行基本研究。

第二层次,了解电路背景和应用,开阔视野。虽然掌握了电路基本知识,学生并不知道如何去应用。因此在授课时,介绍电路产生的背景和应用场合,并介绍国际知名半导体企业生产的最新的模拟集成电路及其应用,另外介绍各行各业的现代电子系统及模拟电路在其中的作用,然后鼓励学生课外进一步自学相关知识。

第三层次,实例教学。有了上述基础后,学生对于研究和创新还不知如何具体去做。因此还需要给学生提供一些研究内容和实际电子系统设计的样例作为参考,逐步引导学生去研究和创新。

第四层次,创造良好的实验环境。给学生应用创新提供充分的实验环境和硬件条件,鼓励学生去研究和创新。

在以往的教学中,第一层次强调得多,第二至第四层次强调得少,而这也正导致了对学生创新能力培养的不足。

我们的课程通过改革,鼓励学生进行应用创新设计,循序渐进地培养学生电子电路设计和应用创新的能力，例如通过综合论文的方式培养学生科技论文的写作和表达能力。

4 实践创新能力培养的实施

第二层次教学中的实施方法包括以下2个方面。

(1) 针对一些电路进行知识拓展,例如讲解集成运放、功放、线性稳压电源和开关稳压电源时,除了介绍基本电路外,还分别简介TI生产的精密集成运放、音频功放、三端稳压器以及低压差线性稳压器、电感型和电荷泵型开关稳压电源,感兴趣的学生再进行课外自学。在讲解运算电路时,除了讲解基本运算电路外,还介绍其最早的应用和现代应用,并介绍实用的模拟乘法器、对数放大器、仪用放大器、差分放大器原理及应用电路,感兴趣的学生再进行课外自学。

(2) 在讲解应用电路之前,介绍电子系统的组成和模拟电路在其中的作用,介绍电子系统设计方法,并介绍现代实际的电子系统,如工业测量系统中的声波测井系统、控制系统中的数控系统、通信系统中的大气污染监测系统等。另外介绍最新的电子创新设计,例如介绍全球影响力最大的消费类电子展的创新设计产品,例如2016年的智能腰带、智能调酒器、USB充电器电池、微软头戴式VR等,激发学生创新兴趣和热情。

第三层次教学中,本课程与TI合作,设计了基于TI模拟集成电路的大量研究型实验和综合应用型实验,学生可以此为参考,选择其中的实验进行研究,或者在这些实验的启发下设计创新实验,最后写作一篇综合论文。综合论文采用科技论文的写作方式,培养学生高度概括实验的能力,使他们学会用简洁、准确的语言来表达自己的实验思想及观点,为将来毕业设计撰写论文打下基础。

第四层次教学中,整合实验室资源,充分发挥现有实验室资源的效率。给学生提供开放的实验条件,包括定时和预约两种方式开放实验室,提供通用模拟器件和TI的各类先进模拟集成电路、便携式实验板、虚拟仪器MyDAQ套件,将实验室不常用的仪器设备借给学生,便于学生随时随地进行实验,极大地方便学生进行创新研究。

5 研究和创新实验案例设计

课程分别给学生提供了研究和创新两类实验案例。

研究实验的目的是为了让学生在学习电路的过程中对其特点和性能进行深入研究,或者研究如何用其组成应用电路。研究实验样例以研究基本电路和集成模拟电路为主,研究的问题包括电路结构或者参数变化对性能的影响、电路的性能指标测量、不同电路的性能对比等。这些样例均为开放式,只给定题目,研究的具体内容和细节学生可以自由发挥。学生既可以选择这些实验进行研究,也可以通过这些实验样例的启发,自己设定研究题目和内容,做到自主研究。

这些研究实验样例有:研究用晶体管和MOS管分别组成的单管放大电路；通用集成运放LM358性能参数测量；运放组成的电压比较器与集成电压比较器的比较；压控电压源二阶低通滤波电路电阻电容参数变化对性能的影响；2种集成音频功放性能研究和对比；集成对数放大器应用研究；集成模拟乘法器应用研究；2种电压-频率转换电路研究和性能对比等。

例如,研究用晶体管和MOS管分别组成单管放大电路,学生首先用所学知识组成2种单管放大电路,然后分别通过仿真研究电阻参数变化对静态工作点和动态性能的影响,总结并通过理论分析实验结果,对比晶体管和MOS管组成的单管放大电路的性能特点。最后有兴趣的学生还可以通过实验验证。该研究实验不仅让学生进一步理解电路,还学会了如何去研究电路,激发学生的研究兴趣。

创新实验的目的是为了让学生将学习的电路应用于实际,发挥自主性和创造性。当然,在课程教学中强调培养学生的创新能力,并非要求学生发现新的理论、新的现象,它所强调的是对学生创新能力的培养,实际上是要培养学生发现问题和解决问题的能力、独立思维的能力、灵活运用实验技能的能力[11]。因此这些创新实验样例并不是真正的创造性的或者未知的实验,而是从现代社会中收集的一些实用的或有价值的电子电路或系统,学生既可以选择这些实验进行研究,也可以通过这些实验样例的启发,自己设定创新题目和内容,做到自主创新。

提供的创新实验样例有:声光控灯、阶梯波发生电路及应用研究；音频放大器研究；简易脉搏表、红外热释电防盗系统、基本温度测量电路及PID温度测量和控制电路研究；超声波测距电路、大气压测量电路、简易计步器研究等。

例如,声光控灯实验提示用运放、集成电压比较器、驻极体麦克风、光电二极管或光敏电阻实现声光控灯,灯可用发光二极管代替,要求灯只在夜晚且有声音时亮。该实验引导学生如何去设计电路,学生不仅需要将所学的多种电路连接起来组成一个小型电子系统,还需要自己去查阅资料,自主学习,自主探究,最后通过思考并发挥创造性去设计和实现目标电路,激发学生的创新热情。

6 学生完成的创新实验

有一部分学生选择了上述参考实验样例进行研究,而另一部分学生则自己设计了创新实验,例如心形信号发生器、用模拟电路证明勾股定理、基于皮阻的测谎仪、扫频超外差式频谱分析器、音调均衡器、乐音识别电路等。

某学生设计的心形信号发生器电路组成如图1所示,该实验将多种模拟电路组成了具有创意的电子电路,做到了学以致用,发挥了自主性和创造性。图1中的精密整流电路和模拟乘法器电路具体设计如图2所示,仿真示波器显示的心形波形和实际示波器显示的心形波形分别如图3和图4所示。

图1 心形信号发生器电路组成

图2 精密整流电路和模拟乘法器电路

图3 仿真示波器显示的心形波形

图4 实际示波器显示的心形波形

7 教学效果

2016年春季学期对教学改革效果进行了调查,回

收了约118份问卷。约92%的学生认同有利于培养研究问题的能力,约95%的学生认同有利于培养实践动手能力。调查结果表明,综合论文有利于培养学生的实践、研究和创新能力,达到了预期效果。另外,针对提供的实验器材进行了调研,77%的学生认为提供的元器件和实验板非常需要,47%的学生认为提供的虚拟仪器套件和仪器设备非常需要。调查结果表明,大部分学生愿意利用提供的实验条件进行实验研究和创新。

References)

[1] 由继红.实验室与创新教育研究[J].实验技术与管理,2010,27(9):16-17, 23.

[2] 马利,张玉奇,李鹏,等. 从美国宾夕法尼亚大学专业认知教育谈本科生创新能力培养[J].实验技术与管理,2014,31(10):213-215,225.

[3] 李建中. 美国大学的创新教育及启示[J].创新与创业教育,2012,3(4):103-106.

[4] 曹基石，张敬怀，闰亚龙.电子技术实验教学中科学素质与创新能力的培养[J].电气电子教学学报,2002,24(2):219-221.

[5] 张慧萍,李汝莘,孙贵斌.深化电子实验教学改革 培养学生创新能力[J].重庆交通学院学报(社科报),2006,6(4):131-133.

[6] 王淑娟,齐明.通过电子技术基础精品课程建设培养学生创新能力[J].中国大学教学,2008(10):48-49.

[7] 张成亮,李卫兵.改革电子技术实验教学,培养学生创新能力[J].长春师范学院学报(自然科学版),2009,28(4):126-128.

[8] 李惟.电子技术实验教学在培养学生的实践与创新能力的做法、效果[J].北华航天工业学院学报，2011，21(3)：54-56.

[9] 范爱平，姚福安.电子技术试验培养学生创新能力的探索与思考[J].全国高等学校电子技术研究会论文集，2010，20(增刊)：11-13.

[10] 黄荷英.基于创新能力培养的“电子技术”教学模式创新探析[J].中国电力教育，2010(12)：78-80.

Exploration on cultivation of practical and innovative ability of analog electronic technology

Ye Chaohui, Hua Chengying, Yan Jian, Qin Jian

(Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

In order to cultivate innovative talents, the university curriculum needs to cultivate students’ innovative ability. The course of Analog Electronic Technology which is a basic course for the Electrical Information and Automation specialty has a strong engineering and practical background. This course offered by the Department of Automation of Tsinghua University cultivates undergraduates’ innovative ability using the way of comprehensive thesis, in which the four levels of teaching methods are used to help students to achieve independent innovation. The course survey results show that the students believe that the teaching methods are effective for training practical ability, research ability, and innovative ability.

analog electronic technology; practical ability; innovative ability

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.007

2016-07-20

叶朝辉(1968—)，女，湖南长沙，博士，副教授，主要研究方向为现代电子技术及应用.

E-mail:yezhaohui@tsinghua.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)1-0029-04