基于OBE的《电子线路设计制作》课堂教学方法改革探索

摘 要：本文以工程教育认证为契机，以《电子线路设计制作》课程为载体，探索"成果导向"的课程教学改革方法。《电子线路设计制作》课程建设与实施过程中积累的经验对制定专业教育的课程目标，构建专业教育的课程体系和评价体系具有一定的参考价值。

关键词：成果导向;教学方法;卓越人才培养

《电子线路设计制作》课程是一门基础类综合型训练课程，在学习完成“模拟电子技术”、“数字电子技术”以及“电子技术应用综合设计”等基础课程学习与实训以后，为进一步提高电子技术综合设计能力而设置的衔接课程，目的是通过“精密全波整流电路”“语音滤波器”“数控直流电压源”三个模块的实践训练，掌握相对基础类的综合型电子技术的仿真方法、设计方法和调试方法，锻炼学生查阅资料能力、电子技术设计能力、动手能力、分析能力与科技报告编写能力等。通过整个设计过程的训练使学生受到设计思想、设计技能、调试技能、论文撰写与实验研究技能的训练，同时有利于培养团队协作精神，提高学生的自学能力和运用基础理论去解决工程实际问题的能力，为后续综合型电子系统的设计奠定基础和实际工程应用打下坚实的基础。

一、OBE教育理念

“成果导向（Outcome Based Education，简称OBE）”的教育理念发源于美国，引导着美国大学的课程发展。迄今为止，美国高校的本科课程标准大体形成了较为完整的指标体系。“成果导向”的概念是1981年美国学者斯派蒂最早提出的，该教育理念一经提出备受关注，这一理念对美国、日本、我国台湾地区等一些国家和地区的课程改革产生了深刻的影响，得到了教育理论界与实践领域的重视。目前，成果导向课程发展已在医学博士、工学博士等专业学位培养中广泛应用，虽然不同学科、学校的具体操作不同，但课程发展的实质均以学生“能力”为核心，通过主要程序的持续循环运作，将预期课程成果结构化、序列化、现实化，从而提升教育质量。

我国于2016年正式加入《华盛顿协议》，通过工程认证的专业毕业生在相应的会员国申请工程师执业资质时，将享有与本国毕业生同等的待遇，这一事件标志着我国工程教育质量得到国际标准的认可。目前，全国高校都在积极推广和开展工程教育认证工作。

成果导向、以学生为中心、持续改进是工程教育专业认证的三项基本理念，因此“成果导向”的教育理念是工程教育专业认证要求所贯彻的三大理念之一，被认为是追求卓越教育的正确方向，是工程教育改革的新理念。成果导向教育，就是以成果为导向，利用反向设计原理，首先考虑学生通过教育最终所取得的学习成果，以成果来指导教学设计和教学实施。“成果导向”的教育理念以所有学生都能够掌握所学知识为前提条件，可以把专业教育的成果作为出发点，制定专业教育的课程目标，构建专业教育的课程体系和评价体系。

本文以工程教育认证为契机，以《电子线路设计制作》课程为载体探索“以成果为导向”并持续改进的教育模式的贯彻实施，一定能促进更快、更好地培养出适应社会需求的电子信息类卓越工程师人才。

二、课程教学内容

该课程是为了提高学生电子系统设计能力，培养学生综合应用集成运算放大器和相关电路模块等进行电子线路设计制作而开设的实验课程，根据教学大纲的要求，教学内容由以下三个独立的实验内容构成：

（一）精密全波整流电路

精密全波整流电路是应用集成运算放大器对交流信号进行直流转换和有效值检测的重要模块，由半波整流电路、比例运算放大器和滤波电路构成，其工作原理与设计方法可为稳压源、万用表以及峰值检测电路设计奠定基础。

（二）语音滤波器

人类声音的频率范围为300Hz～3400Hz，在语音信号处理时常常采用带通滤波器滤除干扰。设计时为方便起见选用带通滤波器的工作频率范围为300Hz～3000Hz，由于Q=W0/BW， W0为中心频率，BW为带宽，要求BW远远小于W0，而本设计中二者相差不多，因此不能直接用带通滤波器的设计方法，需要采用高、低通滤波器级联的方法设计。采用运算放大器设计有源高滤波器、低通滤波器以及带通滤波器的方法可广泛应用于电子系统设计中。

（三）数控电压源设计

利用D/A转換器实现数模转换，运算放大器实现比例放大，三极管Q1与Q2构成复合调整管实现电流放大，由三极管和取样电阻构成过流保护电路。具体要求为：

1. 输出电压：范围0～+9.9V，步进0.1V;输出电压分为100个档位，从0-99，可任意调到要求的一档输出电压。

2. 输出电流：500mA。

3. 具有过流保护功能。

三个实验教学内容的安排以集成运算放大器的应用为主线，由简单到复杂逐步提升学生的理论水平、设计能力与实践动手能力。

三、课程教学中存在的问题

《电子线路设计制作》课程的三个实验内容难度都不是太大，而且内容安排上也是遵循由简单到复杂的原则，学生只要模拟电子技术、数字电子技术课程以及相应的课程设计真正掌握了，该课程的设计任务应该可以顺利完成;但是该课程涉及的内容比较广泛，除了要求掌握三个实验的工作原理外，还要学习仿真软件完成设计仿真，然后在面包板上完成电路的搭试，最后要使用仪器仪表完成指标测试，整个实验内容一环扣一环，如果一个环节没掌握好或者出现差错结果就出不来。

刚刚接手这门课时，实际情况不太理想。我按照正常实验教学内容讲完后，专门把实验中用到的仪器仪表让学生熟悉了一遍，器件的PDF文档以及典型应用都发给学生，仿真软件的使用也讲了，搭建电路时的注意事项也讲了，但学生在实际实验过程中好像没听到一样，还是出现了各种各样的问题，老师变成了救火队长，个别学生下课后仍然完不成实验任务，前几次课经常拖堂半个多小时下课。为此本人也十分着急，着手分析问题查找原因，发现存在以下几个问题：

1. 《电子线路设计制作》课程的先修课程“模拟电子技术”、“数字电子技术”以及“电子技术应用综合设计”等基础课程，以前学习的知识都是理论知识，真正使用时很多学生都忘记了。

2. 虽然三个实验内容难度都不是太大，但是对学生来讲涉及的知识面比较多：包括器件的使用、电路的工作原理、三个仿真软件的学习、电路搭建方法、测试方法以及五种仪器仪表的使用等，对学生也是一种挑战。

3. 仿真软件学会使用后仿真结果是不是达到要求不太确定，不知道如何验证。

4. 在面包板上搭建电路，存在接触不良，容易触碰等问题;同时由于实验过程中涉及到的电源种类达到三种，有些学生连线错误烧坏器件致使个别学生有畏惧心理。以前学习中的实验内容只要完成功能就可以，现在完成指标测试等等问题，使实验项目完成的不够理想。

5. 个别学生认为是选修课，不够重视，报考驾照、参加课外活动的学生经常请假。

针对以上几种情况我思考很久，想到庖丁解牛的故事使我豁然开朗，假如老师比作庖丁，对每一个解牛的环节步骤烂熟于心，学生比作梁惠王看完表演仍然不会解牛也是很正常的。那么按照成果导向的理念反向设计教学过程，把实验中每一个环节的关键点找出来，融入实验学习环节，以此来指导教学过程、并加强过程管理引起学生重视学习，效果会不会更好呢？

四、课程教学方法改革

下面就是在近年来根据“成果导向”的教育理念，把整个实验内容进行梳理与设计形成细化的实验流程、注意事项、考核评价标准，因才施教，并在教学中不断完善、改进教学方法，提升教学质量与教学效果，形成了一套行之有效的教学方法。

（一）建立行之有效的考核措施和评分标准，并在实验过程中严格执行

实验教学过程中过程控制管理十分重要，成绩考核的细分与量化决定了教学内容在实施过程的落实情况，也可检验学生的学习效果。因此根据教学大纲的成绩考核标准，制定了成绩考核细则。

1. 成绩考核标准

该课程满分100分，其中：

（1）实验完成情况占总成绩的60%

（2）設计报告占总成绩的30%

（3）实验行为占总成绩的10%

2. 成绩考核细则及说明

（1）实验完成情况成绩

三个实验完成情况满分为60分，根据实验的难易程度，精密全波整流电路部分为15分，语音滤波器部分为20分，数控电压源设计部分为25分。实验完成情况要求如下：

a）三个实验分三个阶段完成，每个实验完成过程中要进行仿真设计验收、单元电路设计验收和小系统验收;

b）根据要求先完成仿真电路设计，然后为单元电路调试，最后为整个小系统的调试;由于实验内容是一步一步完成的，因此只有完成其中一个步骤的实验内容并验收后才能开展下一步骤的实验，所以验收环节旷课的同学是没有相应成绩的;

c）完成电路设计或测试全部实验数据后，老师会根据结果对每组进行检查，验收时需演示测试方法和测试结果。

（2）设计报告成绩

a）设计报告的总成绩为30分，三个实验需要提交三份设计报告，每份设计报告满分成绩为10分;

c）实验报告着重于电路的原理描述、设计仿真、电路调试与测试结果的记录与分析以及实验中出现问题与解决方法等，每组两位同学各有分工，在“实验中出现问题与解决方法”与“心得体会”部分要有所侧重。

（3）实验行为成绩

实验行为主要考察学生的学习态度以及相应的努力程度，主要包括考勤、回答老师的相关提问情况、遵守实验室规定情况以及实验过程中解决出现的问题等情况。

（二）在实验的每个阶段针对实验内容提出细化具体的要求

1. 仪器仪表的使用要求与使用方法

（1）掌握基本元件的性能与使用方法

（2）掌握万用表、稳压源、毫伏表、信号源、频率计及示波器的使用方法

a）万用表的使用：测电路中电压电流时一定先确认万用表电压或电流相应的档位，避免使用电阻档误测电压、电流值烧坏万用表。万用表主要测工频的电压、电流值。

b）毫伏表的使用：毫伏表主要测量一定频率范围的交流信号电压有效值，一般分为低频毫伏表与高频毫伏表。在开与关电源时为避免碰撞指针请把档位设置在300V。

c）函数发生器的使用：函数发生器具有产生信号源和测频的功能;信号源中的信号在设置不同波形情况下可进行不同幅度、频率以及相关的参数设置。

d）稳压源电源的连接：稳压源一般有三个独立的电源，其中+5V是固定电压源输出，±15V需要调整电压并专门连接。

2. 全波整流电路

（1）全波整流电路的工作原理、仿真设计要求

a）掌握半波与全波整流电路的工作原理与设计方法;

b）掌握用Proteus仿真电路的方法。

重点掌握：

a）整流电路需要整流二极管，而二极管的工作频率决定了整流电路的工作频率范围。其中IN4007工作频率范围在2kHz以下，IN4148工作频率范围在20kHz以下，设计时考虑用两种二极管设计整流电路，并参考万用表的测试交流电压的频率范围，了解万用表与毫伏表测量交流电压有效值的区别，深入理解二极管的工作频率与整流电路的工作频率范围的关系。

b）设计时要考虑输入信号和输出信号电平不能超过电源工作电压，否则会导致信号失真，因此设计时要测量放大电路、跟随电路中关键部件的电阻值。

c）滤波电容选择100uF，正极与输出相连，去掉电容才能用示波器看到波形，但测试时一定要把电容加上，否则纹波干扰使输出有误差。

d）用Proteus软件完成仿真，电阻参数用实测值。全波整流电路的输出直流电压的理论值为0.9Virms，可与仿真结果比对，检验设计、仿真的结果。

e）要求比对输入信号、半波整流的仿真波形和全波整流的仿真波形。

（2）全波整流电路的电路搭建、调试与测试注意事项

a）调试注意事项：

*在面包板上连线时，参照仿真图先连接电源、地线再连接信号线，注意二极管的极性;

*检查线路无误后再接入连接好的±15V电源，然后根据测试要求接入信号源;

*测试点包括输入、半波整流输出、全波整理输出（注意观察波形时不加电容，测试时加电容）。

b）测试注意事项：

*根据表格的要求测量输入信号对于不同电压和不同频率范围时的输出电压值;

*通过调试电路掌握1N4007和1N4148的工作频率特性;

*了解运算放大器在±15V电源条件下输入信号电压的最大值;

*通过示波器监测输出信号失真时对应的输入信号电压与频率。

*半波整流电路存在两倍放大，由于输出电压小于电源电压，因此Vipp<15V，实际为14V左右。

（3）全波整流电路的结果验收

全波整流电路的结果验收分为仿真验收与测试结果验收两部分。

仿真验收主要检查输入、半波整流输出、全波整理输出（不加电容）的波形和幅度是不是正确，检验输出电压失真时对应的输入电压值。

测试结果验收根据测试表格的结果进行抽查，主要检查峰峰值5V、峰峰值10V以及输出电压失真时对应的输入电压峰峰值值。

3. 语音滤波器设计

语音滤波器的设计包括高通、低通和带通三个滤波器设计，滤波器在电子技术设计中应用十分广泛，不仅要学会参数设计、仿真设计并完成相应的功能，最重要的是要达到技术指标的要求，所以该部分电路看似简单实际上真正完成技术要求有一定难度。

（1）语音滤波器设计的工作原理、仿真设计要求

*掌握语音滤波器的工作原理与设计方法;

*学习Filter Wiz Pro滤波设计软件，设计高、低通滤波的参數;

*用Multisim仿真软件完成高低通滤波器幅频特性与相频特性的仿真，验证设计性能，仿真时的器件参数要用实测值。

（2）语音滤波器的电路调试与测试要求

*掌握高通、低通与带通滤波器硬件电路调试与测试方法;

*注意测试电阻、电容值，做到准确、误差尽量小;

*高低通滤波器先完成电路的搭试，然后用毫伏表测试三组数据：通带最大值，通带截止频率与阻带截止频率;只要达到指标后才能进行完整的参数测试;

*带通滤波器调试时高通在前、低通在后，避免工频干扰;

*注意高通滤波器、低通滤波器和带通滤波器的放大倍数，所以一定要考虑输入信号的最大峰峰值，避免失真情况发生。

（3）语音滤波器电路的结果验收

语音滤波器电路的结果验收分为设计验收、仿真验收与测试结果验收三部分。

设计验收检查高、低通滤波的设计参数是否达标;

仿真验收主要检查高低、低通和带通通滤波器的幅频特性与相频特性曲线是否正确，检验通带截止频率与阻带截止频率是否达到设计要求。

测试结果验收根据测试表格的结果进行抽查，主要检查三个滤波器的通带截止频率与阻带截止频率是否达到设计要求。

4. 数控电压源设计

数控电压源是一个相对综合的实验项目，包括D/A转换、电压与电流放大和过流保护等模块，训练学生的综合应用能力。

（1）数控电压源的的设计、仿真要求

*掌握数控电压源的的设计方法;

*掌握用Proteus仿真数控电压源的方法;

*掌握加入不同负载时电路中电流的计算方法、电阻承载功率的计算方法;

*掌握过载时电路的保护方法。

（2）数控电压源的的调试与测试要求

*掌握DAC0832电路调试方法，注意测量参考电压值，注意数字地与模拟地的连接;

*掌握放大电路调试方法;

*掌握功放与过流保护电路调试方法。

*掌握加入不同负载时电路中电流和电压的测试方法。

（3）数控电压源的结果验收

数控电压源的结果验收分为设计验收、仿真验收与测试结果验收三部分。

设计验收检查数控电压源的设计参数是否符合要求;

仿真验收主要检查数控电压源的中D/A转换数据、电压与电流放大数据以及过流保护电路的数据是否正确。

测试结果验收根据测试表格的结果进行抽查，主要检查四个方面：D/A转换数据结果，重点检查小信号输出结果;无负载时输出电压值的线性度;不同负载时的输出电压与电流值是否达标;过载时可否实现电路保护。

（三）运用最新的电子技术仿真软件，提高学生的电子技术设计能力

《电子线路设计制作》课程的三个实验用到Proteus和Multisim两个仿真软件和一个Filter Wiz Pro滤波设计软件，其中Proteus仿真软件主要实现电路的功能，Multisim仿真软件主要分析电路的幅频特性，为电路设计、测试提供理论依据，而Filter Wiz Pro为滤波设计软件，该软件是电子设计大赛时使用的，正好应用于实验教学中，设计结果比最开始的快速算法设计的要精确很多，最新的设计软件为电子技术设计带来的新的方法手段，也提高学生的电子技术设计能力。

（四）重视实验报告的编制，提高学生科技报告编写能力

每个实验完成后要编制实验报告，在下一次课堂上交。 实验报告按照如下格式编制，并写在实验报告册上。实验报告格式如下：

*实验目的

*实验元器件

*实验原理与实验电路分析与设计

*实验内容、步骤与实验结果（实验数据与波形）

*分析与结论

*实验中出现问题与解决方法

*心得体会

*思考题

*参考文献

重视实验报告的编写为未来中期实习和毕业设计报告奠定基础。通过实验报告验收、点评等环节考查学生对整个实验从原理分析、设计分析、仿真、调试到测量以及解决实际问题的能力。

（五）构建实验成果的考核与评价体系，提高学生自我改进能力和教师教学水平

评价与目标是相伴相生的，好的考核与评价体系，可以提高学生自我改进能力和教师的教学水平。因此每个实验验收后会抽出一点时间进行实验结果点评与评价，让学生知道什么样的结果是做的好的，怎么样能达到好的结果;每个实验报告完成后也有点评与评价，让学生知道实验原理如何描述，仿真结果如何归纳总结，测试数据是否正确，有误差应该如何分析等等，使学生知道应该如何写好科技报告，如何查阅资料。这样使学生的实验成果和实验报告的质量不断提高，实现了“实验内容—实验仿真—电路搭建—电路测试—电路验收—实验报告—成果评价—不断改进”的闭环过程控制模式，不仅提升了教师的实践育人能力，也提高了学生的实践动手能力以及科技报告书写水平，尤其是提高学生自我改进能力。

五、课程教学效果

通过《电子线路设计制作》课程的学习，学生不仅掌握了全波整流电路、语音滤波器和数控直流电压源三个综合性实验项目的工作原理、设计、搭建、调试以及测试方法，而且锻炼了查阅资料、设计验证、动手操作、分析总结及团队协作等能力，对仪器仪表的使用进行了全面的熟悉与掌握，对以前所学习的相关知识进行了系统的复习，通过手写实验报告的形式锻炼了学生编制实验报告的能力。取得这些成绩的原因：

1. 理论与实践结合比较紧密，项目中每一个环节都需要学生自己动手，提高了学生的学习兴趣。

2. 在教学过程中管理手段和实验内容过程控制切实有效，学生的每一步学习环节都可查可控，并与成绩挂钩，克服懒惰思想，杜绝抄袭苗头。

3. 实验课程的关键知识点、注意事项都提前融入教学环节，学生动手操作时基本做到心中有数。

4. 注重使用最新的电子技术仿真软件，学生的每一步实验都做到有理有据，理论指导实践。

5. 对学生们的实验结果和实验报告点评，学生初步自己评判自己的成果，由老师最后判定成绩，最终实现持續改进并不断提高的效果。

6. 耐心辅导每位学生，注重课程衔接，实验难度由易到难循序渐进，大大地激发了学生的学习热情，学生普遍反映收获很大。

六、结语

在教《电子线路设计制作》课程以来，每届学生在电子技术设计方面经受了较系统的训练，每次读着学生实验报告中的心得体会：解决了什么困难，得到了什么收获，内心有说不出的高兴，觉得在授课过程的辛苦、还要克服种种实际困难的艰辛都是值得的。

我院正在积极开展工程教育专业认证工作，但如何实施，如何落实需要用适应工程教育专业认证新的教育理念、新的教育方法来进行实践，《电子线路设计制作》课程建设与实施可为工程教育专业认证工作的深入开展和卓越人才的培养提供一定的参考。

随着国家互联网+战略的提出和推进，移动互联网、物联网等热门技术逐步应用和日益普及，而信息技术正是这些热门产业应用技术中最核心、最关键的部分，是整个智能化电子行业的最核心技术领域。在全球信息化浪潮中，以工程教育认证为契机，探索“以学生为中心”和“以成果为导向”并持续改进的教育模式，一定能促进更快、更好地培养出适应社会需求的电子信息类卓越工程师人才。

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