“积木”式通信电子电路实验平台在教学中的应用

李然　余萍　韩东升　贾惠彬　李星蓉

关键词：通信电子电路实验；积木式；实验教学；全过程监控

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0133-03

“通信电子电路实验”课程是普通高校通信、电子类专业的必修实践课程，它不仅使学生加深对通信电子电路基本理论知识的理解和认识，更重要的是培养学生的创新实践能力和建立系统工程概念[1-3]。因为实验中涉及大量的高频电路，所以学生普遍感觉课程难学、实验操作调试困难[4-5]。多年的教学实践表明，优化的实验内容设置和合理的实验方法不仅使学生对课堂教学的基本概念和基本理论得到反馈，还可有效培养学生的动手操作能力和科研能力。简单针对固定实验板或实验箱的验证性实验，及实验项目相对固定单一的实验模式，既不适应课程的特点，也无法使学生真正弄懂通信电子电路设计的内涵，对学生真正掌握课程知识的综合运用和实际工程应用存在明显的差距[5-6]。因此，根据课程特点，探索和研究可激发学生自主设计系统电路、拓展学生思维的实验内容和实验方法尤为重要。

本文从提高学生开展设计性、综合性实验的积极性出发，提出“积木”式通信电子电路实验平台改革方案，将通信电子电路收发系统按功能细分为子模块电路，选择不同的子模块可组合成具有一定功能的通信系统。同时为保证实验教学质量，教学实践中对教学活动的全过程进行监控，引入“全过程监控”教学模式[7-8]和过程评价体系。该实验教学改革可促使学生将课程学习的抽象概念和实验任务紧密结合，帮助学生将课程学习的基本理论和工程实践有机结合，有效培养学生自主开展设计性、综合性实验的意识，真正实现以学生为中心的实验课堂。

1“积木”式通信电子电路实验平台的设计

传统的通信电子电路实验多为单个功能电路的验证性实验，如“高频小信号放大电路实验”“高频功率放大电路实验”和“中频放大电路实验”等，实验内容相对单一独立，较少考虑由单个功能电路拓展到整个通信电子电路收发系统的实现。因此，很难通过实验使学生熟悉通信电子电路收发系统的构成，做到理论知识学习与实验实施的有机融合，不能有效地发挥实验课对基本理论学习的反馈弥补作用。通过通信电子电路实验使学生自主完成收发系统的搭建，从而建立通信电子电路的系统整机概念，才能使学生真正掌握通信电子电路系统的基本内涵[9-10]。

为在实验教学过程中充分体现学生的主体地位，真正引导学生自主学习，课程组对通信电子电路课程内容进行了梳理和凝练，其中涉及的功能模块电路包含滤波器、选频放大器、混频器、振荡器、调制与解调器、高频谐振功放、锁相环、频率合成器等，将每个功能模块制成独立电路作为“积木”式功能电路单元，在其上设置输入输出端口，以此替代传统的实验板，形成更加灵活的实验平台。将19个“积木”单元按功能和布局分布在五块实验板上，每块实验板都配备一个直流供电模块，系统结构框图如图1所示。图1中每个“积木”单元都可完成功能独立的基础性实验，通过基础实验操作，

使学生熟悉每个“积木”单元电路的功能，并且和课堂学到的基本知识点建立联系，同时熟练仪器使用和电路调试测量方法，为通信电子电路收发系统的搭建打下基础。图1中的每个“积木”单元都引出标准接口可和其他单元互联组合，将不同的“积木”单元按系统构成原理互联即可构建通信电子电路收发系统。

“积木”单元電路的部分核心元件还设置一些空白，实验中学生需从更为基本的“积木”式元件库中选择合适的元件以搭建一完整的功能电路，如图2所示。学生通过自主梳理功能电路基本理论，完成核心元件的选择，进一步加深对基本电路的认识和理解，为后续的系统搭建实验做好充分的知识储备。

2“积木”式通信电子电路实验平台的教学实践

我校于2017年开始对通信电子电路实验课程进行改革，开展“积木”式通信电子电路实验平台的应用。在教学实施过程中，以通信电子电路收发系统构成为主线，按需灵活选择合适的电路模块“积木”搭建能实现相应功能的实用系统，实验任务由基本任务和系统综合设计任务构成，施行以必做任务为基础的任务不封顶实验制度。改革后的实验内容更具层次性，知识点覆盖面更为广泛，不仅有利于学生建立通信电子电路的大系统概念，加强学生对基本理论的理解，而且可有效激发学生自主学习的兴趣，构建灵活多样的通信电路系统，充分发挥学生潜能。新的实验模式在学生学习和教师教学方面较以往都有很大的改变，教学实践过程中都做了相应的改革。

2.1“全过程监控”教学模式的构建

由“积木”式通信电子电路实验平台开展的实验更具灵活性，传统的教师示范式的验证性实验模式不再适合，因此引入“全过程监控”的教学模式。教学过程是教师的“教”与学生的“学”两方面活动的一种特殊形式，是教学活动的启发、发展、变化和结束在时间上连续展开的程序结构[11]。教学全过程监控注重学生学习的过程，通过针对新的教学内容开展一种全新的学习方式，丰富和加强通信电子电路实验教学载体，实现提升学生自主实验能力的目的。全过程监控教学模式下，教师的“教”与学生的“学”不仅限于课堂，还包括课前和课后的相关活动，如图3所示。

由图3可知，教学全过程监控框架下，教学贯穿于课前预习、课中实验和课后的结果整理全过程，因此为实现有效的过程监控，除了常规的实验操作过程指导，将“课堂派”等现代化教学平台引入实验教学中[12-13]。课前预习阶段教师通过平台发布预习任务和练习，根据学生的完成情况，集中针对共性问题做进一步的指导。学生通过平台和指导教师进行一对一交流，解决预习过程中遇到的困惑和难点，保证实验操作的顺利进行。教学平台引入的多种交互方式，打破了实验课时间和空间的限制，避免了传统模式下进入实验室才能修正实验方案的问题，及时解决了学生的预习疑难。

实验课程中，指导教师集中介绍实验任务、实验形式和基本要求之后，学生将预习阶段与教师沟通或小组协商制定的实验步骤和实验方案交由指导教师审核，审核合格的实验小组方可领取“积木”式通信电子电路实验平台开展实验。实验操作过程中，学生自主学习实验仪器的使用和“积木”实体电路模块的调试，指导教师对实验进度做总体把握，不干预学生具体操作，将传统被动实验模式转变为主动实验模式。学生在操作中遇到的电路调试和测试问题可向指导教师咨询，教师给予指导和提示。学生除完成独立“积木”单元的实验，还需自主将“积木”单元组合成通信电子电路收发系统形成最终结果。独立“积木”单元实验和综合性系统实验都经由指导教师验收后，给出评价，以备最终的实验评定参考。

实验结束后，学生整理实验数据，分析实验结果绘制曲线，并做实验过程总结，撰写一份完整的实验报告。教师综合验收结果和实验报告质量给出学生个体评价，并对实验共性问题分析总结形成下届学生实验任务布置的储备资料。

“全过程监控”的教学模式，教学活动不仅仅局限于实验室，而是将教学平台指导、操作面对面指导和课后评价总结紧密结合起来，形成一个闭合环，大大提高了实验效率，明显改善了实验效果，避免了传统实验过程中学生被动实验，进度慢，效率低的问题。

2.2 过程评价体系的构建

配合“积木”式通信电子电路实验平台实行任务上不封顶的实验模式，并对应“全过程监控”的教学模式，对学生的评价体系由单一的实验报告结果考评向实验全过程评价的模式转变，如表1所示。

（1）课前预习

学生进入实验室前，教师通过教学平台发布实验安排、实验内容、实验指导、预习要求和实验操作思考题等相关资料。学生通过自主学习完成预习题目解答和预习报告，并按要求将结果提交到平台，教师通过分析学生答题情况和预习报告的实验计划制定给出实验预习成绩。通过平台教师和学生之间可实现一对一的指导，帮助学生做好进入实验室前的准备工作，确保后续实验过程的有效开展。

（2）实验过程

依照课前制定好并由指导教师审核的预习报告，学生自主选择“积木”单元和元件库中的元件搭建实验电路，完成一个独立功能的电路即可向指导教师提出对该功能电路的验收，教师根据电路连接、实验操作和结果记录给出成绩。该过程中特别强调学生对实验电路故障的排查能力，由实验电路自身故障导致的结果偏差，若学生能给出导致偏差的原因则不会影响实验成绩，并且可依照故障排查能力适当加分。这样可有效避免学生过分追求和理论结果的一致性，提高学生解决实际工程问题的能力。

除了搭建实验电路完成测试，由“积木”单元构成无线收发整机系统后，还增加了实验考试环节。实验考试采用考试机，考核主要包括两个方面：一是由学生独立操作将和硬件实体“积木”单元基本一致的模块组成系统，以此考查学生对系统的宏观认识和系统概念的建立情况；二是教师设置故障点，学生通过测试独立完成故障排查，再次强化学生解决实际工程问题的能力。学生操作结束后，监考教师依据学生的整机连接是否正确、故障排除的准确性和速度给出成绩。

（3）课后实验报告整理

实验完成后，学生对“积木”单元电路和通信电子电路收发整机系统的实验记录进行整理，同时对结果和实验中遇到的问题进行分析，解答问题并写出心得体会，最终形成一份内容丰富的实验报告。教师翻看学生的实验报告，依据报告各个内容的完成质量给出成绩。

3“积木”式通信电子电路实验平台的实践效果

华北电力大学于2017年开展基于“积木”式通信电子电路实验平台的综合实验，获得的实践效果如下：

（1）设计性、综合性实验容量加大

与以往的实验板、实验箱固定不变的设定型实验内容不同，“积木”式通信电子电路实验平台不指定“积木”单元的组合方式，完全由学生自主设计选择元件库中的元件并构建整机系统。测试内容的制定和測试点的选择完全由学生依据电路所实现的功能自主完成，不仅增加了实验内容的设计性和综合性，更有利于培养学生从实际系统的角度分析问题和解决问题。

（2）形成分层次、个性化的实验模式

在完成基本实验任务的基础上，采取任务上不封顶的实验要求，学生可根据自己的进度和能力完成扩展性实验任务，实验项目的设置更加适应不同程度和不同需求的学生。

（3）学生的主体地位得到强化

“积木”式通信电子电路实验平台强调以学生为中心的实验教学模式，采取全过程监控，保证了学生在教师引导下自主设计完成实验全过程，彻底改变了以往“教师演示，学生仿照”的实验教学模式。实验平台将实验教学活动的主动权交给学生，激发学生自主运用课程学习的基本理论制定实验计划，提高了学生实验过程中分析问题和解决问题的能力，同时使学生加深对基本理论的理解。

4结语

“积木”式通信电子电路实验平台注重培养学生自主实验的能力，不仅仅开拓了学生的思维，有效帮助学生巩固课程学习的基本理论，促使学生将理论应用于实际工程，同时融入对学生个性化、差异化的培养，满足学生开展探索性、研究性学习的需求。结合实验平台，构建“全过程监控”教学模式和过程评价体系，将教学活动延伸到课前和课后，帮助学生在课中高效完成规定实验任务，积极开展拓展实验，强化通信电子电路系统的整体概念，建立完善的知识体系，进而提高学生解决复杂工程问题的能力。