“实践、理论、线上、线下”四位一体的课程改革与实践

王 蓉 王 欢 赵鑫泰 黎 飞 徐 建

(东南大学 信息科学与工程学院， 南京 210096)

“电子电路基础”作为一门电子类的专业基础课，其内容涵盖了半导体器件、材料和工艺、放大器分析与设计、频率响应与反馈、集成运放的应用、功率电路和振荡器等内容[1]。课程对学生数学、物理、电路等基础知识要求高，自身的综合性和实践性也强，难度大。学生需要自觉主动学习和思考，才能更好地领会该门课程。学生如果学习动机不纯、缺乏学习兴趣和正确的学习方法，容易滋生畏难情绪，学习效率不高甚至最终失去学习动力。这就需要在课程改革中深挖知识的广度和深度，创新教学模式和方法，激发学生强烈的学习兴趣，引导学生掌握正确的学习方法。

基于教指委改革项目、江苏省重点研究课题项目和东南大学教改重点项目，提出了“实践、理论、线上、线下”四位一体的“电子电路基础”课程教学模式，激发了学生的学习兴趣，使得学习效果得到普遍提升。

1 “电子电路基础”课程现状

1.1 理论实践糅合度不够

“电子电路基础”课程是一门理论与实践结合很强的课程，相关的实验教学在加深学生对理论知识的理解，培养学生独立解决问题能力、工程设计能力和正确的科学探究方法等方面非常重要。在理论和实践结合方面，有的学校理论教师和实践教师是分开的，造成进度不统一，理论实践内容容易脱节等问题；有些学校虽然理论教师和实践教师是统一的，但理论课和实践课割裂为两门课程，沿用了传统的先理论授课再学生实践的教学模式。先学习再应用，两个阶段分割清晰，虽对加深理论知识理解有一定益处，但不利于学生通过实验去发现、去研究、去创造、去解决的思维模式培养[2-5]。因此，需要一种更加一体化的模式加强理论与实践的结合，从内容到形式上，把理论和实践课程真正糅合在一起，做到理论课中有实践验证，实践课上有理论探索，让学生既能学会从实践中探索真理，又能学以致用的用理论去解决问题。

1.2 缺乏深入师生教学互动

通常主要的教学活动中，理论课上，教师以传统授课形式为主；实验课则普遍采用学生自主实践，辅之以课上提问、验收、答疑等方式。但无论理论或实验课上，均缺乏深入的探究性讨论和围绕实验发现问题的研究性指导，学生难以加深对所学知识的理解，且认知水平和自主探究解决问题的能力也不易提高。由于课堂时间的紧张，迫使师生互动受限。不过，“互联网+”的发展使线上资源极为丰富，为学生的自主学习提供了大量的素材和机会[6]。

本课程完成了在线课程建设、口袋实验室使用、智慧教室开放等的硬件环境建设[7]，为随时随地的课堂实践做好了充分准备。因此，课程改革中，建立线上、线下理论实践一体的教学模式，压缩课堂纯理论授课时间，深入开展理论和实践糅合一体的研究型教学得以开展。

2 四位一体“电子电路基础”课程教学模式

2.1 实践导学与理论强基完全糅合

理论和实践，孰先孰后，各有利弊。先做实验，可以培养学生用实验的方法去发现问题和解决问题；先学理论，可以让学生在后续的实验中加深对理论的理解。教学实践证明：学生实验中遇到的各种问题，是最好的教学资源和研讨契机；在课堂中和学生一起发现实验中的问题，探索解决问题的方法，是最好的探究性教学形式之一。为了更好地发挥理论和实践对学习的互促作用，课程改革将理论课64学时和实验课的32学时完全打通，每周2次课，每次3学时，实施小班化教学。不再区分理论课或实践课，从内容到形式上，把理论和实践课糅合在一起，理论课中有实践验证，实践课上有理论探索。重新划分课程知识图谱，梳理理论和实践课程内容。合理地安排哪部分内容先理论再实践，哪部分内容先实践再理论，哪部分内容是探究性内容，适合采用学生线上学习，哪部分内容适合在线下和教师翻转互动，共同探索解决问题的方法。总之，在强化师生教学互动中，切实激发学生的求知兴趣、提高探索性思维方法和解决复杂工程问题的能力。

2.2 四位一体实例1

晶体三极管是“电子电路基础”课程涉及的重要器件，教材中通常会介绍晶体三极管的工作原理，分析模型，分析方法及常见应用。对学生来说，这是一个全新的非线性有源器件，这部分需要“理论强基”，使学生深入理解它的基本工作原理，例如放大、饱和和截止三种工作模式，大、小信号模型和分析方法，只有真正掌握这些，学生方能进一步应用三极管特性构建各种功能电路，如放大器等。

三极管在放大器中使用时，静态工作点的合理设置是前提。在讲解了基本偏置方法和静态工作点求解后，学生需进行验证性实验。在图1所示电路中，给出双极型晶体管2N3904的β和VBE(on)，让学生计算T1的各极电流和电压，再在Multisim中用直流静态工作点仿真对比验证。给该电路加上输入信号和适当的电容形成一个晶体管放大器之后，用瞬态仿真测试晶体管放大器的波形和增益，如图2所示。

图1 晶体三极管静态工作点分析电路

图2 晶体三极管放大器电路

课后布置实践作业，将图2中的20 KΩ电阻分别改为8 kΩ和30 kΩ，再进行直流工作点仿真，判定三极管的工作模式，并进行瞬态仿真，观察输入输出信号波形。记录发现：两种情况下，三极管均工作于放大模式，但是学生会发现输出波形失真。引导学生认真思考个中原因，提示他们在课本和在线课程的“三极管的偏置电路”单元中寻找原因来解释该现象。

翻转课堂上，请学生讲解研究结果，引导学生在实践发现和自学理论的基础上，探索发现“静态工作点设置的合理性问题”。

放大器基本电路，要实现不失真放大，必须选取VIQ使静态工作点设置在放大区，且远离截止区和饱和区，如图3(a)中的Q点。若Q点设置靠近截止区(Q′)，则输入电压负峰值的一部分进入截止区而使输出信号电压的正峰值附近被削平。若移向饱和区(Q″)，则输出信号电压负峰值的一部分进入饱和区而被削平。这种被削平的截止失真和饱和失真，统称为平顶失真。

(a)放大器基本电路

(b)图解分析法画出的波形图3 静态工作点的合理设置

偏置点的合理性设置问题在平时的学习中较难体现，学生感受不深。通过实践发现问题，再布置自学线上内容“三极管的偏置电路”，让学生自行寻找原因，解释实践中发现的问题。翻转探讨理论的方式，可以给学生更加直观的感受，理解偏置点设置对放大器的重要作用。

2.3 四位一体实例2

多级级联放大器的电压增益为各单级放大器电压增益的连乘积，但是在计算各单级放大器指标时，必须考虑多级放大器中的前后级之间耦合方式的选择及由此带来的级联负载效应。布置课后实践作业，将同样的放大器两级直接级联，如图4所示。探索是否可以实现Av总=Av×Av=Av2。提示学生在课本或在线课程上“多级放大器”章节里寻找答案。

图4 两级直接级联放大器

翻转课堂上，请学生讲解研究结果，带领学生一起研究图4电路的问题，学会放大器增益异常的检测方法：关键是首先检查直流工作点。介绍多级放大器的三种级联方法：耦合连接、隔直连接和直接连接。直接连接时，重点是讨论前后级的直流工作点互相影响该如何处理。再研究隔直流连接。最后，如图5所示将两级放大器采用电容耦合，仿真读出第一级、第二级和总电压增益分别为Av1、Av2、Av，指出此时的总增益并不等于单级放大器仿真增益的乘积，从而引导学生思考负载效应对级联放大器的影响，最终让学生掌握正确的多级放大器的分析和设计方法。

图5 电容耦合级联两级放大器

多级放大器的分析和设计对学生而言，都有一定的挑战度，主要是对负载效应缺乏直观认知。通过实践发现的问题，可以自学在线课程中的“多级放大器”章节来寻找原因，并对实践发现的问题，给出合理的解释。翻转探讨理论的方式，可以让学生更好地掌握多级的设计技巧，对负载效应等有更深入的理解。

3 四位一体教学法考核

四位一体的教学模式提升了师生互动机会，实现了对学生学习的“过程监控”，让学生逐步提高自学能力、发现问题、分析问题和解决问题等综合素质能力。因此在这个模式中，对于学生的评价也要充分考虑到这些方面，在理论课和实践课的最终成绩评定上建立多元化的课程考核体系：理论课，平时成绩占20%、月考两次占20%、期中考试占20%、期末考试占 40%；实践课，平时成绩占20%、4次课后完成的设计型实验占80%。

课程考核体系较之前更重视平时成绩表现，学生用所学知识回答实践中遇到的问题体现到书面报告和课堂讨论上，该部分和平时作业共同构成了理论课平时成绩的20%；而实验中提出问题、分析问题体现到书面报告和课堂讨论，构成了实践课平时成绩的20%。另外，作为实践课考核的重头戏，4项设计型实验课题(放大器、信号发生电路、振荡器和功放)在学期中分阶段完成，综合考察学生对知识的分析和融会贯通能力以及实际动手操作和调试能力。每一个设计课题评价原则上包括：设计方案合理性和创造性、硬件制作和测试情况、解决问题能力和答辩能力及报告书写能力。

该考核模式全方位全过程考察了学生在不同阶段所表现出的理论学习、知识应用和技能等综合素质，有效地反映了学生学习的各阶段成果。

4 学生反馈

在20-21学年第1学期的“电子电路基础”课程，按照四位一体的教学模式进行了授课。图6是授课课堂的现场照片。学生对所学课程内容和模式各自发表了自己的认识。部分学生的认识列举如下：

(a) 课堂探究发现

(b) 课堂硬件实验图6 四位一体的课堂实录

2019级2班易同学：之前的学习大部分还是侧重于书本内容，与实践结合的并不是非常紧密。而电子电路实验贯穿整个课程和学期，与所学内容紧密结合，课堂上实验探索问题启发了我的思维，线上课程让我学会自学知识、解释问题；实际电路设计和测试锻炼了动手实验的能力，实验理论结合加强了课本知识的巩固。

2019级2班朱同学：电子电路实验让我对思考问题有了全新的认识，课堂探究时，当我改变一个参量时，考虑的不仅仅是直接影响，还要考虑例如直流工作点等很多方面的影响，并从头开始继续研究电路。

5 结语

“电子电路基础”内容涵盖广，难度大，综合性和实践性强，对学生主动学习和自发思考都有极高的要求。本文在深度挖掘课程特点和充分利用课程线上、线下资源的基础上，以激发学生学习兴趣，引导学生学习方法，提升学生探索精神和实践能力为目标，创新地提出“实践、理论、线上、线下”四位一体的教学模式和方法，取得了很好的教学效果。