基于硬件设计能力培养的“四位一体”教学模式构建与实践——以测控电路课程为例

王荣秀，李昔华，李 明

(重庆工商大学人工智能学院，重庆 400067)

新工科建设的新产业发展需求的逻辑本质即工程教育，以解决复杂工程问题能力的培养为主线，以“学生为本、产出导向、持续改进”为核心理念，面向区域经济发展需求培养人才[1]。互联网的快速发展，促进了教学的信息化和多样化。MOOC、SPOC等在线教学资源的建设，突破了教学的时空限制，促进了教学内容、方法、模式及教学管理体制机制的创新与变革[2]。基于此，围绕硬件设计能力培养这一终极目标，对测控电路理论与实验课程内容和教学组织形式进行反向设计，以任务驱动展开，以思政案例贯穿，多层级多路径实施以学生为中心的教与学。

1 课程简介

测控电路是根据高校仪器类教指委第一次会议精神确定的测控技术与仪器专业的重要课程，是部分高校仪器类和电子信息类研究生复试科目。本校的测控电路课程是测控技术与仪器专业核心课程，也可供自动化、电子信息等硬件类专业选学，包含理论课48学时，实验课16学时。从2016年开始，实验课单列，开设在第六学期。学习该课程时，学生已具备电路和电子技术基础，通过本课程的学习，掌握放大、滤波、调制解调、信号转换、驱动等常用电路的原理和类型。对标企业硬件工程师的要求，课程着重培养学生的读图能力；元器件参数计算能力；芯片选型能力；熟练使用EDA工具进行原理图设计、仿真、PCB设计能力；使用仪器调试电路，定位故障能力；文档写作能力；团队协作能力；解决复杂工程问题的能力。2017年之前，主要进行了该课程的仿真资源库建设，2017年立项校级课程建设项目，开展网络教学平台资源建设，2019年通过验收，开始SPOC教学，同年立项校级教改项目，进行对分课堂教学方式改革，至今完整运行三届，2019年获课堂教学创新三等奖，2021年获校级教学成果一等奖。2019年，依托教育部协同育人项目，购买“A+D lab”雷实验装置，开始线上线下混合式实验教学。测控电路“四位一体”混合式课程体系是多年积累的结果，是新工科人才培养理念和工程教育理念在专业课程中的应用体现。

2 课程教学存在的问题

第一，课程内容多，综合性较强。测控电路理论课程中所学电路种类繁多，每种电路的功能性较强，需要将电路、模电、数电、传感器等课程的知识与技能融合，参数计算复杂。第二，学生硬件功底和基础较差，与企业需求脱节。高校电子类课程实验装置大都是实验箱和实验台，学生芯片选用能力差，制作电路板时容易出错，部分学生的电路调试思路不清晰，EDA辅助设计工具掌握不熟练，硬件基础较差。第三，学生缺乏学习兴趣，学习动力不足。测控电路因为教学内容体量庞大，对部分信号的处理以框图形式呈现，较难看到电路实际处理效果，学生学习兴趣和动力不足。

3 “四位一体”创新教学模式构建思路与举措

3.1 创新思路

按照知识点和能力点对课程内容进行划分，知识点通过网络平台练习题和课后作业来巩固，能力点通过小组作业和实验来训练。理论教学时将大量教材框图转化成实际的电路原理图并仿真演示，强化对电路原理和功能的理解。小组作业体现高阶性，学生能在教师的引导下举一反三，进行复杂的电路分析、参数计算、电路设计等。将课程难点做成微课视频，部分概念内容引用学堂在线中的清华大学模拟电子技术课程微课视频给学生自学。实验项目全部改为设计型实验，学生需进行方案设计、电路仿真、元器件购买、电路搭建和测试等工作，实验中引入传感器，增强实验的可观测性，提高学生兴趣。教学过程中注重及时反馈，一方面及时解答对分课堂上学生提出的问题，另一方面通过制作视频解答学生在大作业中存在的问题。另外，可将实验成功的小组作品录成视频发布到班级微信群，阐述电路调试重点，帮助学生解决实验中的问题，提升自信心。

以上课程设计思路如图1所示，逐渐形成了在线学习空间、课堂学习空间、教学资源拓展、教学模型指导“四位一体”混合式课程体系。基于网络在线SPOC课程平台、雨课堂互动平台、“A+D Lab理工实验室”雷实验拓展平台打造混合式在线学习空间；基于典型电路仿真，对分课堂教学方式组织小组讨论、小组展示等打造互动式课堂学习空间；基于微课视频库、知识点超链接库、思政案例库、实验案例库等拓展混合式教学内容；基于ARCS模型设计混合式教学流程和活动。

图1 课程设计思路Fig.1 Ideas of course deign

教学活动采用ARCS教学模型设计，其目的是调动学生的学习动机[3]，如图2所示。任务驱动的小组作业、电路分析与仿真、雷实验项目方案设计、元器件购买等主题任务提升同伴行为关注；过程性评价激励学生主动参与学习和思辨；分层级任务布置和知识点超链接提高课程的高阶性和挑战度；全时间、全空间融入思政元素，引导价值塑造；全过程小组协作教学有利于提高团队合作意识；师生双向多轮实时互动反馈教学保证了课程的持续改进和创新；微课视频推送扫清了部分学生的学习障碍；优秀作业实名展示激励学生认真做事，追求卓越的科学品质。

图2 ARCS教学模型设计混合式教学活动Fig.2 Blended teaching activities of ARCS teaching model design

3.2 创新举措

课程教学首先进行了全局规划，随着技术变革，按照每一章知识点在测控领域的重要性及知识本身特点规划理论教学和实验项目，其中放大、滤波、信号转换和驱动控制几乎是任意一个测控仪器都包含的内容。以信号滤波电路一章为例，说明课程的创新举措。

第一，学情分析和目标设定。信号滤波知识点多，教学目标是学生能根据实际系统中的信号频率和噪声频率设计合理的滤波器进行信号处理，提高测量精度。知识目标：掌握滤波器的分类、各性能指标的含义、常用的电路构成等。能力目标：掌握已知电路计算滤波器性能指标、能够根据指标要求使用运放加外围元器件设计满足功能要求的滤波器、能够使用集成滤波器芯片设计滤波电路。

第二，内容设计与资源整合。A.MOOC资源。各大慕课平台上并没有本课程的资源，但是部分章节可以使用电子技术课程的资源。本章使用了清华大学华成英教授的“有源滤波器概述”视频作为课前推送。B.SPOC资源。在学校网络教学平台的测控电路课程资源中，包含知识点精讲视频、教学PPT、习题集、典型例题讲解视频和滤波器辅助设计软件使用视频等。C.思政案例资源。包括滤波的起源，滤波在电子技术、航天科学、控制工程及其他科学技术部门中的应用。从经典滤波到现代滤波的发展，激励学生勇于突破思维定势，在科技工作和创新中善于多维度思考，积极发挥想象力和创造力，勇于攻坚克难、勇于创新，树立科技强国的责任感和使命感。D.实验设计。本章需完成有源滤波器设计型实验，教学资源包括实验指导书、TI Filter Pro滤波器辅助设计软件、A+D lab雷实验套件(直流电源；信号发生器；双线示波器；波特图绘图仪)、万用表等。学生自行计算电路参数，购买元器件，搭建电路并完成测试，在线提交实验报告。

第三，教学过程与实施方法，如图3所示。

图3 信号滤波章节教学实施过程示意图Fig.3 Schematic diagram of signal filtering teaching implementation process

第四，学习评价与教学反馈。考核方式为过程性评价与期末考试相结合，通过关注学生的学习过程，促进混合式教学效果的提升。通过课堂表现、课后作业、实验效果、问卷调查等多个时空维度综合考察学生的学习能力和学习效果。测控电路实验单列，理论课程平时成绩占比40%，期末考试占比60%。理论课过程考核评价标准如表1所示。

表1 理论课过程考核评分细则Tab.1 Theory course process assessment scoring rules

实验没有单独组织实验考试，实验课期末总成绩为四次实验成绩的平均。总评成绩构成比例=实做成绩(60%)+报告成绩(20%)+答辩成绩(20%)，如表2所示。

表2 实验课考核评分细则Tab.2 Detailed rules for experimental class assessment scoring

学生学习反馈通过企业微信和在线教学平台进行。大部分学生在学习、仿真、实验中的问题，通过企业微信发送给老师解答。教师教学反馈主要通过课堂上的习题评讲、优秀作业展示进行，部分问题比较集中的地方通过录制视频解决，拓展学习资源链接有时也通过企业微信在班级群发布。

在课程结束后的问卷调查中，95.6%的学生认可线上线下混合式教学方式，98%的学生认为电路仿真分析辅助教学手段对知识的掌握有很大帮助，98%的学生认为本课程教师课前、课中和课后的安排合理，97%的学生认为经过一学期的学习收获很大。对于课程实验，学生给出了“最能锻炼动手能力的一门实验”“非常的好，很合理”“教师讲解得很到位，通过自己努力也得到了实验结果，收获很多”“很好，不需要改进，希望对下一届更加严格要求”等评语。部分教学过程展示如图4所示。

图4 教学过程图片展示Fig.4 Picture display of teaching process

3.3 创新点总结

本课程在“互联网+”教育背景下，针对工程专业培养目标及学生能力需求，提出“四位一体”混合式课程体系。创新点主要包括：第一，“分”层施教，精准教学。围绕典型电路的分析和设计，基于在线学习空间拓展讨论问题和微课知识点推送，雷实验项目设计及精准指导，实现了“分”层施教，精准教学。小组课后拓展任务，保证了课程的高阶性，学生资料查找能力、仿真软件使用能力、设计创造能力等得到锻炼，有力支撑了后续的课程设计和毕业设计。第二，“互”动教学，及时反馈。基于课堂学习空间的对分讨论课堂，小组分别展示自己的“亮考帮”，对于“帮帮我”的问题，组间不能互答时，教师将及时解答，实现了学习实时反馈，达成了智慧互动教学。针对大作业中的共性问题，教师制作视频进行有效指导。实验前和实验中的精准指导，帮助学生克服动手中的思路问题，建立学习自信，提升了课程满意度。第三，“混”合案例，合作育人。基于教学资源拓展的实验案例分析、思政案例、公众号优质科普文章、最新实用工具和器件的相关介绍，形成了有温度、有广度的混合式课堂。学生实现了价值塑造，积极完成雷实验任务、工程案例报告，提升了调试工具使用能力、故障定位能力，达成了课内外拓展提升。学生课上、课下积极开展互助学习、交流讨论，达成了主动思辨的教学效果提升。

4 结语

课程建设和教学改革是师生双向互动下动态提升的过程，在后续教学实践中，除方案设计、原理图设计和实物电路搭建测试外，将增加PCB设计内容，结合竞赛和产教融合项目，强化硬件设计能力培养，学生将在课程群中完成硬件设计的全过程，对接企业需求。测控电路“四位一体”混合式课程体系是新工科人才培养理念和工程教育理念在专业课程中的应用体现，围绕硬件设计能力培养这一目标，对课程内容和教学组织形式进行反向设计，并在教学模型的指导下科学组织实施，最终达成产出目标。本课程的创新思路对其他新工科混合式课程的教学设计具有参考价值，具有一定的可推广性和可复制性。