基于STEM教育理念的电子电路课程教学改革研究

葛微，詹伟达，唐雁峰，郝子强，李锐，嵇晓强

（长春理工大学，吉林 长春 130033）

0 引言

信息技术时代，信息的产生、存储和处理等过程均由电子电路完成，电子技术的蓬勃发展对电子行业创造性人才的培养提出了更高要求。本文结合作者的教学经验，深入研究了培育学生创造力的电子技术课程体系、教学内容和教学方法。课程是否适应当前学科发展水平和技术应用状况是教学改革研究的主要方向，电子电路课程教学是此类型人才培养的主要渠道，时代变革促使我们进行电子电路教学改革[1]。

1 传统授课模式的现状与问题

1.1 理论联系实际不够

中国高等学校电子类专业的特点是：以培养科技应用型和高素质技术型的专业人才为根本任务，以满足社会需求为目标，以培养学生职业与工作技能为主线，设计能够提高学生的知识、能力、素养的教学方法。电路分析和模拟电路基础是各个高校电子类专业的核心基础课程，两个课程联系很密切，属于理论性与实践性都很强的课程，是电子行业创新人才培养的基础。但是在传统的电子电路课程中，理论联系实际的教学内容还远远不够，而且关于操作技能与实践运用部分的理论知识也讲述得较少。此外，由于高校在实验室建设上所支持的力量不足，实验室设施也相对陈旧落后，无法为学校实验及实训教学工作的开展创造一个优越的实验环境，由此导致了学生的“学”与“用”之间严重脱节。而传统的电路分析与模拟电路基础两个课程相互独立且在不同时间内设置课程，也不利于将原本就一脉相承的知识体系进行融会贯通，更不利于学生形成完整的电子系统概念。STEM教育理念强调综合性、学科交叉与知识融合，培养学生解决问题、创新、跨界的能力所以引入STEM理念指导电子电路课程教学改革极具适切性[2]。

1.2 教学模式不当

传统的教学方法中，由于老师是整个教学活动的主导人，而学习者也只能被动地听，将理论知识一成不变地按章节加以分配，因此教学结果也就只能由学习成绩来决定，这不利于学生真正的学科素质与学习能力的培养。电子类专业教学目的是提高学生的工程素养和创新能力，成为适应时代的行业人才，而课程教学是人才培养的渠道，为顺应科技的快速发展，电路分析和模拟电路基础课程改革迫在眉睫。

2 整合后的电子电路教学改革

2.1 教学内容

根据STEM教育理念中“元科学”的课程融合导向，展开电路分析和模拟电路课程的融合研究。首先，经过充分调研，凝练电路分析的课程知识点，将课程核心知识点与模拟电路相融合，形成科学合理、相互支撑的多维知识结构内容，以项目或任务的形式展现。从实用入手，突破了传统课程中按章节分类的方式，按照“从完成简单工作任务到完成复杂工作任务”的基本能力养成法则，把有关知识点分成了学习性工作任务，把学习的知识点整合在工作任务中，任务中包含了哪些知识点就通过任务引入该知识点。注重器件外部特性和宏观的设计应用，将器件内在机理和微观细节内涵列为次重点，与任务内容无关的知识点置于知识扩展部分，用于学生自修[3]。

2.2 教学方法

采取以工作任务为驱动的教学方法，将各知识点细分成各项任务工作，每项任务由工作任务目标、工作任务解析、相应知识点、任务实施和任务拓展五个相互贯通的部分组成。在任务执行过程中，以学生为主体，以教师为辅助。基于STEM教学理念，使用五E教学方法，通过真实的工程项目环境，使学生通过协作的方式，以小组为单位开展研讨和探究。在研究过程中，学生必须找到实际可行的技术去分析数据，并设计实验和改进解决方案，与此同时进行交互研究，综合应用各学科知识，从而有效锻炼学生的创新设计能力和实际问题解决能力，这与任务驱动教学方式高度一致，更能提高学生综合运用各科专业知识应对现实问题的才能[4]。

2.3 教学场所

授课场地由传统的理论课堂改为专用教室或实验室，专用教室要配有教学工作台、各类仪器仪表、电子电路工具箱和视频投影等实验设备和多媒体设施。在专业课堂中，学员分组开展学习、探讨、发言、软件仿真、电路搭建以及任务结题总结，这就需要学校在教学场地建设上予以全面支持。

2.4 成绩评定

以往的电子电路学科的成绩评价都是以理论知识考核为主，导致了很多学校都一味追求单纯的理论知识掌握，却忽略了学生动手能力的实际训练。在这样成绩评价方式下培养出来的学生大都是“高分低能”，并不能适应现今社会对技术型人才的要求。为此，改革考核方式，从任务开始即严格按照其难易程度进行评分，每项任务的评分都严格地根据评分标准来给定，最后把各项工作任务的总分视为本课程的主要成绩。

3 任务实例

以运算放大器的非线性应用为例，来说明任务驱动教学方法的具体实施过程。

3.1 根据实验提出任务

教师根据运算放大器的非线性应用实验，制定任务：利用运算放大器设计并实现电压比较器和非正弦波发生器。要求学生：①使用multisim对设计的电路进行仿真，并根据任务设计指标调试器件的基本参数；②根据仿真电路图，完成实际硬件电路的搭建。

3.2 任务目标

①进一步了解运算放大器的非线性工作状态；②逐步掌握运算放大器在开环和引入正反馈时的特点；③学会用运算放大器构成电压比较器，还有矩形波、三角波以及锯齿波等非正弦波形发生器。

3.3 相关知识

任务中涉及到电子电路的相关知识，以学生为主体、具体任务为导向进行学习，教师提供辅导，提高学生的学习能力。

此次任务涉及运算放大器非线性工作状态相关知识。当运算放大器处于开环或接入正反馈时，其传输特性为非线性，工作于非线性状态。在非线性工作区，其输出为正向饱和状态或负向饱和状态，即构成电压比较器。而比较器是非正弦波形发生器的重要组成部分。常见的电压比较器有过零比较器和迟滞比较器等，常见的非正弦波发生器有方波、三角波和锯齿波发生器等[5]。

此外，运算放大器除构成波形产生电路外，还可通过电路的运算功能实现不同波形的转换，组成波形变换电路。如通过调整电路元件参数和结构，改变矩形波的占空比，得到方波；对矩形波积分得到锯齿波；对方波积分得到三角波等。

3.4 任务分析

任务分析过程也以学生为主，教师为辅。先将班级学生进行分类，并以分组的形式讨论运算放大器非线性应用的工作原理，接着由各组选派一名学生代表上台解说，最后由老师对整个过程进行分析和讲解，指出学生的不足，指导其进行改进。针对本任务模拟电路的分析，应当注意哪些问题，需要一一列举，并进行着重讲解，做到通过实验的方式加深对相应知识点的理解。

3.5 任务实施

完成此项任务所需设备：双路稳压电源一台，示波器一台，数字万用表一台，μA741集成运算放大器2块，定值电阻若干，电容若干，双向稳压管2只，100K电位器2只。

任务实施完全由学生完成。此项任务需要学生完成三个工作：①设计一个单门限电压比较器，要求阈值电压为-3V，在输入端加入正、负直流电压，完成输入、输出电压的测试，并自拟表格，绘制其电压传输特性曲线；②自行设计一个同相滞回比较器的电路，进行阈值电压理论计算，完成输入、输出电压的测试，并自拟表格，绘制其电压传输特性曲线；③设计一个频率为100Hz至1kHz、可连续调节、输出幅值为6V的方波发生器，并测试其输出波形高、低电平的周期值。以上三项均在实验室完成其调试过程。

4 结语

本文讨论了以STEM为理念指导的电子电路课程教学改革，改进了相应的教学方法，增加了综合设计性实验的比重。强调设计性与综合性实践以培养学生处理工程问题的能力，根据STEM教学理念中“做中学”的实践培养导向，将电子电路课程结构拆分为各项目模块，每一个项目就是一个综合性质的实验项目，项目下划分的任务模块则为实践型学习任务。这种实践和理论结合的“做中学”的教学方式，既培养了学生的理论知识学习能力，又锻炼了其实践动手能力，提高了学生解决工程问题的能力。综上所述，希望本文的研究能为培养符合时代要求的电子行业创新人才做出贡献。