工程教育认证背景下高频电路课程改革与实践

摘 要 工程教育专业认证背景下，为满足工程教育专业认证对本科层次人才培养应能解决复杂工程问题的质量要求，对高频电路课程教学进行改革探索。在明确课程目标的基础上，通过分析高频电路课程的特点和教学中遇到的问题，进行高频电路课程理论教学改革、实验教学改革和校企合作工程实践，旨在提高学生解决复杂工程问题的能力，培养学生的动手能力、创新意识和工程实践能力。

关键词 高频电路；工程教育认证；实验教学；校企合作

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2024）18-0088-04

0 引言

工程教育认证是国际通行的工程教育质量保证制度，也是我国高等教育质量保障体系中的重要组成部分。截至2022年底，全国共有321所普通高等学校2 385个专业通过了工程教育认证，涉及机械、仪器等24个工科专业类[1]。《工程教育认证通用标准解读及使用指南（2022版）》（以下简称《指南》）明确了落实立德树人根本任务有关要求，直观地表述了产出导向理念和认证标准的内涵，突出了以学生学习的产出目标（毕业要求）达成为主线，以产出目标评价机制为底线的认证要求。《指南》进一步明确以工程师为主要目标的本科层次人才培养应将解决问题的范畴定为“复杂工程问题”，而不是“宽泛工程问题”，也不是“一般工程问题”，确保满足《华盛顿协议》的实质等效要求[2]。

高频电路是通信工程、电子信息工程等专业的一门非常重要的专业课，有很强的理论性、工程性和实践性，主要介绍无线通信系统各组成单元电路的工作原理及设计方法。通过该课程的学习，学生可以掌握通信系统的基本组成及各模块的功能，培养高频电路的工程设计能力和实践动手能力。由于高频电路课程内容概念繁多、电路形式复杂，分析方法以复杂的非线性分析为主，高频电路实验现象不稳定，且有些实验现象不易观察到，因此，学生普遍反映学习高频电路比较困难，教学效果不理想。

在工程教育专业认证背景下，如何调动学生的学习兴趣，切实提高学生解决复杂工程问题的能力，是高频电路课程的重要任务。西南大学为对标工程教育专业认证、建设一流课程，提高学生的高频电路工程实践能力，对高频电路课程进行了全方位的教学设计和改革。

1 明确课程目标

课程目标是课程结束时学生能够达到的专业能力、相关素养、社会责任等能力产出或成果。课程目标的设计原则是：课程目标决定于毕业要求（指标点），必须支撑毕业要求的达成[3]。西南大学的高频电路课程是电子信息类专业的必修课程，在大二下学期开设，包括48个理论学时和8个实验学时。高频电路课程根据学生的毕业要求，以及课程与毕业要求指标点的支撑关系，制定四点课程目标，如表1所示。课程目标与毕业要求的关系如表2所示。

可以看出，基于工程教育认证体系制定的课程目标非常具体翔实，围绕提升学生解决复杂工程问题的能力而制定，体现了课程内容的工程性和系统性。

2 教学改革措施

高频电路的课程目标确定后，就要确定课程教学内容、课程教学方式，课程教学内容的设计要能支撑课程目标的达成，要与教学方式相适应[4]。西南大学高频电路课程组以工程教育认证为导向，根据课程目标的要求，重新修订高频电路课程的教学大纲，以课堂理论教学、实验教学与校企合作工程实践作为高频电路课程教学的三个部分，形成一个完整的课程结构体系，切实加强学生工程实践能力和科技创新能力的培养。

2.1 理论教学改革

本课程以高等教育出版社出版，冯军等[5]主编的《电子线路：非线性部分》为基础，主要内容是无线通信系统所涉及的各单元电路的组成、工作原理和性能特点。典型的无线通信系统包括发射机和接收机两部分。以调幅发射接收机为例，图1是采用调幅方式的中波广播发射机的一种组成框图，图2是采用调幅方式的无线广播接收机组成框图。

上述电路中，除了低频小信号放大器外，都属于高频电路的研究对象，主要包括功率电子电路、振荡电路、波形变换和频率变换电路等三种类型的电路。其中，功率电子电路的作用是在输入信号的控制下，使输出信号按输入信号变化，并使其功率大于输入信号的功率，内容主要包括第1章中的非谐振功率放大器、功率合成电路和第2章中的谐振功率放大器；振荡电路不需加入输入信号就能产生特定频率范围的振荡信号，内容主要是第3章的LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器等；波形变换和频率变换电路种类最多，电路形式也最复杂，其能在输入信号的控制下，产生与输入信号波形和频谱完全不同的输出信号，内容主要包括第4章的调制电路、解调和混频电路，以及第5章的角度调制与解调电路。

高频电路是包含非线性器件的电路，其响应特性的分析需要求解非线性代数方程和非线性微分方程，求解非常困难。在工程应用中，往往根据实际情况对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以图解法、指数函数分析法、折线近似分析法、开关函数分析法、线性时变电路分析法和频谱法进行求解，分析方法不统一，难以系统化梳理。并且高频电路工作在高频范围内，需要考虑有源器件的高频效应以及电路的高频效应带来的电路性能下降、参数不稳定、电磁干扰等影响。该课程虽然与实际工程应用联系紧密，却也是比较难学的一门课程[6]。

为了提高本课程的教学质量和人才培养质量，培养学生高频电路与系统的研究分析能力、工程设计能力和实践动手能力，学校高频电路课程组经过认真讨论，并充分听取专家意见，对理论课程教学方式作了进一步探讨和改进。

1）设计了专家授课主题。学校已和国内多家知名企业建立了合作关系，由企业委派从事无线通信系统设计、制造和运行维护的一线知名专家，进课堂给学生讲授高频电路导读方面的内容。企业专家带来了前沿知识和技术，也带来了典型案例，将学生的学习目标与国家需求、行业需求结合在一起，让学生切身理解学习高频电路的意义。

2）设计了MOOCs授课主题。对高频电路课程的基本理论和基本方法等知识性较强的章节，采用MOOCs作为课程内容的主要传授方式，形成翻转课堂。学生利用课外时间观看讲座视频或浏览课本，上课时由一名学生讲解其中的一个知识点，其他学生参与质疑和讨论，教师也参与质疑和提问并作适当引导。由于学生在课前通过自主学习掌握了一些基本的知识，在课堂上便可抛出大量的问题进行探究。利用课堂时间进行学习经验的交流与观点的相互碰撞，不仅激发了学生的学习兴趣，也深化了学生的认知。

3）设计了专题研究主题。教师将专题研究任务下发给研究小组，研究小组成员分工合作，通过查阅文献、收集整理学习资料，完成文献综述和书面研究报告的撰写。上课时，组长用PPT对研究成果做口头汇报，其他学生参与质询和讨论。通过专题研究主题，可以培养学生解决复杂工程问题、口头汇报工作和撰写研究报告的能力。

2.2 实验教学改革

高频电路是一门实践性、工程性和综合性很强的课程，不仅要求学生能较深入地掌握相关理论知识，更对学生的工程实践能力提出较高要求。但学生普遍对做高频电路实验兴趣不高，实验效果不理想，主要原因如下。

1）高频电路实验现象不稳定。在高频条件下，构成电路的元器件物理性质发生明显变化。例如：电阻和电容在高频区表现出引线电感性质；并行传输线呈现电容特性；电感容易受到集肤效应的干

扰；三极管在高频区放大倍数下降；导线的电阻和电感量因集肤效应也会随着频率的变化而变化。因此，受电路参数的影响，高频电路分析和研究变得相当复杂，实验现象不稳定，调试困难，实验结果有较大误差，影响学生对实验结果的观察和分析。

2）有些高频实验现象不易观察。由于实验仪器不足或现有仪器无法测试，导致高频电路有些实验现象不明显或不易观察。例如：在正弦波振荡器实验中，用示波器可以观察到正弦波振荡后的情况，但起振的过程稍纵即逝，根本无法观察到[7]；在功率放大实验中，幅频特性曲线可以借助扫频仪进行测试，但是相频特性曲线就没有相应的仪器进行测试；还有各种干扰现象也不易用现有仪器测试，导致学生不能很好地验证高频电路的理论知识[8]。

3）基于实验箱的实验缺乏创新性。实验箱的电路模块由生产厂家提前设计好，实验电路已固定，学生不能进行更改和升级，实验内容大多是验证性实验，按照实验步骤进行简单的连线就可完成实验任务。学生没有参与电路的设计，实验过程缺乏创新性和探索性，抑制了他们的自主开发潜力。

在工程教育专业认证背景下，对实验教学的定位是兼具综合性、设计性以及研究探索性的实验。实验教学除了培养学生动手实践能力，更加注重学生独立思考的能力、运用所学知识解决复杂性工程问题的能力。传统的实验操作模式并不能满足这一点，这就要求对传统的实验教学进行改革[9]。

1）引入软件仿真实验。在高频电路实验教学中，把用硬件电路不能实现或实现困难的项目用软件仿真实验代替，这样学生既能进行硬件操作，又能利用仿真软件对一些硬件不易观察和不易实现的现象获得感性认识[10]。例如：用Multisim软件仿真实验观察正弦波振荡器起振的过程，测试功率放大电路的相频特性曲线等。引入软件仿真实验，可以弥补硬件实验的不足，加深学生对电路工作原理的理解，增强实验效果。在设计性实验中利用仿真软件可以快速完成电路的设计并验证设计结果是否正确。对一些新技术新器件，学生可以通过仿真软件自行进行分析，完成电路的设计和参数的修改，并分析输出信号的特征。引入仿真软件及时跟踪了解新技术，有助于培养学生的创新思维，锻炼学生的设计创新能力和工程实践能力。

2）制作单元电路板。由于实验箱已经提前设计好典型模块电路，元器件已经提前集成好，不利于学生了解高频单元电路的基本结构和元器件的选择方法，因此，高频电路课程组对高频电路所涉及的部分单元电路让学生重新设计制板，如正弦波振荡器、宽带功率放大器、小信号谐振放大器等模块。学生通过仿真软件在原有实验电路的基础上自行进行分析设计，完成电路的变换和参数的修改，仿真通过之后自行绘制PCB板，然后在学校的电路制板实验室加工制作。学生通过自主设计、加工电路板，不仅加深了对高频电路基本单元电路的掌握，而且实现了知识掌握向实践创新能力的转化。

3）增加设计性和综合性实验。目前，高频电路实验主要是以实验箱为基础的验证性实验，不能满足工程性、综合性的实验要求。为此，高频电路课程组在实验中大幅增加综合性的整机电路设计实验，如半双工调频无线对讲机、超外差中波调幅收音机、超外差式调频收音机等综合性实验，要求学生根据实际的设计需求和性能参数，综合运用学过的高频电路知识设计符合要求的电路。此外，高频电路课程组将全国电子设计竞赛中的高频电路类题目作为学生综合设计类实验，将竞赛中采用的新技术、新方法在高频电路实验中推广，引导学生将所学知识进行运用和拓展，提高学生的综合设计能力。

2.3 校企合作工程实践

传统的高频电路课堂主要专注于讲解电路的组成及其工作原理，脱离了工程的需要去理解晦涩难懂的理论知识，没有从现实产品需求出发驱动学生设计电路方案、论证电路工作特性，没有站在整个产品的角度去考虑问题、分析问题、解决问题。为此，学校采用校企合作的方式来提高学生的工程实践能力。目前已和国内多家知名企业建立了合作关系，合作方式有以下几种。

1）建立校企合作高频电路实践平台。以工程问题导向延伸和拓展理论知识内容，以工程项目式实验实训方式深化学生对高频电路理论知识的认知，以专业竞赛的实战训练方式提升学生系统分析、设计和制造的能力。

2）共建一系列的专业实习基地。学生在学习高频电路课程之后到校外实习基地进行实习，参与企业产品的生产和开发，解决生产中的实际问题，实现工程实践能力的训练和培养，以增强专业适应能力和就业竞争力。

3 结束语

工程教育专业认证要求培养学生的工程实践能力、创新思维能力、系统分析与设计能力，能够运用所学知识解决复杂性工程问题。高频电路课程组在重庆市教育教学改革项目、西南大学实验技术研究项目的支持下，对高频电路课程进行改革与实践。本文根据高频电路的课程目标，对课程教学内容和特点进行分析，在此基础上进行了理论教学改革、实验教学改革和校企合作工程实践。高频电路课程改革在2021级电子信息工程、通信工程专业本科教学中进行了实践，收到良好的教学效果。在今后的高频电路课程教学中，课程组将继续优化资源配置、改进教学方法，加强学生实践能力和科技创新能力的培养，为国家培养更多优秀的电子信息工程类人才。

4 参考文献

[1] 中国工程教育专业认证协会 教育部教育质量评估中心 关于发布已通过工程教育认证专业名单的通告[EB/OL]. （2023-06-28）[2023-11-26].https：//www.ceeaa.org. cn/gcjyzyrzxh/xwdt/tzgg56/632172/index.html.

[2] 《工程教育认证通用标准解读及使用指南（2022版）》 修订说明[EB/OL].（2022-11-08）[2023-12-26].https：// dpb.ncu.edu.cn/docs/2024-03/8c6f3bda45944723bb4b 628871f7d998.pdf.

[3] 工程教育认证工作指南（2018版）[EB/OL].（2017-11- 01）[2023-08-22].https：//www.hfuu.edu.cn/_upload/ article/files/37/a1/d79a5f3b4e3e8ecbc00576024b5 c/8072abfd-df38-4637-8687-b88239ea885c.pdf.

[4] 张迎庆，马卓，尤祥宇，等.“成果导向”的课程教学质 量评价机制的构建与实施[J].化工高等教育，2021， 38（1）：61-67.

[5] 冯军，谢嘉奎.电子线路（非线性部分）[M].6版.北京： 高等教育出版社，2021.

[6] 周沛，牛娟.工程教育专业认证背景下《高频电路》课 程教学的探索[J].科技视界，2020，（35）：23-25.

[7] 黄扬帆，甘平，刘晓，等.高频电路实验教学改革的探 索[J].实验室研究与探索，2011，30（7）：285-287.

[8] 梁丽芳.高频电路实验教学改革与探索[J].实验室科 学，2017，20（2）：147-150.

[9] 王勤，程辉.“高频电路”课程实验教学改革的探究[J]. 教育教学论坛，2020（34）：159-161.

[10] 赵彦平，王波，王勇，等.仿真实验在“高频电子电路” 课程中的作用[J].电气电子教学学报，2023，45（4）： 208-211.