前言：尋找寫作靈感？中文期刊網(wǎng)用心挑選的科教融合下電子電路實(shí)驗(yàn)改革探究，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

摘要：針對(duì)電子電路類實(shí)驗(yàn)課程存在的若干問題，在科教融合理念指導(dǎo)下進(jìn)行了改革與實(shí)踐。設(shè)計(jì)了符合時(shí)展且具有較強(qiáng)綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，以及具有較高挑戰(zhàn)度的綜合設(shè)計(jì)題目，提出了工程能力與科研能力并重的人才培養(yǎng)模式，取得了豐碩的教學(xué)成果。教學(xué)實(shí)踐表明，該教學(xué)改革提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握，培養(yǎng)了學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

關(guān)鍵詞：電子電路；科教融合；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

電子電路技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的多個(gè)行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，很多高校都開設(shè)了電子電路類的實(shí)驗(yàn)課程[1-7]。“電氣技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)”是我校電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心面向全校電類專業(yè)本科生開設(shè)的一門實(shí)驗(yàn)課程，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的重要課程之一。經(jīng)過十余年的運(yùn)行，該課程尚存在以下問題：①課程內(nèi)容相對(duì)陳舊，學(xué)生興趣不高；②不同實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生在做完全部實(shí)驗(yàn)后缺乏將所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的能力；③課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度不夠，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。我中心共有十余名教師承擔(dān)本課程的教學(xué)任務(wù)，其中大多數(shù)還同時(shí)從事高水平的科研工作。為了解決課程教學(xué)現(xiàn)存的問題，本團(tuán)隊(duì)在“科教融合、學(xué)術(shù)育人”的教學(xué)理念指導(dǎo)下，對(duì)課程進(jìn)行了改革與實(shí)踐。通過充分挖掘科研活動(dòng)中的基礎(chǔ)性問題，將其與“電氣技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)”課程相融合，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行了擴(kuò)充和更新，設(shè)計(jì)了若干綜合性強(qiáng)、更加貼合實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，提高了課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，旨在以高水平的科研支撐高質(zhì)量的教學(xué)。在課程中，鼓勵(lì)并引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)生活中的問題設(shè)計(jì)解決方案，支持學(xué)生申請(qǐng)專利及，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的同時(shí)提高學(xué)生分析總結(jié)能力及論文寫作能力。

1融合學(xué)科前沿與工程實(shí)踐的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。針對(duì)學(xué)生興趣不高問題，本團(tuán)隊(duì)從實(shí)際科研及工程項(xiàng)目出發(fā)，凝練出若干基礎(chǔ)性問題，用于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的更新，設(shè)計(jì)了一系列緊跟時(shí)展并貼合實(shí)際工程應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[8-9]，如“非正弦周期信號(hào)諧波提取”“周期信號(hào)諧波合成”“波形產(chǎn)生和信號(hào)調(diào)制解調(diào)”“簡(jiǎn)單數(shù)字頻率計(jì)”等。以“波形產(chǎn)生和信號(hào)調(diào)制解調(diào)”實(shí)驗(yàn)為例，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生利用運(yùn)算放大器和阻容元件搭建不同頻率的正弦波和三角波產(chǎn)生電路；再將低頻正弦波作為基帶信號(hào)，將高頻三角波作為載波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制；最后搭建有源低通濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)。該實(shí)驗(yàn)具有較高的復(fù)雜度，對(duì)學(xué)生的理論分析能力和動(dòng)手實(shí)踐能力有較高要求。此外，該實(shí)驗(yàn)密切貼合當(dāng)下熱門的5G通信技術(shù)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過這些實(shí)驗(yàn)，對(duì)如何將所學(xué)知識(shí)用于實(shí)際工程問題有了更深的認(rèn)識(shí)，提高了對(duì)課程的認(rèn)同度。

1.2優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。針對(duì)不同內(nèi)容間聯(lián)系松散、課程內(nèi)容挑戰(zhàn)度不高的問題，本團(tuán)隊(duì)充分結(jié)合學(xué)科前沿，對(duì)課程的綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一些綜合性強(qiáng)且具有較高挑戰(zhàn)度的題目供學(xué)生選擇。在此前的課程教學(xué)中，為了加深學(xué)生對(duì)課程體系的認(rèn)識(shí)，設(shè)置有綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，但學(xué)生自行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)往往集中于模電或數(shù)電單一課程所學(xué)的內(nèi)容，綜合性不夠。這一次本團(tuán)隊(duì)設(shè)置了更符合課程教學(xué)目的的題目[10-11]，如“基于PPG的心率測(cè)量系統(tǒng)”“智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)”“自行車測(cè)速規(guī)劃裝置”“音頻燈光控制系統(tǒng)”等。以“自行車測(cè)速規(guī)劃裝置”題目為例，如圖2所示，題目涉及電源設(shè)計(jì)、信號(hào)預(yù)處理、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)換算、動(dòng)態(tài)顯示等內(nèi)容，是對(duì)課上所學(xué)知識(shí)的充分融合與回顧。在實(shí)現(xiàn)過程中，我們還會(huì)設(shè)置一些限制，從而培養(yǎng)學(xué)生在條件受限情況下靈活變通、大膽創(chuàng)新的工程素養(yǎng)，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。例如，本題目要求學(xué)生每隔10s刷新顯示車速并給出速度規(guī)劃，這就需要將單個(gè)計(jì)數(shù)周期的計(jì)數(shù)結(jié)果結(jié)合車輪直徑換算出車速。學(xué)生最容易想到的解決方案就是使用單片機(jī)，但我們要求學(xué)生只能采用本課程使用的芯片來實(shí)現(xiàn)全部功能，因此如何利用本課程所學(xué)知識(shí)實(shí)現(xiàn)上述功能是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。這樣設(shè)置的目的是模擬工程實(shí)踐中方案選擇受限的情境，同時(shí)引入課程思政元素，強(qiáng)調(diào)我國(guó)在某些關(guān)鍵領(lǐng)域被卡脖子的現(xiàn)狀，激發(fā)學(xué)生努力學(xué)習(xí)、報(bào)效祖國(guó)的熱情。近三年來，學(xué)生完成的部分綜合設(shè)計(jì)題目如表1所示。所設(shè)計(jì)的綜合設(shè)計(jì)題目密切貼近學(xué)生的日常生活，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；所設(shè)計(jì)內(nèi)容具有較強(qiáng)的綜合性，可加深學(xué)生對(duì)整個(gè)課程體系的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生建立起聯(lián)結(jié)理論知識(shí)與工程實(shí)踐的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

2工程能力與科研能力并重的人才培養(yǎng)模式

除了培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，本課程還同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。在課程的綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，除了給定設(shè)計(jì)題目外，還鼓勵(lì)學(xué)生從生活中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，尋求解決方案，并引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新性研究，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛力。對(duì)較為突出的研究成果在申請(qǐng)專利及時(shí)給予經(jīng)費(fèi)上的支持，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)學(xué)術(shù)的大門，培養(yǎng)學(xué)生分析總結(jié)問題及撰寫學(xué)術(shù)論文的能力。例如，170321班8組學(xué)生中的2組出色完成了綜合設(shè)計(jì)題目，并提出了創(chuàng)新性想法，申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利，發(fā)表了EI檢索學(xué)術(shù)論文。圖3為學(xué)生設(shè)計(jì)的智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)[11]。在現(xiàn)有的交通燈系統(tǒng)中，紅綠燈的倒計(jì)時(shí)時(shí)間是固定的，不會(huì)隨著交通流量的變化而變化。這會(huì)使得繁忙路段上，某一方向的車輛暢通無阻，而另一方向的車輛非常擁堵，此時(shí)如果能增加擁堵方向的綠燈時(shí)間，減少暢通方向的綠燈時(shí)間，可以有效緩解路況擁堵，減輕交通壓力。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，學(xué)生采用了最新的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。在路口設(shè)置攝像設(shè)備進(jìn)行定時(shí)拍照，捕捉道路車況照片，將照片上傳至路網(wǎng)主機(jī)端，主機(jī)端通過YOLOv3[12]結(jié)合OpenCV進(jìn)行區(qū)域多路口的數(shù)據(jù)集中處理，捕捉單位時(shí)間的車輛數(shù)目，實(shí)時(shí)獲得當(dāng)前的交通狀況。主機(jī)將此時(shí)的擁堵程度數(shù)據(jù)，通過串口通信方式返回路口FPGA端進(jìn)行接收，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與可視化。此外，從電路可靠性角度考慮，在FPGA中設(shè)置頂層模塊，使在電腦主機(jī)端可以遠(yuǎn)程對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行優(yōu)先手動(dòng)控制，路口端也可以切換模式，進(jìn)行手動(dòng)控制。目前設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的學(xué)生已被保送至北京大學(xué)工學(xué)院攻讀研究生學(xué)位，該學(xué)生表示，在“電氣技術(shù)實(shí)踐基礎(chǔ)”課上所做的項(xiàng)目和據(jù)此發(fā)表的論文對(duì)他爭(zhēng)取到這個(gè)寶貴的機(jī)會(huì)起到了非常大的作用。在課程實(shí)施過程中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過調(diào)查問卷及交流討論形式收集了學(xué)生對(duì)課程的反饋意見，并對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)。學(xué)生普遍認(rèn)為，新的教學(xué)內(nèi)容和綜合設(shè)計(jì)題目使他們對(duì)課上所學(xué)知識(shí)“能用來做什么及怎么用”的問題有了更清晰的認(rèn)識(shí)，消除了遇到實(shí)際工程項(xiàng)目時(shí)的茫然和恐懼心理，提升了解決問題能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和研究創(chuàng)新能力。

3注重經(jīng)驗(yàn)推廣，教學(xué)成果豐碩

通過近三年的實(shí)踐運(yùn)行，該教改成果已成功應(yīng)用于我校自動(dòng)化學(xué)院、宇航學(xué)院、高等理工學(xué)院、國(guó)際學(xué)院等1000余名本科生的培養(yǎng)中，產(chǎn)生了很好的推廣輻射效果。我中心面向?qū)W校非電類專業(yè)本科生開設(shè)的“電路測(cè)試”課程也借鑒了本成果的經(jīng)驗(yàn)，正在開展教學(xué)內(nèi)容改革與實(shí)踐。基于本成果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)近三年共出版教材2冊(cè)，發(fā)表教學(xué)論文8篇，申請(qǐng)教學(xué)相關(guān)發(fā)明專利2個(gè)，獲全國(guó)電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競(jìng)賽獎(jiǎng)2項(xiàng)。

4結(jié)語

針對(duì)“電氣技術(shù)實(shí)踐”課程存在的若干問題，本教學(xué)團(tuán)隊(duì)將學(xué)科前沿和工程實(shí)踐與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)教師的科研優(yōu)勢(shì)，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行了更新與優(yōu)化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。團(tuán)隊(duì)提出了工程能力與科研能力并重的人才培養(yǎng)模式，在培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的同時(shí)提高了學(xué)生的科研能力，并激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新潛能。本教改成果已成功應(yīng)用到我校本科生培養(yǎng)中，取得了顯著成效，為本科實(shí)踐教學(xué)起到了積極的示范作用，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者:岳昊嵩 范昌波 張靜 張秀磊 單位:北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院