“新工科”背景下《电路分析》实践教学方式的探索

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  摘  要:针对新一轮技术革命和产业变革对高校教育提出的挑战,国家提出了“新工科”的建设理念,强调创新性和复合性的教育理念和人才培养模式。新的人才培养模式对于实践教学提出了新的要求。现以电子信息与电气工程类专业为例,通过对《电路分析》理论课课内实验、认识实习、实验课程、创新实践项目等环节的分析研究,探索实践教学方法和方式的改革和创新。具体实践表明,上述实践教学方案对培养创新型、应用型人才具有较好的效果。
  关键词:新工科  人才培养模式  电路分析  实践教学
  中图分类号:G642                         文献标识码:A文章编号:1672-3791(2021)06(a)-0144-04
  Research on the Practical Education of Electric Circuit Analysis under the background of "new
  Engineering"
  SHANG Jianhua  HUA Yicun  DENG Kailian  SUN Jiatong  CHEN Genlong  BAI Hui
  (Engineering Research Center of Digitized Textile & Apparel Technology, College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai, 201620  China)
  Abstract:In view of the challenges posed by the new round of technological revolution and industrial reform to higher education, the state puts forward the construction concept of "new engineering", emphasizing innovative and compound education concept and talent training mode. The new talent training mode puts forward new requirements for practical teaching. Taking Electronic Information and Electrical Engineering specialty as an example, this paper explores the reform and innovation of practical teaching methods and methods through the analysis and research of experiments, cognitive practice, experimental courses and innovative practical projects in the theoretical course of Electric Circuit Analysis. The specific practice shows that the above practical teaching scheme has a good effect on cultivating innovative and applied talents.
  Key Words:New engineering; Talent cultivation model; Electric Circuit Analysis; Practical education
  為了应对第四次科技革命以及产业升级变革对高校工程人才培养提出的新挑战,教育部提出了“新工科”建设理念[1-3],各高校也相继开展了“新工科”背景下的教学研究,意在探索“新工科”建设模式,进而形成中国特色、世界一流的工程教育体系,有力支撑国家的创新发展,为实现中华民族伟大复兴的中国梦奠定坚实基础。
  东华大学电子信息与电气工程类专业包含自动化、电气工程及其自动化、通信工程和电子信息工程4个本科专业,经过多年的发展,已在自动控制等领域形成了自己的特色和优势[4]。上述4个专业的学生通过强电和弱电、软件和硬件以及元件与系统等知识的学习,获得电子技术、电气控制、自动化、通信以及计算机应用等领域的基本技能,培养分析和解决信息技术领域实际问题的能力,进而成为自动化、电气工程、信息技术等领域的宽口径、复合型高级工程技术人才。
  在电子信息与电气工程类专业的课程体系中,《电路分析》是一门重要的专业基础课,该课程理论严谨、逻辑性强,且具有较强的工程实践要求[5-6]。课程的教学目标是帮助学生扎实掌握电路的基本理论知识、电路的基本分析方法和初步的实验研究技能,培养学生发现、分析和解决问题的能力,为电类专业后续课程的学习准备必要的电路知识,并为深入研究电路理论奠定基础。然而,《电路分析》要求学生在掌握电阻电路分析、相量法及交流电路、动态电路的复频域分析和二端口网络等理论知识的同时,还需在16学时内完成配套的电路实验课程,这对于初学电路、缺乏经验的二年级学生而言,不仅学习难度较大,而且实践锻炼的机会也非常有限,很难达到通过实践操作促进理论内容学习的目的。传统的《电路分析》的实验课程内容仅是对经典的电路理论进行验证,缺乏有关电路分析方法的实践以及实用化电子线路的设计与调试,在培养学生的创新能力以及解决实际问题的动手能力等方面略显不足。因此,认真思考和研究理论教学和实践教学的开展模式,不仅可以有效解决学时有限和内容广泛之间的矛盾,还能合理兼顾传授知识与培养能力的需求;所培养的学生也将具备更好的实践动手能力以及分析问题和解决问题的能力,更加符合新时期应用型人才的需求。下面以东华大学电子信息与电气工程类专业为例,从5个方面探讨“新工科”背景下《电路分析》实践课程的改革和发展,以进一步提升理论教学和实践教学的效果,使实践课程能够更加紧密地结合行业的发展,满足国家产业提升的人才需求[7]。   1  认识实习环节
  《电路分析》是电子信息与电气工程类专业学生的第一门专业课程,在此之前,学生没有任何电学实践基础。因此,在《电路分析》开课之初,同期开展认识实习活动,其教学目标不同于专业实习。认识实习环节旨在借助技能训练帮助学生掌握后续专业课程(理论课程和实践课程)所需的基础实践技能,提高学生的动手能力和专业课程的学习兴趣,为将来从事相关专业工程技术研究工作奠定基础。
  认识实习环节共计5周,主要内容包括规范的实验操作和用电安全、元器件的认识和测量、常用仪器仪表的正确使用、焊接和装配技术以及电子仿真工具Multisim的使用[7-9]。其中,Multisim仿真软件是一个集电路原理设计和电路功能测试于一体的虚拟仿真软件,是用软件的方法虚拟电工、电子元器件及各种仪器、仪表,并通过图形界面将元器件构成的电路和所需的虚拟仪器、仪表集合为一体的。与传统的电子电路设计方法相比,Multisim包含的元器件及测试仪器和仪表十分齐全,可完成各种类型的电路设计和实验,无需消耗实际的元器件,因此,实验成本低、效率高;其次,基于Multisim的计算机仿真实验可以同步进行设计与实验,电路的修改调试、参数的测试分析以及数据的记录和输出均十分方便。另外,Multisim具有强大的电路分析功能,包括直流工作点分析、稳态分析以及瞬态分析等多种电路分析功能,这非常有利于拓展电路实验的广度和深度,也便于学生随时随地开展电路的设计和分析。
  通过5周的学习和动手操作,学生能够识别和选用常用的电子元器件,能够初步了解常用的电工电子测量仪器和仪表的使用方法、电路搭建和调试的基本思路以及印制电路板的制作流程,并能利用Multisim仿真软件进行基本电路的仿真和测量。
  2  电路实验课程
  与《电路分析》理论课相对应的电路实验课程共计16学时,主要教学内容包括叠加定理和戴维南定理实验、电源的外特性和电源的等效变换实验、含有受控源的直流电路实验、交流阻抗参数的测量实验、电路功率因数的提高实验、串联谐振电路实验、一阶电路和二阶电路的响应等。上述电路实验主要为验证性实验,旨在帮助学生通过实践操作进一步加深巩固电路理论知识,逐步掌握电路设计和调试等科学实验技能以及常用电子仪器、仪表的正确使用方法。
  电路实验课程是《电路分析》理论教学的配套实践课程,基础性较强,主要偏向于原理验证。每次实验,学生首先需要明确每个实验的任务,准确理解电路原理图,然后搭建电路并熟练使用各类电子仪器观察和分析电路的性能,按步骤、按要求逐步完成每个实验内容,并详细记录实验数据和现象;调试过程中,需要学生合理分析并解决实验中出现的问题,强调独立思考;最后,准确处理数据并进行分析和解释,完成实验报告。对于学有余力的同学,电路实验课程还提供了拓展实验内容,以期更好地培养学生的实验积极性,提高学生的自我探究能力。
  3  基于Multisim仿真的《电路分析》课内实验
  电路实验在《电路分析》的教学环节中扮演着重要的角色,在培养高质量创新人才和全面提高学生综合素质等方面具有不可替代的地位和作用。然而,电路实验课程的学时有限,只能在一定程度范围内丰富学生的实验感知。为了帮助学生理解和巩固电路理论知识,任课教师在《电路分析》理论教学环节中增加Multisim仿真实验内容,不仅可以对电路实验课程进行延伸和拓展,还能将教学难点的讲解融于直观形象的演示和介绍中[10-11]。课上,任课教师根据课程进度,借助Multisim仿真软件平台建立验证基尔霍夫定律、电阻电路等效变换、替代定理等基本定律定理的仿真电路,然后结合仿真实验测量结果及理论推导讲解相关知识点;课下,每个学生需要自行设计搭建仿真电路,学习使用常用电子仪器和仪表分析实验现象、测试结果并排除故障,完成电路参数的测量。
  另外,学生还需以团队的形式完成一次课程大作业[12-13],大作业的内容较为综合且具有一定的难度和挑战性。例如,在讲解“含有运算放大器的电阻电路”这一章节之后,任课教师会围绕“滤波器的设计”布置大作业。首先,任课教师给出电路的具体参数设计要求和大体思路,以便学生能够有针对性地进行技术调研和方案设计。在确定设计任务之后,学生组队并根据个人兴趣和专长进行任务分工,包括相关技术的发展调研、原理仿真、电路设计和仿真、误差分析以及报告的撰写和展示。在完成大作业的过程中,如遇到问题,学生可进行组内讨论,也可以与任课教师讨论。最后,每个团队需对工作进行汇报和总结。
  经过几个学期的实践,基于Multisim仿真平台的拓展实践环节取得了较为明显的效果,选课学生给出了很多积极的反馈。学生不仅建立了实际电路模型化的概念,掌握了简单电路模型化的处理原则,还初步具备了搭建实际电路的能力,为后续小规模、综合型电路实验以及数模电课程设计等实践环节的顺利开展奠定了较好的基础。更为重要的是,自主、合作、探究的学习过程让学生真正成为了课堂的主人,学生不再是被动地接受和学习,而是自信、自主、快乐、满足地学习和探索。
  4  创新实践项目
  “新工科”建设理念更为强调应用型、创新型和复合型的人才培养模式,单一模式的培养方案已无法满足社会发展的需求,为此,《电路分析》的任课教师结合自身的科研方向,每年提供1~3个创新实践题目供学生团队选择。学生团队可根据自身特长和兴趣进行选题,并在教师的指导和协助下自主完成创新性实验方法的设计、实验条件的准备、实验的实施、数据处理与分析、报告撰写以及成果交流等工作。
  例如,在创新实践项目《语音信号实时重构功能单元的设计》中,首先,学生需查阅科技文献,理解基于激光多普勒振动测量原理的语音信号远距离、非接触、实时探测技术的实现原理,明确激光多普勒测振系统输出信号的特征,细化并完善研究方案,制订项目实施计划;然后,依据真实環境中语音信号探测的实际情况,开展实时重构电路的功能仿真和降噪滤波器等模块的配置参数模拟。其次,建立实时重构电路的Multisim仿真模型,进而获得最优化的配置参数;在此基础上,再借助Protel DXP软件设计完成硬件电路并制板。最后,购买相关元器件并完成板级调试,再与激光多普勒测振系统进行联调实验,进而得到原始语音信息,实现语音信号的探测。在完成项目研究内容之后,学生还需对研究成果进行总结、展示并提交结题报告。   创新实践项目为期一年,它是以科研项目为导向,帮助学生从科学问题出发,从理论和实践两个方面进行项目研究和探索。这种以创新实践项目为牵引的课外培养模式,不仅可以提高学生的实践能力,还可进一步调动本科生开展科研的主动性、积极性与创造性,引导学生运用已学知识发现和解决问题,激发学生积极主动获取新知识和新技能的兴趣,这对倡导以启发探索和创新性实验为核心的研究式学习起着积极的促进作用[14-16]。
  此外,创新实践项目可以帮助学生形成良好的团队合作意识,学会有效沟通和协同互助,为后续参加大学生电子竞赛、挑战杯赛等竞赛积累项目实践经验。
  5  生产实习
  首先,生产实习可以增强学生对电子信息与电气工程类专业的感性认识,帮助学生了解相关技术在工程企业中的应用以及专业基础知识是如何与实际工程相结合的;其次,生产实习还可以让学生尽早体验真实的职场环境,有利于学生在工作后尽快完成从学校到职场、从学生到员工的角色转变[17],尽快进入工作状态。
  相对于以前在某一时间集体到大型国企实习的方式而言,现在的生产实习多采用分散式、自主式的方式进行。对于电子信息与电气工程类专业的学生,学院会提供测试、通信、电力、控制等行业的龙头企业作为实习基地,鼓励学生走出去,学生则可根据自身专业和未来就业意向选择其一进行实习。实习阶段,校内有相关研究方向的教师给予指导,校外企业则会安排企业导师及时跟进并提供帮助;此外,各专业还会邀请相关企业导师到校做讲座和报告,分享工程实践经验。通过校企合作这种实习模式,学生能够清楚地了解自己的特长和不足,并能在实际操作中不断改进和提高、丰富自己的社会经验,在职场上少走弯路,找到更加适合自己的工作。
  6  结语
  现代科学技术的不断发展和进步,要求高校的人才培养模式要不断探索和更新。该文以东华大学《电路分析》课程为例,在分析课程特点和难点的基础上,系统研究了认识实习、课内实验、实验课程、创新实践项目以及生产实习等多种实践教学方式对提升学生综合能力的作用。研究及实践结果表明,多种实践教学方式的综合运用,有利于提高学生的创新能力和动手能力,能够有效缩短学生从学校走向工作岗位的磨合期,与“新工科”的创新型、复合型人才的培养理念也非常匹配。
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