电子技术基础精品课程建设的几个要素

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  我们从1999年开始进行电子技术优秀课程(后改称精品课程)的建设,在原来电工电子系列课程改革的基础上,将电子技术等几门课程作为一个平台,包括基础电子技术、集成电子技术、可编程器件与EDA、电子技术实验、课程设计等。改革中进一步加强了与电路和计算机平台课程之间的联系。我们确定了课程的设置和体系、主要内容、启发式教学、实验和工程训练、教学方法和手段几个方面的改革,是一种多方位的改革。
  
  一、建立模拟电子技术和数字电子技术交替授课的新体系
  
  1.课程体系的改革
  考虑到近十多年来电子技术的飞速发展,电子技术课程内容已不大能够满足后续课程的需要。后续课需要增加的新内容,往往是模拟、数字混合集成电路。原来电子技术课程分为模拟和数字两个部分,对许多新内容比较难于安排。所以我们打破原来的体系,采用模拟和数字交替进行授课的模式,但又不能太分散,基本上将模拟和数字部分各分成两大块,即A1、A2、DI、D2。A1和D1称为基础电子技术,在第四学期授课;D2和A2包括较多的集成电路内容,称为集成电子技术,在第五学期授课。电子技术基础课程新体系的示意图如下:
  


  “基础电子技术”是将原来模拟和数字的一部分内容合在一起。在一些课程内容的处理上也比较合理,例如逻辑门从其工作模式上看是双值的,但从其原理的介绍上看,更接近于模拟电路,典型的TTL与非门,其中间级是放大器,输出级的上拉部分可看成射极输出器,输出级可看成有源负载的反相放大器,所以逻辑门放在“基础电子技术’中去讲比较自然;将运算放大器的线性应用电路提前,有利于模块化实验的安排和在反馈放大电路中使用集成运放的例子;把运放非线性应用的波形发生电路、数字电路的波形发生器,以及压控振荡器放在“集成电子技术”中一起去讲比较好,这也可使两个学期的课程比较均衡。
  这样改革的优点是:
  (1)总体上“基础电子技术”中集成电路的内容提前了,所以在“集成电子技术”中可以讲一些模拟、数字混合的新器件和电路,课程内容有较大的更新,适应了电子技术飞速发展的需要。
  (2)计算机平台课程中的硬件课程可以提前到第五学期开出,减轻了后续课程的压力,有利于总体教学计划的优化。
  (3)“基础电子技术”中的内容是最基本的,根据具体情况各专业可以在“集成电子技术”的内容上有所增减,比较灵活,容易操作。
  (4)由于集成电路的内容提前,实验改革中的实验按模块化设置就便于安排,有利于课程总体改革方案的实施。
  
  2.课程内容改革遵循的原则
  要施行这样的课程体系,必须要解决课时的问题,课时必须通过体系的优化、内容的优化、讲解方法的优化自身加以解决。体系的优化在前面做了介绍,方法的优化在下面介绍,在此介绍课程内容的优化。我们确定的课程内容改革应遵循的原则是:
  (1)删除陈旧的内容,不断地优化课程内容,对课程内容的优化要不断地进行,因为对课程内容内在规律的认识不是一天就能完成的。这也是腾出课时,增加新内容的前提。
  (2)在保证基础的前提下,更新课程内容,适当地增加一些已经得到了广泛应用的新技术、新器件。专业课内容变化很大,对电子技术课程随之也有了新的要求。如果只看到电子技术课程的基础性和入门性,而忽视了为后续课程服务的宗旨,那必然会造成本课程与后续专业课之间在内容衔接上的间断。
  (3)但我们也不是大量地膨胀新内容,只是对那些已经成熟的对拓宽基础有利和有极大发展势头的新技术有选择地加以采纳。如运算放大器的应用、开关电源控制器、模拟乘法器、开关电容电路、调制解调、锁相环、压频和频压转换、半导体存储器、可编程逻辑器件PLD和EDA的内容。适应了电子技术飞速发展和后续课程的需要,这些新增内容大约占讲课学时的20%~25%。
  (4)对一些课程内容的优化,着重物理概念的分析,要加强与“电路”课的联系,并与计算机仿真结合。包括过去认为是重要的基本内容需要删减的要下决心删繁就简。重点放在参数、曲线的介绍,对内部电路要淡化,有的只介绍端口处的电路,其他部分用方块图替代。
  
  3.课程内容改革要点
  由于课程内容改动的地方比较多,下面举一些例子加以说明。
  我们认为模拟部分可以删简的内容有基极调制效应,具有电流负反馈的两管直接耦合放大电路稳定工作点分析,运算放大器和功率放大器的内部电路分析,镜象电流源等。如果用分立元件搭镜象电流源电路,很难达到采用集成化工艺实现的技术指标,既然运算放大器内部电路不讲了,镜象电流源等集成化的电流源也就删去了。但是电流源的基本电路还要讲,对于微电子专业集成电流源还是需要讲的。
  可以进一步优化的内容有静态工作点,传统教材基本上有三种讲法。学生刚学习电子技术这门课,还不习惯工程近似的方法,我们采用戴文宁定理,将所有静态工作点的计算归于一个公式,这样就回避了近似计算,公式又不复杂,学生反而容易接受,这既加强了与电路课程的联系,又免去了初学者的许多疑问。
  运算放大器可以提前讲,对线性应用,用虚短和虚断去解决,到讲反馈时再从反馈的角度去解释,以进一步深化。这样安排有利于综合型实验的实施,有利于在反馈电路中采用运算放大器电路的例子,增强集成的比例,对总体教学改革有利。
  对于负反馈放大电路,忽略放大电路的反向传输和反馈网络的正向传输,忽略反馈网络的负载效应,即在理想的条件下来讨论反馈放大电路。对于多重反馈,一般只考虑最外层的反馈,且只计算深度负反馈条件下的增益,专业课基本上也是这么处理问题的。若要详细计算比较复杂的反馈问题,可以到专业课中去解决,或用计算机去仿真。
  在数字部分删去TIL与非门内部电路的详细计算,主从JK触发器和边沿JK触发器的内部电路,与非门的单稳态和某些多谐振荡器,一些中规模集成电路内部逻辑图的分析等。序列脉冲发生器应侧重如何解决它存在的问题。
  数字部分有不少内容可以优化,将逻辑代数的形式定理归为五类,加上对偶规则,形式定理的讲解就十分容易了。加强了最小项的概念,用最小项将逻辑函数的化简、二进制译码器、数据选择器、中规模计数器、存储器和可编程逻辑器件串联在一起。既加强了这些知识点之间的联系,又可优化课程内容的讲解。
  结合放大电路讲解TTL与非门的稳态工作原理,粗一些十几分钟可讲完,细一些也不超过20多分钟。维持阻塞D触发器的工作原理和防止空翻有20分钟也可以讲清楚。555定时器将它的功能表,归纳为四条原则。这样555定时器的问题讲起来就很简单,例如施密特触发器工作原理的实质与多谐振荡器一样,只不过控制电压是外加的。
  新增加的部分,主要是交代基本的概念,例如调制解调本来就不仅仅属于高频。在传统的低频领域,如脉冲宽 度调制,低漂移的运算放大器、遥控器等许多方面也使用调制解调。所以,调制解调的基本概念,以及锁相环等内容应纳入电子技术课程,这也有利于专业面拓宽和高低频的结合。
  采用PLD器件用EDA技术制作ASIC的技术已经成熟,这是学生掌握现代电子技术的一个标志,必须引入课程之中。
  
  二、教学方法和手段的改革
  
  1.提出了多媒体课件制作和使用的原则,采用先进的教学手段授课
  我们积极开展了多媒体课件的研制和应用。模拟电子技术基础课程教学辅助系统(助教型课件),1999年通过教育部的鉴定,2001年获国家教学成果二等奖。在此基础上进一步改进了该课件,并提出多媒体课件的制作原则是“分层显示、动态感强、师生交互、多种媒体有机组合,便于修改”。使用原则是“控制播放速度、板书与播放相结合、给学生留有足够的思考时间、加强师生交流”。全体任课教师均采用多媒体课件授课,使用率30%~60%。用ppt2003版软件新制作的课件样例在多次全国性的会议上演示,反响强烈。
  目前有相当多的教师采用多媒体授课,但课件的制作水平低,没有分层显示,整屏播放,字体小,不注意色彩的搭配,只是单媒体的运用,自然效果欠佳。但是要制作好的课件确实要花费许多精力,单人独干显然不是好办法。我们的经验是组织教师一起制作,既可以形成良好的氛围,又可以随时交流,互相启发取长补短,有利于课件质量的提高。当然有专业公司的介入则更好,那就需要较多的经费和教师的专人配合,特别是教学思路和方法的配合。
  
  2.注重调动学生的学习主动性,制订启发式教学流程
  教师在课堂上传授知识,无论是采用黑板教学,还是采用多媒体教学,要通过先进的教学方法和教学手段来完成。电子技术基础课程的教学强调以人为本,从以教为主,向以学为主的过渡,注重调动学生学习的积极性、主动性。研究课程中需要启发的知识点,研究启发式教学流程,编写启发式教案。这些教案规定在什么时候提出问题,如何提出问题,学生如果回答出来,又如何进一步加深问题:如果学生回答不出来,如何降低难度提问:如何故意设置“陷阱”,总结为什么会掉进“陷阱”,以及如何归纳,如何在课程的前后内容中互相联系等等。采用启发式授课,提高了学生自主学习的能力,提高了教师的整体教学水平。启发式教学活跃了课堂气氛,调动了学生积极的思维活动,有利于学生养成良好的学习习惯。开始时可能要费一些课时,一旦形成了良好的课堂氛围,对一些非重点难点的内容,一些叙述性的内容可以以自学为主,在课堂上不需要多讲,有利于精简学时,两厢互补不会增加学时。好的学习习惯将使学生终身受益,这比学生死记硬背考一个好分数更重要。
  
  三、建立在学生积极参与基础上的模块化实验教学体系
  
  电子技术基础课程实践教学体系与内容的改革是为了真正形成理论课和实验课之间的动态良性循环,使实验教学作为素质教育中的重要一环。学生在实验中应该学会自学,使实验成为一种获取知识的必要手段,成为一种既动脑又动手的学习新知识的方法,是培养学生自身造血机能的重要教学手段。这样,就可以在理论和实践双重高度上获取知识,这比仅仅在理论课单方面获取的知识要深刻、牢固得多。这种对实验教学的新认识,是对旧的实验教学思想的变革,这种全新的实践教学指导思想是保证实验教学改革获得成功的重要基础。我们不断地探索、研究实验教学的规律,积极地进行实践。电子技术基础课程的实践教学体系改革的要点如下:
  
  1.电子技术实验课按模块化设置
  我们在将实验划分为验证型、设计型、综合型三个层次的基础上,进一步将一个个实验组成相应的模块,最终构成一个有实用价值的应用电路,如温度测量控制、数字电路应用、步进电机驱动、数字频率计、数字显示、直流电源、DC-DC变换器、波形发生电路、字符发生器、FPGA、PWM控制器、模拟乘法器的应用等。例如下图给出了温度测量的方框图,在此基础上,在提出如何对温度进行控制,将开环的测温电路变为闭环的电路。
  


  
  2.对试点班级发便携式实验箱
  便携式实验箱如同一本32开书大小,人手一台。优点是拓展了实验的空间和时间;有利于学生通过实验自主学习和自学能力的提高;实现理论课和实验课的有机结合,并且适当将一部分课程内容分流到实验中进行;有利于实验室的开放运行等。
  
  3.以实际操作实验为主,计算机仿真为辅
  注意发挥计算机在实验教学中的作用,培养学生的仿真意识和仿真能力。仿真实验能够帮助学生更好的完成设计任务,动手实验之前,先仿真,以验证设计正确与否。以实际操作实验为主,计算机仿真为辅,既突出了实验能力的培养,又强调新实验手段的学习。
  
  4.加大实验学时和实验单独记分
  目前实验总学时56学时,达到总学时的1/3。其中,验证型实验9学时,计算机仿真12学时,设计型和综合型实验以及FPGA实验25学时,实验考核4学时,实验理论课6学时,另有1~2周的课程设计。实验总成绩由平时成绩和期末实际操作考核成绩组成,记入课程的总成绩之中。鼓励优秀学生积极参加课外科技活动,让学生在实践中锻炼提高,增长才干,获奖学生实验成绩记为优秀。
  
  四、注重优秀学生的培养
  
  从1995开始组织学生参加全国大学生电子设计竞赛,并作为黑龙江赛区专家组组长单位,组织全省的竞赛工作。几年来,我校有大约1000多名学生参加各种电子竞赛,有18人获全国大学生电子设计竞赛一等奖,36人获全国大学生电子设计竞赛二等奖,有上百名学生获省级奖励。受学校委托,负责组织大学生的电子类课外科技活动,2000年以来,有近百人获校电子类科技制作奖。经过创新活动选拔出来的优秀学生参加了教师的科研工作,学生们经历了一个科研项目的全过程,大幅度地提高了学生电子电路的设计和调试能力,提高了学生从事科研工作的能力,激发了他们的创新精神,培养了他们的创新意识,并在国内外学术期刊上发表了一批论文。
  
  五、精品课程的继续建设与示范作用
  
  精品课程有一个自身不断完善和继续发展的问题,评上国家级精品课程只能说明在过去取得的成绩,如果不继续提高前进,总有落后的一天,精品课程的继续建设大致可以通过以下几个方面进行。
  对本门课程的优势,有特色的部分继续给予加强建设,保持领先地位;对本门课程的弱势部分更应该填平补齐,减少与优势部分的差距,以使课程能够均衡地发展。
  精品课程建设的重要目的之一,就是精品课程的示范作用,所以,国家精品课程有义务将自己的教学资源公开,供全国同类课程借鉴。应该指出这种借鉴是双向的,国家精品课程也可以学习其他学校在教学中的好思路、好方法,这样才能促进自身的进一步发展,更上一层楼。
  在网络技术不断发展的今天,通过网络展示教学资源是最经济、最快捷、最有效的途径。所以加强精品课程的网络化建设十分重要。教学资源通过网络展示可以和课程网站的建设合并进行,以增加课程网络化教学的比例,力争达到与目前网络技术水平相当的高度。
  召开有关精品课程建设的研讨会,介绍课程的建设经验也是行之有效的好方式。2003年首批国家精品课程评选以来,教育部高教司、全国高等学校教学研究中心、电工电子课程教学论坛多次组织精品课程建设的研讨会、研修班,对提高教学质量,促进精品课程建设起到了积极的作用。
  以上是我们在精品课程建设中的一些具体工作和取得的经验,具有一定的普遍意义。《电子技术基础课程多方位建设的研究与实践》项目,在2005年获得国家级教学成果二等奖,该项目中对于精品课程的建设有进一步的体现。作者希望通过本文与高校同行不断交流,互相学习,不断地提高我们的教学水平,为科教兴国贡献一份力量。
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