“新工科”背景下模电课程“四位一体”教学模式探究

赵娟 黄玉金 王改芳 游伟坛

摘要：结合“新工科”的特征，通过分析模电课程的自身特点，对中国地质大学（武汉）自动化学院的模电课程进行了教学改革实践。以学生为中心，将“产学融合”“因材施教”“实训提能”和“以赛促教”迭代更新到现有教学过程中，构建了一种“产-教-训-赛”四位一体的多元化教学模式。实践证明，该教学模式使教学质量得到了全面提升，培养了学生的实践动手能力和工程创新能力。

关键词：新工科;模拟电子技术;人才培养;创新型;四位一体

中图分类号：G642.0  文献标志码：A  文章编号：1008-4657（2021）02-0090-07

0 引言

“新工科”是我國工程教育改革的方向[1-2]。其内涵是以立德树人为引领，以新理念、新结构、新模式、新质量和新体系为特征，以培养多元化和创新型卓越工程人才为目标[3]。“新工科”的提出，为工程教育的实践教学提出了全新的视觉。

以“新工科”研究和实践为契机，全国高校积极响应，开展了多角度的工程教育人才培养模式探究[4]。路冬等[5]以南方科技大学为例，打造“国际化教学体系、校企融合基地、能力递增型实践平台”的工程教育模式。王旭等[6]基于OBE理念，对课程的教学内容、目标和体系等进行改革，达到课程创新实践的教学模式。刘阿娜等[7]将CDIO工程教育理念引入课程教学，有效融合了教学内容的本体性和人文性，用创新教学改革推动“新工科”建设。这些教学改革经验和实践做法，已取得了一定的成就。然而，教学模式的探索永无止境，具体到不同课程在专业教学计划中的地位和作用，更需构建适合课程特色的教学模式，为人才培养寻找新思路、新方式。

模拟电子技术（简称“模电”）作为电子信息类专业的基础课程之一，是相关领域技术的关键枢纽点[8]。此课程知识点多，某些概念理论性较强，晦涩难懂，不仅理论知识要求高，而且对学生的实践应用能力要求也非常高，是教学的重中之重。然而，由于教学手段和考核方式传统单一等因素，导致教学效果并不理想。因此，在模电教学中，探究创新的教学模式，对培养学生的自我学习能力、创新精神和综合工程实践能力，具有重要的研究意义。本文结合中国地质大学（武汉）自动化学院的模电课程教学改革实践，融合“新工科”人才培养内涵，构建一种“产-教-训-赛”四位一体的多元化教学模式。

1 模电的教学现状及存在问题

目前，随着电子、自动化的飞速发展，电子信息类领域的高素质工程人才供不应求。模拟技术作为最基础的电子信息类技术，需要紧跟时代前沿。但大多数学生在上完此课程后，依旧缺乏一定的实践能力和创新能力，无法达到相应领域的技能要求。不难发现，传统模电教学过程中普遍存在如下问题。

1.1 理论课与实验课的分离

由于学时设置和教学条件的局限性，模电课程的理论课和实验课在时间和空间上处于分离状态。理论课一般以教师为主，教师在教室里进行理论知识点的讲解，学生被动地接受这种灌输填鸭式教学方法;实验课以学生为主，由于实验设备的多样性和复杂性，一位教师很难同时“照顾”所有同学，往往出现学生盲目进行实验操作的现象。并且，教师在实验课中往往忽略相关理论知识点的讲解和分析，导致理论内容与实践内容联系不够紧密，造成学生对相关内容难以理解;缺少将操作规范和实验结果进行现场示范，极大影响学生的实际操作能力，难以适应复杂工程问题分析的需要。

1.2 实验项目设计不合理

在实验课中，通常设计的验证类项目多，综合设计类项目少。这种验证性项目多以书本内容为中心，采取固定的设计方案，无太大难度和创新。学生在这种单一教育模式下，容易养成精神上的惰性，逐渐缺乏学习热情，也缺乏创造性和个性化发展的思维。这种项目鲜有对创新产品的评价和导向，难以给学生提供创新空间，无法培养学生的创新思维和能力。在实验教学中，学生缺少知识点的综合运用和自我学习、解决问题的实战经验，学习效果不理想。另外，这些实验项目很少有与企业合作的工程实际案例，使学生缺乏对社会前沿技术、热门技术的了解。所以，过多验证类项目的设置，容易导致本科生毕业后无法直接与社会接轨。

1.3 考核方式单一

传统的考核方式以闭卷笔试作为唯一的考核方式，缺乏对学生学习态度、学习过程和动手能力等方面的考核，不能够全面地反映学生掌握该课程的实际情况。目前，有的高校已做出一定的改革，既采用期末试卷成绩占70%、实验成绩占30%之类的做法。但是，由于实验内容设置的不合理性，以及缺乏可量化的测试标准，教师容易对所有学生采取统一的考核要求，既无法看出学生的作品指标差异，也忽略了学生的平时表现和个性能力考验，导致难以拉开此部分的分数差距，最终成绩则依旧以闭卷考试为准。

2 课程教学模式的改革思路

通过分析以上所列举的教学现状及存在问题，发现传统模电课程的教学内容和教学方式与“新工科”的特征存在一定的差距，这为模电课程的教学模式改革提供了新的目标和思路。

首先，模电课程的教学需全面贯彻工程教育理念，培养学生的实践动手能力和创新能力。而实践是工程教育理念的核心[9]。加强实验教学，注重理论和实践的平衡发展，是提升工程人才培养水平的有效手段[10]。在实验教学中融入理论的指导作用，在理论教学中融入实践的客观结果;以学生为中心，着眼于学生的个体差异，以及教学的实际教学情境，设立多元化实验任务和考核指标，才能解决理论教学与实践教学相脱离、考核方式单一等问题。因此，本文将“实训提能”和“因材施教”作为模电课程教学模式改革的核心手段。

其次，模电课程的教学需注重产业需求导向，强化学生的工程应用能力。推进校企合作、产教融合的机制创新，深化产学协同育人，对于高等教育发展质量的提升意义重大[11]。整合校内外资源，深入实施创新训练计划，可拓展学生的知识视野，激发学生的技术创新潜能[12]。以学生的发展和企业的需求为导向，学校和企业共同进行课程建设，开发实践项目，实现学生知识、能力和素质的全面发展，才能解决设计项目不合理的问题。同时，延伸学生的实践环节，努力构建竞赛平台，鼓励学生参赛，以学生的参赛成果作为学生实践创新能力的评价指标之一。因此，本文将“产学融合”“以赛促教”作为模电课程教学模式改革的重要举措。

最后，模电课程的教学应有独特的演化逻辑。相对传统工科而言，新工科是一个更显动态的概念[13]。其新体系的建设不能完全脱离传统工科，而是需要有一个发展的逻辑过程[14]。模电课程的教学改革，不可以与传统教学有绝对的界限，要不断与时俱进，不断迭代优化教学过程。因此，本文遵循循序渐进的原则，以中国地质大学（武汉）自动化学院开设的模电课程为主要对象，将“产学融合”“因材施教”“实训提能”和“以赛促教”迭代更新到传统教学过程中，形成一种新的教学模式方案。

3 课程教学模式的改革方案

融合“新工科”人才培养内涵，本文提出一种“产-教-训-赛”四位一体的多元化教学模式，其组成框架如图1所示。

3.1 产教融合

面对新时代对工科人才的要求，高校对学生的能力培养提出了更高、更新的要求。企业处于紧跟市场需求变化的实践阵地，有着新技术、新设备的实际应用[1]。高校只有加强和企业的合作，才能构建协同教育的长效机制，实现培养创新型卓越工程人才的目标。

3.1.1 结合企业需求，调整教学内容

由于模电大多数内容概念抽象、原理复杂，传统的模电课程教学主要采用教师理论讲授、学生简单实验操作的方式。学生难以深刻理解相关教学内容，不仅降低了学习积极性，也磨灭了分析问题能力和创新探索精神。因此，与企业商讨，按照行业的发展需求对教学内容进行调整，对实现学生知识、能力和素质的全面发展具有重要的意义。

首先，调整实验内容和時间分布，加强学生实践环节。把一些和实验紧密联系的理论内容安排在实验课内，使实验课和理论课融合在一起。例如，将“双极结型三极管及放大电路基础”这个内容，调整到实验项目“BJT共射放大电路”中。在实验教学中，先向学生演示不同静态工作点对三极管输出特性的影响，再引导学生自己动手调节相应电阻，观察电路的输出波形。这种教学把枯燥的知识生动化，把抽象的理论形象化。学生既在规定时间内完成了实验，也加深了对三极管静态性能和动态性能的理解。

其次，大幅增加核心内容和综合性、设计性实验，压缩非核心内容和验证性实验。随着新技术的发展，集成电路比分立元件更具优势，应用更广泛。为此，在保证基本理论完整的前提下，选择性讲解分立电路及器件内部结构，而重点学习集成运放的相关内容。同时，考虑到验证性实验缺乏层次性，不利于培养学生的独立分析解决问题能力，对实验内容也进行了改革。例如，去掉“积分运算电路”“电压比较器”实验内容，增加“方波-三角波-正弦波”综合性实验内容。学生融合所学知识，提出设计方案，能让其自主参与到实践环节中，碰到问题时开动脑筋，激发其创新潜能。

3.1.2 紧跟时代发展，开设校企合作课题

当代科技的发展和科技成果在企业中有着大量的综合性应用。学校的教学内容和课程体系必须紧跟科技前沿和产业发展水平，才能培养出科技素质高的优秀人才。因此，在模电的实验教学中，开设校企合作课题，也是贯彻理论联系实际的一种手段。例如，增设“无接触温度测量装置”和“放大器非线性失真研究装置”等校企合作课题，让学生自由组队，根据自己的知识水平和自信程度，选择合适的课题，设计步骤方案;教师检查方案可行后，学生开始实施实物制作，并调试成功，再交由教师验收。参与校企合作课题的设计，可以开阔学生的视野，使学生了解模电技术发展的前沿，激发学生对电子专业的兴趣，从而获得良好的教学效果。

3.2 因材施教

每个学生的学习能力、兴趣爱好、智力倾向有所差异。如果教师按照同一标准、同一难度教学及考核，就会出现有的学生“吃不消”、有的学生“吃不饱”的情况。只有根据学生的个体差异，适当调整教学内容和教学方法，才能达到激发学生学习兴趣、发挥学生特长和促进学生全面发展的目的。

3.2.1 引入案例教学，将枯燥的知识生动化

在理论教学时，充分考虑学生的知识背景和已有基础，尽量缩短抽象概念的文字展示和理论公式的纯推导过程。利用虚拟仿真和网络学习，引入实验图片、科研动态和精彩科研故事等，使学生快速消除对理论知识的枯燥感，从而激发其学习兴趣，加深其对相关内容的立体感觉，帮助其快速吸收。

例如，在讲解电压跟随器时，首先引入信号源和负载之间的直接连接电路（图2），及信号源和负载之间加入电压跟随器的连接电路（图3），让学生明白电压跟随器的硬件接法。然后，展示示波器测试两种电路时的测试结果，分别如图4、图5所示。比较图4和图5，可以看出，两种电路的输入信号相同，但输出信号的幅值有所不同。以此说明电压跟随器的隔离效果。通过这种案例，学生能对电压跟随器的电路连接方法、作用及应用一目了然，不仅解决理论课堂的枯燥问题，也能帮助学生明确相关电路的设计思路和方案。

另外，在讲授运算放大器时，引入几个前沿的科研实例和对应运算放大器的芯片手册，说明其中出现的选型思路和测试结果，让学生了解运算放大器的指标和测试方法在科研中发挥的作用。在讲解滤波器的原理时，引入滤波器的发展史和相关科学家的科研历程。通过简单的资料分享，激发学生的学习热情和创造潜能。

3.2.2 以学生为中心，设立多层次任务要求

在教学活动中，以学生的发展为根本出发点，设计不同难度的实验内容和考察作业。例如，设立A、B、C三个层次的实验任务（如表1所示）。A级实验以“面”的普及为止，偏向验证性实验，以达到教学的基本要求。B级实验具有一定的挑战性，由验证性实验向设计性、综合性实验转变，旨在为有兴趣和学有余力的学生提供一定的实战机会。C级实验则全部为综合性设计实验，知识点交叉性强，设计方案不唯一，设计指标要求高。学生可以自由组队，分工协作。这种方式不仅可以让学生“量力而行”，激发学生学习能动性，而且可以提高学习互动性，营造良好的学习氛围。

3.2.3 融合多因素，实行综合考核

在考核方式上，不拘泥于闭卷笔试这种单一的形式，可增加平时考勤、作品验收、口头汇报、实验报告和科创成果等方式，分配各考核部分的百分比权重，相加后得到最终的考核总分。在作品验收环节，制作验收记录表，对每一项测试项目和对应的测试结果，都给予相应的评分标准。在口头汇报环节，记录学生的口头表达能力和对课程内容的理解程度等等，给予相应的评分。这种融合多因素的考核方式，能全方位地考察学生的能力，引导学生各抒己长，增强学生的自信心，激发其发散思维，以促进学生的全面发展。

3.3 实训提能

“实践是检验真理的唯一标准”。学生的实践能力是“新工科”人才必备的基本能力之一。模电课程的知识、技术必须和实践有效结合，才能让学生真正理解和学会应用相关的教学内容[15]。因此，教学过程中，必须加大学生的实践环节，提高其动手操作能力。

3.3.1 调整课时分配，加强实验教学

在课程教学学时固定的情况下，适当减少课堂教学的学时量，而增加实验教学的学时量。如当模电总课时为60学时时，传统的分配方法为：课堂教学44学时，实验教学16学时。现调整课时比例后，设置课堂教学30学时，实验教学30学时。课堂教学中的部分非核心的教学内容可以让学生自学，通过调研报告、作业等方式考察学生的学习效果。大幅度提高设计性、综合性实验比例，并增设企业合作课题。另外，引入Multisim仿真软件，与课程教学相结合，不仅可以使课堂教学中的抽象理论变得形象、直观，也能加强学生对实验教学中的电路原理、元器件选型和电路性能的理解，为课程的课堂教学和实验教学搭起一座桥梁，大大提高教学效果。

3.3.2 增设开放性教学，改善实验教學方法

中国地质大学（武汉）自动化学院于2018年联合企业建立了相应的智能化专业实验室。此实验室以常用的示波器、函数信号发生器、稳压电源和万用表为主体，配备有无线网卡、智能插座、视频监控和门禁等，将整个实验室的硬件设施整合成一个基于互联网的智能化管理平台。这种现代化的环境，为实施开放性教学提供了可行性。

依托基于互联网的智能化管理平台，破除课内与课外的边界，完成实验教学从“集中课堂”到“开放课堂”的转变。不仅推行实验室的时间开放和空间开放，也推行实验内容的开放和实施方法的创新，以及实验设备的监管及开放数据的采集。让学生进行实时预约和安全规则等方面的自主管理，根据不同的学习需求，完成学习目标的确定和实验效果的验收。同时，建立QQ群和微信群等社群，保证师生随时随地进行教学互动。

3.4 以赛促教

学科竞赛是一种群众性科技活动，与相关专业的课程体系、内容改革密切结合。它可以培养大学生的创新思维、实践动手能力和团队意识，激发大学生对电子技术的爱好，提高学生的竞争力。模电课程的实验教学强调创新和综合工程的设计应用。“新工科”背景下的实验教学要借助学科竞赛平台，达到“以赛促教、以赛促改、赛教融合”的效果。

3.4.1 以竞赛为标准，内化教学新理念

调研电子信息类学科竞赛在国家、企业中的认可度，筛选出具有教学价值、符合学情的大型比赛项目，如全国大学生电子设计竞赛（简称“电赛”）。以此竞赛的比赛形式和模拟类赛题知识点为标准，设计教学实践案例，调整教学内容，丰富教学活动。

设计实践案例时，考虑其是否符合本课程的教学大纲及学生的认知水平，保证案例能调动学生的学习积极性。当一个案例涉及知识点过多时，可以将其分解为多个子案例，通过子案例将相应知识点串联起来，达到融会贯通的目的。电赛的比赛形式采取的是每组3名学生自由组合，分工协作。在教学活动中，即采取3人一组的合作方式。引导有共同学习兴趣的学生一同讨论学习，提高学习效率。

如针对某个子案例，可以设置一场3人一组的口头汇报活动。在这个教学活动中，学生从传统课堂上的“观众”变成了参与教学活动的“演员”;教师则从传统讲台上的“演员”变成了控制此活动的“导演”及评判学生学习效果的“评委”。通过这种方式给学生一定的压力，增强其学习主动性和积极性，充分体会到获得知识的乐趣、途径和方法。

3.4.2 以竞赛为载体，鼓励学生参赛

依托电赛，鼓励能力稍强或有兴趣创新创业的学生参赛。此竞赛要求学生在任务的驱动下，完成方案设计和实物制作。以2020年湖北省大学生电子设计竞赛E题“放大器非线性失真研究装置”为例。此题目要求利用晶体管、阻容元件、模拟开关等元器件设计并实现一个受控晶体管放大器装置，并使其能够输出的各种失真或无明显失真的信号。从任务可以看出，此题涉及到共射极放大电路的设计、出现饱和失真、截止失真的原因、交越失真的产生等多个知识点，命题方向与模电课程结合紧密。

此参赛过程实际是一个不断迭代的学习过程[16]。学生首先研究赛题的任务需求，确定最终目标为设计制作一个受控晶体管放大器装置。之后结合理论教学中所学的相关知识点，设计共射极放大电路及其静态工作点的调节方案，并完成相关元器件参数的计算。确定方案后，组员分工协作，完成电路仿真、硬件制作、程序编写和系统调试，并按照赛题要求测试作品指标。为了得到更好的测试指标，需不停迭代硬软件，扩展人机交互界面，完善作品。当竞赛结束后，对赛题作进一步分析总结，记录设计过程中出现的问题和解决方法，并写下自己的心得体会，为再次完善作品提供新的思路。此参赛经历是学生不断发现问题、解决问题的过程，对其将来步入社会、参加工作岗位或从事创业都有着深刻的影响，具体过程如图6所示。

4 教学效果

模电课程教学改革后，通过“产教融合”和“因材施教”，使得教学内容与学生的接收能力更吻合，学生能听懂、会应用，在适合自己的实验案例中找到了自信。“实训提能”的教学方式，提高了学生的动手能力、分析问题和解决问题的能力。在大多数教学活动中，学生分组讨论，互动性好，科创氛围和整体学风良好。基础较差的学生能跟上教学进度，基础较好的学生也有了进一步提高和创新的空间，这使得最终考核的综合成绩大幅度提高。学生对此课程的评价较高。他们认为，通过此课程的学习，不仅提高了实践动手能力和创新能力，而且培养了团队合作、竞争意识和自我进取精神。“以赛促教”的教学手段，使得学生参加科创实践活动的积极性较2017年以前有大幅度提高。近3年来，中国地质大学（武汉）自动化学院的本科生累计在大学生电子设计竞赛、大学生智能汽车竞赛中获得国家级奖项14项，省级奖项63项，在科技创新项目中立项163项，申请发明专利、实用新型专利及软件著作权84项，成果颇丰（如表2所示）。

5 总结

本文以电子信息类专业的人才培养为主线，根据“新工科”人才培养目标，探究模电课程的教学改革方案。通过实施“产-教-训-赛”四位一体的多元化教学模式，实现产教融合、因材施教、以训提能、以赛促教等方面的有机结合，增强学生的实践创新能力。在教学过程中，强调“以学生为中心”“开放型教学”和“多元任务”，激发学生的学习潜能，培养学生搜集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、总结交流和团队合作的能力，达到提升课程教学效果的目的。此模式的构建，能有效地提升学生的专业技能、工程实践能力和综合素质，培养出的学生在读研和就业中也得到了高校和企业的青睐。

参考文献：

[1] 刘会衡.“新工科”背景下电子信息类人才校企协同培养与实践研究[J].工业和信息化教育，2021（1）：6-11.

[2] 黎海生，夏海英，宋树祥.基于新工科的电子信息类专业人才创新能力培养模式研究与实践[J].实验技术与管理，2019，36（4）：200-202.

[3] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[4] 王春风，占昌朝，高艳.“双创”背景下材料化学专业PCRRT五位一体的人才培养模式的构建[J].广东化工，2020，47（10）：208-209.

[5] 路冬，魏艳，柯文德，等.“新工科”背景下以国际引领、产教融合、能力递增为特色的工程素质与创新能力培养模式探索[J].高教学刊，2021（10）：17-20.

[6] 王旭，魏安方，徐文正，等.“新工科”背景下基于OBE理念的“织造学”课程教学改革[J].纺织服装教育，2021，36（1）：59-62.

[7] 刘阿娜，陈佳，刘芳婧.基于CDIO教育模式的“新工科”大学英语教学改革研究[J].北华航天工业学院学报，2020，30（6）：40-42.

[8] 韩美林.基于项目教学法的模电实验课堂教学改革研究[J].科技经济市场，2019（11）：134-135.

[9] 王沛民.工程教育基础——工程教育理念和实践的研究[M].北京：高等教育出版社，2015.

[10] 耿鑫，蔡超峰，徐宏，等.电子信息基础课程教学改革研究[J].科教文汇（中旬刊），2020（12）：114-115.

[11] 曹丹.从“校企合作”到“产教融合”——应用型本科高校推进产教深度融合的困惑与思考[J].天中学刊，2015，30（1）：133-138.

[12] 林健.深入扎实推进新工科建设——新工科研究与实践项目的组织和实施[J].高等工程教育研究，2017（5）：18-31.

[13] 吴爱华，侯永峰，等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[14] 李拓宇，施锦诚.新工科文献回顾与展望：基于“五何”分析框架[J].高等工程教育研究，2018（4）：29-39.

[15] 邓鹏.基于賽课结合的电类专业实践教学改革研究[J].荆楚理工学院学报，2019，34（5）：85-89.

[16] 赵娟，金星，谢桂辉.高校迭代式创新实践人才培养模式探究[J].实验技术与管理，2017，34（11）：190-193.

[责任编辑：郑笔耕]