郎文輝，竇建華，潘 敏，齊美彬，楊學(xué)志

(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥 230009)

0 引言

傳統(tǒng)的課堂，教師在黑板上振筆疾書，大聲宣講，學(xué)生們通常在聽(tīng)講的同時(shí)把黑板上的內(nèi)容抄寫到筆記本上，這被稱為被動(dòng)學(xué)習(xí)。

幾十年前通常認(rèn)為被動(dòng)學(xué)習(xí)是一種較理想的學(xué)習(xí)方式，其中一個(gè)主要原因是學(xué)生在課余時(shí)間擁有的資料太少。但長(zhǎng)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，被動(dòng)學(xué)習(xí)效率并不高。以電子技術(shù)課程教學(xué)為例，當(dāng)教師在講臺(tái)上講解時(shí)，問(wèn)題似乎很容易理解，然而等到把應(yīng)用項(xiàng)目分配給學(xué)生時(shí)，他們會(huì)感到茫然甚至無(wú)法完成，這時(shí)才會(huì)出現(xiàn)真正的學(xué)習(xí)，反復(fù)思考和練習(xí)之后，才能最終理解手工計(jì)算的重要性、直流工作點(diǎn)的關(guān)鍵作用以及小信號(hào)分析的精髓。

1 主動(dòng)學(xué)習(xí)及其教學(xué)方法

主動(dòng)學(xué)習(xí)及其教學(xué)方法，通常假設(shè)文字印刷材料很容易獲得，課本和來(lái)自專家的第一手資料一應(yīng)俱全，此時(shí)學(xué)生并不需要復(fù)制教師的講義，只需在課前閱讀這些材料，然后由教師率領(lǐng)主動(dòng)在課堂上討論這些材料。這樣，教師的作用就轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)示范和講解例題。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外已有一些科學(xué)和工程課程是使用主動(dòng)學(xué)習(xí)來(lái)教授的，最有成效的是麻省理工學(xué)院John Belcher教授的基于技術(shù)的主動(dòng)學(xué)習(xí)TEAL(Technology-Enabled Active Learning)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是在美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)Robert Beichner教授主持的以學(xué)生為中心的大班主動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境計(jì)劃SCALE-UP(Student-Centered Active Learning Envi-ronment for Undergraduate Programs)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的［1］。利用新興技術(shù)和設(shè)置協(xié)同學(xué)習(xí)小組，使學(xué)生們?cè)谝黄饘?duì)所定義的問(wèn)題展開(kāi)討論和實(shí)驗(yàn)，而教師則擔(dān)當(dāng)討論組織者的角色，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。

遺憾的是，這些方法還很少在電子信息類的課程中使用，尤其是模擬電子。為此，F(xiàn)iez在俄勒岡州建立了一個(gè)動(dòng)手的學(xué)習(xí)平臺(tái)“Tekbot”［2］。它是整個(gè)ECE課程的共同線索，它提供給學(xué)生如何把理論變成實(shí)際，把工程概念應(yīng)用到機(jī)器人的實(shí)踐機(jī)會(huì)。在這個(gè)平臺(tái)上，學(xué)生們找到了主人翁的感覺(jué)，他們期望自己的機(jī)器人是最好的，從而實(shí)現(xiàn)了自我提升。由于在電子信息類課程中使用機(jī)器人有助于表明各課程間的聯(lián)系，該方法已在俄勒岡州學(xué)生社區(qū)中應(yīng)用并初見(jiàn)成效，這也有助于保證這種探索的持久性。

國(guó)內(nèi)高校也進(jìn)行了有益的探索。由東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院研發(fā)的PocketLab平臺(tái)，可用于高校中的“電路”、“電子線路”、“數(shù)字與邏輯電路”和“信號(hào)與系統(tǒng)”等方面的課程教學(xué)。適合于電信類專業(yè)一、二年級(jí)學(xué)位課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)需求，目前已在多所工科類大學(xué)推廣［3］。我校電子工程系也在研究一項(xiàng)基于主題的、以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向的電子信息類基礎(chǔ)課程。該課程以機(jī)器人為依托，構(gòu)建綜合感知與信息處理平臺(tái)，通過(guò)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)引入主要概念。課程涵蓋各個(gè)學(xué)科，包括“電路”、“電子線路”、“數(shù)字與邏輯電路”、“信號(hào)處理”和“傳感器技術(shù)”等。該課程有助于激發(fā)學(xué)生對(duì)電子工程的興趣。

2 電子技術(shù)課程設(shè)置

傳統(tǒng)的電子技術(shù)課程設(shè)置通常包括電路理論基礎(chǔ)課程，隨后是模擬電子技術(shù)以及器件物理課程。通常，為了幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)，電路和電子技術(shù)課程都伴隨有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)支持，這意味著總共約需先修12個(gè)學(xué)分的專業(yè)基礎(chǔ)課。而專業(yè)課往往留作后續(xù)課程，通常是選修課。這樣，在先修課中學(xué)生們通常不知道他們?yōu)槭裁匆獙W(xué)習(xí)這些知識(shí)點(diǎn)，以及如何將其應(yīng)用于工程實(shí)際。這種動(dòng)機(jī)的缺乏不利于課程知識(shí)點(diǎn)的掌握。

我們建議的電子技術(shù)課程設(shè)置如下:新生第一年的第一門主干課程應(yīng)專注于應(yīng)用，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用的解決方案往往涉及多個(gè)領(lǐng)域，學(xué)生必須要整合本專業(yè)多個(gè)方面(例如視覺(jué)傳感器、電路、信號(hào)處理和控制)的知識(shí)，才能完成。從而有助于學(xué)生對(duì)電子技術(shù)課程設(shè)置的關(guān)注。另外附加的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)有助于培養(yǎng)早期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。因此只有較早接觸到實(shí)際應(yīng)用才可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

當(dāng)然該課程的基本目標(biāo)是以綜合和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆绞揭腚娦蓬悓I(yè)各方面的核心知識(shí)。為此，必須綜合考慮來(lái)自電路和器件、計(jì)算機(jī)工程、信號(hào)與系統(tǒng)以及電磁場(chǎng)等領(lǐng)域的主題;選擇和組織課程主題應(yīng)突出領(lǐng)域間的紐帶作用;課堂和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)緊密結(jié)合;課程內(nèi)容應(yīng)該與其它核心課程配合，因此學(xué)生們不僅能一窺專業(yè)全貌，也將能夠更好地選擇他們感興趣的領(lǐng)域和后續(xù)課程。

為實(shí)現(xiàn)該課程的目標(biāo)，可以采用適時(shí)教學(xué)法JiTT(just-in-time teaching)，它是一種基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)任務(wù)和“學(xué)習(xí)者主動(dòng)學(xué)習(xí)的課堂”交互作用的新型教學(xué)策略［4］。

作為第一門主干課程，該課程使用三個(gè)模塊來(lái)引入與電子技術(shù)課程相關(guān)的概念。這些模塊是“運(yùn)算放大器應(yīng)用與模擬運(yùn)算”、“簡(jiǎn)單的邏輯電路”以及“調(diào)幅收音機(jī)”。我們把這三個(gè)模塊集成到綜合感知與信息處理平臺(tái)上，當(dāng)然必須先修一些數(shù)字邏輯知識(shí)作為基礎(chǔ)。

在每個(gè)模塊開(kāi)始學(xué)習(xí)前，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻和搜索引擎了解相關(guān)概念。每個(gè)模塊都有與之相關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目，由每周的兩次講座(每次100分鐘)和一次實(shí)驗(yàn)(3個(gè)小時(shí))完成。講座與實(shí)驗(yàn)間的橋接由“主動(dòng)學(xué)習(xí)”技術(shù)提供。例如，在討論放大器時(shí)，教師要求學(xué)生小組盡可能多地列出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中找到的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)反饋的例子。學(xué)生在學(xué)校提供的電腦上回答這些問(wèn)題，所用軟件允許教師選擇單個(gè)學(xué)生(或?qū)W生群體)的回答，并把這些答案顯示給全班。使用電腦也有利于課堂和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之間的數(shù)據(jù)和觀點(diǎn)交流，消除了多會(huì)話環(huán)節(jié)的技術(shù)障礙。

運(yùn)算放大器部分是第一模塊，它向?qū)W生們展示簡(jiǎn)單的放大器和濾波器，例如低通和高通濾波器就是以音調(diào)控制器電路形式呈現(xiàn)的，而這些都是學(xué)生們?cè)?jīng)見(jiàn)過(guò)和使用過(guò)的。該模塊的引入使得節(jié)點(diǎn)和回路分析的學(xué)習(xí)成為必然。雖然學(xué)生們還沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)傅立葉或拉普拉斯變換，但該模塊引入的復(fù)阻抗，將使學(xué)生獲得復(fù)變量應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。與頻率相關(guān)的復(fù)阻抗可以作為一個(gè)事實(shí)引入，在后續(xù)的課程中將會(huì)看到其更多的演變。該模塊介紹的PSPICE支持簡(jiǎn)單的運(yùn)放模型，從而使學(xué)生能夠熟悉基本的設(shè)計(jì)軟件工具。而受控源可作為運(yùn)放的一部分引入。同樣，伴隨機(jī)器人平臺(tái)的使用，將傳感器連接到放大器也是可行的。如果要連接到綜合感知與信息處理平臺(tái)，那么利用D/A和A/D轉(zhuǎn)換器可將傳感器與運(yùn)放電路集成，進(jìn)而與平臺(tái)集成。在該模塊中，還可引入戴維寧和諾頓定理，用于討論不同傳感器類型的等效電路。

前已述及，學(xué)生在上第一門主干課程之前，應(yīng)先修一門數(shù)字邏輯課。這樣學(xué)生們就熟悉邏輯門、簡(jiǎn)單邏輯功能和布爾代數(shù)了。這為討論第二模塊“簡(jiǎn)單的邏輯電路”中的簡(jiǎn)單反相器和門電路提供了一個(gè)很好的切入點(diǎn)。引入NMOS電阻負(fù)載反相器可以讓學(xué)生見(jiàn)識(shí)晶體管電路，并開(kāi)始思考工作區(qū)和直流工作點(diǎn)。有源負(fù)載可以從數(shù)字角度引入，然后擴(kuò)展到模擬應(yīng)用。

第一門主干課程的最后一個(gè)模塊是“調(diào)幅收音機(jī)”。它讓學(xué)生接觸阻抗匹配、濾波和功放的概念。并讓學(xué)生可以容易地建立一個(gè)無(wú)線工具包?？傊谝婚T主干課程利用項(xiàng)目使學(xué)生了解部分應(yīng)用領(lǐng)域。雖然他們?cè)诘谝婚T主干課中還無(wú)法理解電路分析的復(fù)雜性，但已開(kāi)始接觸此后要解決的實(shí)際問(wèn)題了。

為第一門主干課程提供實(shí)驗(yàn)支撐是至關(guān)重要的。我們可以借助NI公司的myDAC來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。該工具為學(xué)生提供了一款板級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置。它與USB總線兼容，可與PC集成，利用LabVIEW軟件就能完成控制接口的設(shè)計(jì)。該裝置提供5 V、±15 V電源，一塊用于測(cè)量的數(shù)字萬(wàn)用表，兩路模擬量輸入和輸出通道，8條數(shù)字I/O線。這使得學(xué)生可以在任何時(shí)間任何地點(diǎn)都能完成大部分實(shí)驗(yàn)工作，而不受限于每周的特定時(shí)間。

第一門主干課的重要性就在于它是大量后續(xù)必修和選修課程的基礎(chǔ)平臺(tái)。例如，后續(xù)主干課“信號(hào)與系統(tǒng)”可以幫助學(xué)生理解傅立葉和拉普拉斯變換對(duì)電路分析的意義，并深化第一門主干課中所用的理論。此外信號(hào)與系統(tǒng)課程也進(jìn)一步拓展了濾波和傳遞函數(shù)概念。

接下來(lái)我們強(qiáng)烈推薦開(kāi)設(shè)“基于VLSI的模擬電子技術(shù)”課程，授課的重點(diǎn)是IC電路設(shè)計(jì)和布局，課程內(nèi)容將涵蓋像電流鏡、有源負(fù)載、濾波和多級(jí)放大器這樣的經(jīng)典模擬設(shè)計(jì)技術(shù)，可選文獻(xiàn)［5］作為教材。當(dāng)然，另一種可能性是開(kāi)設(shè)經(jīng)典的“電路理論”課，專注于研究底層的電路分析理論細(xì)節(jié)，并把它應(yīng)用于模型仿真和電路分析。

如果師資力量允許，“器件物理”課可以作為一門選修課程講授。學(xué)生此時(shí)已經(jīng)熟悉數(shù)字和模擬應(yīng)用中的晶體管，因此了解電子和空穴、能帶理論以及先進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)的積極性進(jìn)一步增加。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生們對(duì)電路元件的了解將更加深入。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的面向主動(dòng)學(xué)習(xí)的電子技術(shù)課程設(shè)置業(yè)已證明是有效的。要實(shí)現(xiàn)面向主動(dòng)學(xué)習(xí)的電子技術(shù)教學(xué)，基于視頻的課前概念講座是必須的，在課堂上要做的就是高效實(shí)施小組討論和激發(fā)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的興趣。也就是說(shuō)任何教學(xué)實(shí)踐都應(yīng)有助于激勵(lì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

［1］ Shieh R S，Chang W，Liu E.Technology enabled active learning(TEAL)in introductory physics:Impact on genders and achievement levels［J］.Australasian:Journal of Educational Technology，2011，27(7):1082-1099.

［2］ Heer，D.，Taylor，R.，Thompson，T.，F(xiàn)iez，T.Enhancing the Freshman and Sophomore ECE Student Experience Using a Platform for Learning.American:IEEE Transactions on Education，2003，46(4):434-443.

［3］ http://radio.seu.edu.cn/xueban/info/9285

［4］ Marrs KA，Blake，R，and Gavrin，A.Use of Warm Up Exercises in Just in Time Teaching:Determining Students'Prior Knowledge and Misconceptions in Biology，Chemistry，and Physics［J］.A-merican:Journal of College Science Teaching，September 2003，33(1):42-47.

［5］ Paul R.Gray，Paul J.Hurst，Stephen H.Lewis，Robert G.Meyer.張曉林等譯.模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)［M］，北京:高等教育出版社，2005，6.