基于情境拓展探究的系统关联化教学

基于情境拓展探究的系统关联化教学——电类基础系列实验课程

姚缨英
　电气工程学院

一、课程简介

1.课程类别

大类课程

2.学科类别

工学—电气工程

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:系列实验课程通过实验项目相互关联。在复杂的应用背景下进行基础实验。以任务或工程内驱动，在掌握基本实验技能的前提下，自主地探索和实践。具体来说，将系列实验课程打通统一安排，沿着电气电路应用系统和电子电路应用系统两条线，通过“基本实验技能、单元电路设计与测试、基于课程的小型系统实验、系统级综合实验、系统级设计”达到培养工程应用能力的目的。

（2）教学内容:“电路与电子技术基础实验”要求建立系统概念、认识元器件、掌握基本实验技能。以循迹小车为对象，配合理论课程中关于信号与系统、放大与开关、线性与非线性、模拟与数字、软件与硬件等基本概念，通过实验对其原理建立深刻的认识，并通过基于系统目标的子功能电路的实现与测试，建立电路基本测量方法、模拟电路实验和数字电路实验的相应基础。

“电测量技术与模拟电路实验”融合了传统“电路原理实验”和“模拟电子技术基础实验”的核心内容，侧重于工程设计方法、基本测量方法和基本实验技术，强化单元功能电路的设计和简单应用。进一步学习实验方案设计、实验的计算机仿真和电路测试技术，着重培养独立实验与数据分析的能力，提高实验报告的撰写能力。

“电气电子电路综合实验”侧重于具有应用背景的综合设计性实验，基于系统功能的实现目标以及研究拓展性探索，培养综合运用基础知识分析问题和解决问题的能力。

4.教学对象

电气工程学院爱迪生班二年级本科生。

5.课程学时与教学场景

（1）课程时数:

“电路与电子技术基础实验”附属于“电路与电子技术基础”，课堂教学32学时，实验教学32学时。

“电测量技术与模拟电路实验”独立设课，实验教学48学时。

“电气电子电路综合实验”独立设课，实验教学32学时。

（2）教学场景:

实验室配有多媒体教具和黑板，采取“思—听—练—论—评—拓展”六步细化教学过程。

“思”——教师于开课前在网上发布与实验相关的问题（侧重于与理论的关联和区别），同学预习思考，拟订实验预案；

“听”——教师分析该实验的要点、注意事项，讨论典型实验方案；

“练”——就典型环节重点操练，现场评述；

“论”——交流和讨论同学拟订的实验方案、实验中遇到的问题；

“评”——相互评论电路功能的实现程度；

“拓展”——自主完成提高性实验内容，自由拟订研究探索性实验任务。

二、课程教学重点解决的问题

早期，上述基础实验课程都是依附于理论课，占较少的课时，做简单的有助于理解理论、了解现象、训练基本实验技能的实验。从20世纪80年代起，陆续将实验单独设课，以期加强动手能力。但是，由于实验课程与理论课程对应设置，使得实验内容上不可避免地留有验证理论或辅助理论教学的痕迹。而且，各门课程相互独立地建设和实施，未能形成相互交融统一的课程体系，因此，实验内容比较单薄，拓展性较欠缺，系统级的实验不够，与当代科技发展的最新形势有明显差距。针对这些问题，系列实验课程应重点解决:

（1）重构系列课程教学体系，精心构思巧妙的实验项目，使学生尽早建立系统的概念和工程应用的概念；

（2）基于“趣味性、研究性、探索性、综合性”构思实验项目，将基本实验技能的训练融于系统功能实现的过程之中；

（3）改革教学手段，开发实验教学设备；

（4）教学过程设计以学生为中心，充分调动学生的主动性；

（5）以启发引导的方式培养学生发现问题、独立解决问题的能力。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

（1）基于对象的跨课程实验项目——贯通基础和综合的关联化教学策略。打造基于对象的可拓展实验项目，设定一个最终目标后，在低级的实验课程中实现其中的一部分，直到最后一门实验课结束完成预设系统目标。在学习基本测量技术的同时，可以进行系统功能的原理级实现、中规模集成电路实现、智能化实现等不同技术级别的电路实现方法，使创新实践循序渐进、持续拓展。

（2）以问题为导引、设计为主线的启发式教学。在基础型实验的步骤中“留白”或“设置障碍”，在教学中营造“问题情境”，巧妙设置实验内容以及利用实验过程中刻意凸现的现象引导和启发学生思考并解决相关问题。教学设计的要点是通过精心设计的实验内容和实验现象达到下述目的:

凸现问题——营造问题情境。

放大矛盾——理论与实际不相符。

训练思维——举一反三，提高能力。

不回避复杂性——方法的多样性和相对性，实验方案与测量精度，电路设计与器件限制。

（3）以模块化开放式实验进行分层次教学，培养团队合作意识。基于系统目标，将电路按单元功能模块化，强化系统级的关联与接口设计，鼓励学生采用不同方案实现系统功能要求。

（4）基于“非确定性反常规实验”拓展思维，以讨论、撰写日志和成果展示带动个性化教学。将内容与方案确定的常规实验改造为非确定性反常规实验，实验方案自拟、测量线路须通过“提交—讨论—认定”之程序，在此过程中，学习“决策”。采用撰写实验日志的方式取代多份基本实验报告的琐碎过程，使学生学会记录真正有用的信息和分析思维。按照学术论文的写作要求，训练实验报告的写作，重点完成2～3个实验报告。通过随堂测试（当场完成指定的实验测试任务）、成果展示（以展板的形式，展示最有心得的实验收获）、功能测试与答辩等有利于个性发挥的形式，促进学生的学习热情。

2.具体实施方法举例

（1）基于对象的跨课程实验项目——贯通基础和综合的关联化教学策略的举例。

电路与电子技术是一个统一的整体，综合性的实践内容很难在一门课程中完整体现，因此，选择合适的主题、精心策划实验内容、巧妙安排实施进程、借助一定的方法与手段，经历持续不断的螺旋式反复，可以对拓展思维、提高能力产生很好的推进作用。

基于上述想法，我们探索打造“跨课程可持续性实验项目”，目前成功付诸实践的有四项:①波形的产生、变换、分解与合成；②智能循迹避障小车；③电能传输系统的设计；④语音信号的处理。

以“智能循迹避障小车项目”为例，最早开发该实验项目是在“电气电子电路综合实验”课程中组队完成相关功能的设计与实现。现在，以智能小车作为对象和实验平台，设计了相关的实验内容使其包含原来在电路原理实验、模拟电子技术基础实验、数字电子基础实验以及单片机与接口实验中的基本实验内容，从而将此项目拓展为跨课程实验。

在“电路与电子技术基础（含实验）”课程中，建立系统的概念、认识元器件、熟悉元件特性测量以及相关功能电路设计对系统性能的影响，学习数字逻辑电路的工作原理、实现方法，掌握采样、AD转换、反馈、控制等实现的原理，通过简单的电路设计和中规模IC实现循迹、调速等功能。

在“电测量技术与模拟电路实验”课程中，进一步解决电源模块、直流电机驱动模块、PWM调速以及信号的检测模块，理解功能电路的改善与小车工作性能影响之间的关系。

在“电气电子电路综合实验”和“电子系统综合设计”课程中分别利用单片机和CPLD实现较为复杂的循迹避障、调速、显示等功能。

通过循序渐进的功能改善挑战可以充分激发学生的学习热情和主动性，直至最终完成作品，收获“成就感”。

实践表明，跨课程实验对于提升学生兴趣、激发学习热情、提高综合实践能力有良好的推进作用。

（2）以问题为导引、设计为主线的启发式教学的举例。

实验开始前教师对于实验内容的讲解方式十分重要，也成为不同教学模式的分水岭。我们杜绝指令式实验教学指导，代之以分析和设计。模拟实验情境凸现矛盾，提出相关问题，强调理论与实际的区别；仅提供留有空白的实验方案，须讨论确定或自己设计实验方案。

【例1】　负阻抗变换器实验

围绕负阻抗变换器稳定工作条件列出一系列问题:

①反相输入端为OCUS（开路稳定端）？

②同相输入端为SCUS（短路稳定端）？

要求1　负阻值的测定:

针对可能的测量方法，需要先解答下述各组问题。

①直流法测量负阻需要并联R₀？R₀取值多少？

②能否用万用表欧姆挡测量负阻？怎样接线？

③交流法（示波器观测）怎样设计测量线路？需要满足什么条件？

④能观测伏安特性曲线吗？

要求2　实现增幅振荡:

①如图1所示电路实现增幅振荡有无条件？

②能否交换负阻抗变换器的两个端口？

③怎样才能观察到稳定的等幅（增幅）振荡？

④二极管起什么作用？

图1　动态特性测量电路

要求3　自激振荡:

①如图2所示两个自激振荡电路有无条件？

②负阻抗变换器两个口交换可行不？

③什么是LC负阻振荡器？有没有仅由C或L构成的负阻振荡器？

图2　振荡电路

要求4　跨课程练习:负阻振荡器原理分析

将电路原理中的“弛张振荡、范德坡振荡”与模拟电子技术基础中的“非正弦信号发生”关联起来。

上述4个要求逐次提高，可用于不同层次的教学过程中。

（3）以模块化开放式实验进行分层次教学，培养团队合作意识的举例。

有源器件应用系统综合设计实验项目包含下述内容。

基本要求:

①设计一个有源元件实现的负阻器，频率范围200Hz～1kHz，阻值为－1kΩ，工作电压和电流分别小于3V和3mA。

②设计一个基于回转器的有源电感，频率范围200Hz～1kHz，电感量为220mH，工作电压和电流分别小于3V和3mA。

③将有源电感和负阻用于谐振电路。

④观察二阶电路动态响应。

⑤制作负阻振荡器。

提高要求:

⑥两个回转器级联实现有源理想变压器（变比为2或0.5）的传输特性，并用其变换阻抗。

⑦两个负阻并联实现指定端口特性要求的非线性电阻。

⑧用上述非线性电阻研究混沌现象。

设计要求采用菜单式，通过逐步深入一级一级菜单，将负阻模块、回转模块、模拟电感模块、谐振电路、二阶电路的过渡过程、变压器模块甚至混沌模块等众多内容，有机地组合起来，全面提升学生设计电路、仿真分析、搭建电路、调试测量的综合能力。

可以采取团队合作的方式，将各自独立完成的功能电路组合实现总体效果。以上述实验中混沌发生器的制作为例，要求:3～4人组合完成下述混沌发生器实验。

1组:做指定外特性的负电阻。

2组:按模型1（提议的电路结构，参数自拟）做20mH左右的有源电感。

3组:按模型2（提议的电路结构，参数自拟）做20mH左右的有源电感。

4组:用1组的负阻＋电感箱实现蔡氏电路，并调出混沌的各种状态。

将2组或3组的有源电感代替电感箱，重做。

（4）基于“反常规实验”拓展思维，以讨论和展示带动个性化教学的举例。

常规实验是给定待测器件，指定测量方法，甚至给定实验步骤，学生主要是学习仪器仪表的使用，通过实验加深对理论的理解，或应用理论做指导，完成对某一现象的观测。为了提高学生的能力，将这类实验加以改造。黑箱实验是其中一例。

针对无源器件测量开发了黑箱电路结构与参数回归实验，该实验装置是一个密闭的黑箱，通过外置的测量端钮，采取自拟的测量方法，由外部特性的测量结果反演黑箱内的电路结构和参数。并且，利用Multisim软件，可以模拟该实验的过程。教师构造好黑箱内部的电路，密封后设置密码锁定，然后交给学生。学生可在Multisim中进行虚拟测试，破解出黑箱中的电路和元件构成。该实验不仅可测试学生综合应用各种测量方法的能力，更重要的是培养学生判断、决策、设计实验方案的能力。

3.教学方法特点分析

以整体观系统关联地整合优化电类系列基础实验课程，是课程结构体系建设的必然趋势。重构的系列实验课程内容关联统一，体现了“少、精、宽、新”。实验项目强化系统目标和模块化。由此构成系统关联化教学、开放式教学以及合作式学习。

情境教学法和启发式教学法，推进了基于问题的学习以及研究性学习。

教学方法在激发个性化学习、拓展思维、营造课内外结合的自主式学习环境等方面形成下述主要特色:

（1）课程体系、教学内容、教学方法与教学手段同步建设。

重构了系列实验课程，既有与理论课程密切关联的实验，也有独立设置的实验，还有以实验教学为主、以理论为辅的课程，增大了综合实验的分量。

基于“基础性、普适性、趣味性、研究性、探索性”开发反传统的实验项目。

研制了配套的实验器材和教学仪器。

（2）强调自主式、个性化学习。教学设计推进了学生的“自发思考（方案讨论时若无思路不允许实验）、自主决策（自拟实验方案）、自我管理（实验日志的表述形式自由）、自动评价（单元功能电路的实现程度将影响团队的系统功能实现，随堂测试检验真功夫）”。

（3）以问题为导引、设计为核心，培养研究探索精神。对基础实验项目在研究性、探索性、趣味性和综合性方面进行了颇为有效的再设计，为在实验教学中展开启发式教学、思辨讨论和研究性学习创造了条件。

（4）营造贯通课内外的自主学习环境。设计了虚拟实验系统，该系统含链接的课程总览、知识点自测与考试系统，有力地辅助了学生的自学，扩展了视野。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

将“实验报告＋期末考试”的考核方式改为“课堂验收测试＋实验报告＋自主学习研究心得＋答辩”等多维化考核模式。实验考核均以检测“设计、制作、测试以及报告”的各个环节为核心。以电路原理实验为例，其教学分为两个阶段:基础阶段，重点考核实验报告的撰写以及实验技术，因此采用实验报告＋笔试（检测基本理论，基本实验技术，实验设计，实验现象分析等）＋测量操作（考核仪器仪表的规范使用，电路测试能力等）；综合阶段由综合预备与辅导（通过典型实验的策划和实施）以及综合实验专题研究两部分组成，前者采用审查实验日志的方式，后者则需要递交完整的研究报告、验收电路板并现场测试以及答辩。还考察其课内和课外学习的积极性、主动性，特别关注其应用课程内容实践的能力，同时注重学生间的相互评价。

综合实验依托模块化、开放式综合实验项目及其配套的实验平台，以项目的形式组队完成，通过基于系统的功能模块电路的设计，完成系统功能的设计、实现以及测试，最终提交作品、技术报告，并进行口头报告和答辩，学生参与评判。

2.支撑手段

系统关联化教学方法的支撑手段是基于电类基础系列实验课程的关联化建设，这是浙江大学电气工程学院电工电子基础教学中心于2011年启动、2012年立项建设的初步成果，其标志性内容是系列课程的结构体系、内容重构，实验项目改进。

开放式教学以及合作式学习的支撑手段是合适的实验平台和实验项目，它们须具备模块化，可组合，易拓展，并且能够进行中间阶段的功能测试和验收。另外，开放式教学管理也是必要的。

情境教学法和启发式教学法，取决于教师对实验内容、原理以及可能遇到的问题的熟悉和把握程度，需要配备适当的教具和教学仪器。比如黑箱（成本很低，极易制作）、自由拓展版等。

基于问题的学习以及研究性学习的支撑手段是基于网络搭建拓展性知识学习平台，主要包含:

含链接的课程总览——课程总览图表通过链接可获取课程基本信息、理论基础、各类常识、实验板原理、实验仪器仪表原理与说明书、应用软件及其使用、芯片资料、参考文献等资料，围绕实验阐述其前因后果和拓展研究的必备基础。各类知识的关联关系清晰明了，并形成立体而科学的知识架构。

知识点自测与考试系统——完成理论基础、实验技术基础、常识性知识的自测和考试。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

情境教学法和启发式教学法，基于问题的学习以及研究性学习，已经广泛应用于电路原理实验和部分模拟电子技术基础实验课程中，历时3年有余，受益学生约2000多人。教学评价几乎全是优秀。系统关联化教学、开放式教学以及合作式学习等方法，配合系列课程建设，实施了两轮。实践表明，这些教学方法的应用，对学生产生了下述影响:

（1）思维拓展。学生在低年级能够自主基于教学内容的研究性课题，参加SRTP，并发表教学研究类论文。

（2）培养了良好的学习习惯。所强调的“思考、研究、拓展”理念通过实验项目，令学生永久受益。学生已经学会实验设计和在实验过程中小心避障。

（3）综合能力提高。实验内容设计精心、教学方法巧妙，学生在实验课上既依赖教材，又脱离教材，不仅强调理论的应用，而且引导学生使用技术软件，加强与工程应用的结合，考核也是全方位的，学生评价很高。

学校曾就实验教学方法改革专门组织专家听课检查，两位专家均给予很高评价。反馈1（卞志鹏3100105003）:

实验课综合性强，会用到模拟电路、信号分析与处理的知识等，让我们在学科交叉中能够做到融会贯通。

在老师的引导下，能够更加深入地去研究每个实验的原理，让我感触最深的就是最后的大实验，由于我负责的是有源电感的模型1，所以我花了不少的时间去研究回转器，以及集成运放，还有就是拉氏变换，最后在不懈的努力下，终于弄清楚了其中的原理，让我的心中有了小小的成就感。

自己设计参数进行实验和仿真，大大提高了我们的积极性。从原理出发，研究问题，再进行不断的实践，发现问题，积极动脑，解决问题，在与老师和同学的讨论中，不断地完善自己的方案，最后成功地完成实验。

两个或多个人合作进行实验，大大提高了办事效率，可以一边做仿真，一边连线做实验，让我们在不断地尝试和讨论中前行，受益匪浅。

总的来说，姚老师的教学方法和形式是非常不错的，至于教学内容，我觉得也是非常有意义的，最大的原因，就是能够让我们在学科交叉中学习，让我们能够学以致用，这对于我们多门课的学习都有莫大的帮助。

所以，希望姚老师能够继续这种教学方式，让今后的爱班学生能够获得更大更好的收获！反馈2（邹智渊3100101434）:

这学期的实验很有趣，因为涉及了更深入的理论知识，而且每个实验可探究的内容都不少，电路稍作改变就能有新的内容。

另外，做实验没有时间的限制，可以挑自己方便的时间去做实验，保证了做实验的精神状态。

期末的成果展示，要求督促我们在实验之余要思考实验遗留下来的问题并且作探究，虽然这比较耗时间也挺有挑战性，但我觉得通过这个期末展示可以让积极思考的同学学到不少东西。反馈3（张泰民33100103945）:

第三次试验为有源器件的应用及混沌发生实验，该次试验让我感到很新鲜，因为这次不是每个人做自己的，而是大家一起合作，通过小组分工来完成一个实验。试验中我们经历了小组讨论的过程，实验时一个人仿真，一个人搭建电路，同时另一个人研究课件，了解老师的意图并设计实验方案，这样大大提高了实验的效率，并且同学们也收获颇多，实验后同学们共享资料并通过讨论共同完成实验报告，这些经历都是让我们难以忘怀的。同时在实验中我们也接触了一些新鲜的东西如负电阻和负电感以及混沌现象，负电阻和负电感让我们对电原课上的回转器有了更深的了解，同时在实验课时调出了混沌波形的，让我们感受到了无比的欢乐。我觉得这种实验课的改革很理想，既提高了实验的效率，提高了同学们的兴趣，同时在保证教学任务的同时减轻了同学们的学习负担，希望这种形式的教学在以后能继续采用。

2.推广性分析

“在课内基础性实验中展开研究性学习”的经验，通过参编出版“电工电子创新实验”（6个实验项目被国家级实验教学示范中心联席会电子组选编进《电工电子创新实验》，高教出版社）、国家级实验教学示范中心联席会专题报告、创新实验教学巡讲、创新实验暑期培训班、电子电气基础课程教学论坛专题报告、全国性专题会议报告、发表教学研究论文等得到示范和推广，特色实验项目、教学理念与教学方法，在同行中引起关注，并被参考引用。

电类系列基础课程改革力度大。围绕电类系列基础课程体系建设，发表了10篇有关该体系构建的研究论文，分别在高等工程教育、中国大学教学等核心期刊上发表。并在电子电气基础课程教学论坛上做了两个专题报告。该体系在国内电气信息类教学中首开先河，引起同类高校关注。

已经将上一轮整合电路原理和模拟电子技术基础的成果推广应用于这一轮更大范围内的课程整合，并得到大类课程建设的立项资助。有关“跨课程实验项目及其教学”的论文获得“全国电路信号与系统电磁场教学与教材研究会”2012年度优秀论文奖。

在爱迪生班尝试的教学方法改革，如情境教学法和启发式教学法，基于问题的学习以及研究性学习，已经推广应用于普通班的教学。这些方法对于电类基础实验课程有良好的借鉴作用。

六、课程教材及实验参考书

1.主教材

［1］姚缨英，孙盾，李玉玲等.电路分析与电子技术基础I——电路与电子技术基础.讲义，2012

［2］范承志，林平等.电路分析与电子技术基础II——电路分析与模拟信号处理.讲义，2012

2.实验教材

［1］姚缨英，祁才君.电路与电子技术基础实验指导.讲义，2012

［2］姚缨英，樊伟敏.电测量技术与模拟技术实验教程.讲义，2012

［3］姚缨英，樊伟敏，张伟.电气电子电路综合实验.讲义，2011