問題驅(qū)動式教學(xué)在電子技術(shù)課程的應(yīng)用

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摘要：農(nóng)林高等院校工科專業(yè)肩負(fù)著培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用型科技人才的重任，本文以解決土壤養(yǎng)分檢測電位型傳感器高阻抗接口電路為例，介紹了結(jié)合農(nóng)林特色的問題驅(qū)動式教學(xué)法在模擬電子技術(shù)課程實(shí)踐中的初步探索，旨在提升學(xué)生解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：問題驅(qū)動式教學(xué)；模擬電子技術(shù)；農(nóng)林特色

一、引言

2010年，我國頒布《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》、《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》，從國家層面對人才和教育發(fā)展進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)與預(yù)期，為高等教育機(jī)構(gòu)如何服務(wù)于國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”及“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略提供了指導(dǎo)方向[1-2]。近年間，教育部陸續(xù)啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”、“新工科研究與實(shí)踐”，組織成立了中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會，在探索中建立了與國際實(shí)質(zhì)等效的工程教育認(rèn)證體系[3-4]。2016年6月，我國正式加入工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，對培養(yǎng)多樣化創(chuàng)新型工程科技人才，支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，助力我國工程教育改革創(chuàng)新，提高我國工程教育的國際影響力，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。農(nóng)林高等院校肩負(fù)著大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)林科學(xué)技術(shù)，著力培養(yǎng)農(nóng)林系統(tǒng)工程科技人才的重任?！澳M電子技術(shù)”（以下簡稱“模電”）是農(nóng)業(yè)工程專業(yè)電工類課程的重要知識模塊，是工科類電子信息及相關(guān)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課單元。因此，如何在農(nóng)林院?！澳ｋ姟闭n程改革中拉近理論知識與產(chǎn)業(yè)需求的距離，依據(jù)產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)問題開展問題驅(qū)動式教學(xué)，體現(xiàn)現(xiàn)代工程技術(shù)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的改造與升級，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生工程實(shí)踐能力，是值得深入探究的教改方向。本文以“土壤養(yǎng)分檢測電位型傳感器高阻抗接口電路”為設(shè)計(jì)需求，介紹了1例問題驅(qū)動式教學(xué)應(yīng)用探索，涉及集成運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)、芯片選型及傳感器性能等知識單元，旨在通過教學(xué)方式改變，進(jìn)一步提高學(xué)生的主觀能動性、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

二、教學(xué)對象及內(nèi)容分析

“模擬電子電路”不僅是相關(guān)專業(yè)學(xué)生合理知識結(jié)構(gòu)的重要部分，同時也對學(xué)生求學(xué)深造、職業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。一般在大學(xué)二年級開設(shè)，學(xué)生前期專業(yè)基礎(chǔ)課程為“電路”，已掌握無源電子元器件性能、電路原理、常用電子儀表使用，能自主設(shè)計(jì)簡單電路?！澳ｋ姟闭n程將農(nóng)林產(chǎn)業(yè)需求融入問題驅(qū)動式教學(xué)，本文探討教學(xué)內(nèi)容建議開設(shè)在集成運(yùn)算放大器及運(yùn)算電路章節(jié)之后，學(xué)生應(yīng)掌握三極管、場效應(yīng)管電子器件特性、基本放大電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、集成運(yùn)算電路分析方法和基本電路結(jié)構(gòu)等理論知識。問題驅(qū)動式教學(xué)內(nèi)容為土壤養(yǎng)分檢測電位型傳感器接口電路設(shè)計(jì)，以高阻抗運(yùn)算放大器的選型、接口電路設(shè)計(jì)、仿真及調(diào)試為主要教學(xué)活動。教學(xué)時長為2課時。

三、教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生是教學(xué)活動的主體。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，“模電”課程所涉及電子元器件和應(yīng)用技術(shù)不斷翻新。理論課程與實(shí)踐環(huán)節(jié)的合理交叉，可極大地激發(fā)學(xué)生主觀能動性。土壤養(yǎng)分傳感器是電化學(xué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)待測溶液目標(biāo)離子濃度轉(zhuǎn)化為傳感器輸出電位，該傳感器輸出阻抗高，可達(dá)到107-8Ω，因此對前置放大器的輸入阻抗有較高要求。通過土壤養(yǎng)分檢測電位型高阻抗傳感器接口電路設(shè)計(jì)與調(diào)試項(xiàng)目，使學(xué)生根據(jù)傳感器輸出信號特點(diǎn)，自主查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定集成運(yùn)放參數(shù)、型號，根據(jù)教師提供原理電路，設(shè)計(jì)實(shí)用電路，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)踐問題的能力。知識與技能方面，要使學(xué)生了解集成運(yùn)算放大器的分類、特點(diǎn)和電路組成及原理，理解養(yǎng)分傳感器電位型傳感器具有輸出阻抗較高的特點(diǎn)，以此設(shè)計(jì)需求作為問題驅(qū)動，為保證采集信號的準(zhǔn)確性，集成運(yùn)放所組成的接口電路輸入阻抗應(yīng)達(dá)到1011Ω以上，偏置電流應(yīng)達(dá)到10-13A以下，同時兼顧低溫漂、低噪聲、高開環(huán)增益等性能特點(diǎn)。學(xué)生掌握電路原理，根據(jù)實(shí)用接口電路要求，進(jìn)行芯片選型，利用仿真工具分析電路，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行宣講、自評及答辯。部分優(yōu)秀學(xué)生可使用面包板（PCB通用板）和集成運(yùn)放芯片，在電路工藝（電路級絕緣處理、輸入線引線處理、電磁屏蔽處理）方面進(jìn)行周密考慮，課后自行安裝調(diào)試硬件電路，進(jìn)行實(shí)物展示。

四、教學(xué)環(huán)節(jié)及評價

1.問題引入，激發(fā)思考。本門課程從師生互議測土配方施肥實(shí)施、過量施肥危害引入，進(jìn)而由教師介紹土壤養(yǎng)分傳感器的原理及輸出信號特點(diǎn)，通過視頻演示介紹商用數(shù)據(jù)采集器功能，選派學(xué)生現(xiàn)場操作儀器進(jìn)行養(yǎng)分測定，使學(xué)生對項(xiàng)目產(chǎn)生感性了解。然后，將學(xué)生分成小組，配發(fā)傳感器及多種集成運(yùn)算放大器芯片，進(jìn)入問題驅(qū)動式教學(xué)“翻轉(zhuǎn)式”教學(xué)單元。導(dǎo)課的過程是調(diào)動學(xué)生興趣，促進(jìn)其主動思考，增強(qiáng)教學(xué)互動性的重要一環(huán)。將農(nóng)林產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)問題引入課程，選取通俗易懂、學(xué)生有主觀體會的案例，可增強(qiáng)學(xué)生的參與度。通過導(dǎo)課環(huán)節(jié)增加學(xué)生積極性，提高實(shí)踐單元的教學(xué)效果。2.問題驅(qū)動式課堂互動。教師首先介紹典型電路原理圖，學(xué)生以小組為單位，自主討論電路結(jié)構(gòu)、功能、元器件使用，結(jié)合集成運(yùn)算放大器芯片調(diào)研，利用仿真工具進(jìn)行實(shí)用電路設(shè)計(jì)，完成土壤養(yǎng)分檢測傳感器接口電路設(shè)計(jì)，分析仿真結(jié)果。進(jìn)而，以小組為單位宣講設(shè)計(jì)方案，展示仿真結(jié)果。主動、有效地思考是保障學(xué)習(xí)質(zhì)量的關(guān)鍵。問題驅(qū)動式教學(xué)典型電路圖給出后，學(xué)生正式成為課堂主體，主動承擔(dān)分工、合作、組內(nèi)討論、決策、設(shè)計(jì)、整理及宣講等任務(wù)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的好勝心、求知欲；主動思考將使學(xué)生更加投入，提升項(xiàng)目完成后的成就感和滿足感。教師“翻轉(zhuǎn)”為課堂客體，承擔(dān)啟發(fā)、建議和協(xié)助解決問題的作用，作為觀察者給予學(xué)生適當(dāng)引導(dǎo)和幫助。3.成績評價。學(xué)生小組充分討論后形成設(shè)計(jì)方案并宣講，項(xiàng)目需進(jìn)行三方論證，形成評價結(jié)果：第一方面，組內(nèi)自評。組內(nèi)闡述設(shè)計(jì)優(yōu)勢與特長，分析“知識與技能”的收獲與不足，自評個人成績；第二方面組間互評。他組分析當(dāng)前設(shè)計(jì)特點(diǎn)與不足，提出項(xiàng)目改進(jìn)建議，評議設(shè)計(jì)成績；第三方面教師提問與點(diǎn)評。教師對電路原理及參數(shù)選型進(jìn)行提問，點(diǎn)評設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，綜合三方評價，給出小組綜合評分。分析問題、結(jié)果評價是對學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作與深度思考能力的拔高要求。學(xué)生的合作意識、參與感、責(zé)任感、榮譽(yù)感及語言表達(dá)能力將得到充分展示與發(fā)揮。在潛移默化中，學(xué)生將對教學(xué)過程涉及的集成運(yùn)放電路原理、功能、特點(diǎn)及芯片參數(shù)等知識點(diǎn)加深理解和掌握。教學(xué)活動更加符合“新工科實(shí)踐”教學(xué)理念要求。4.實(shí)物設(shè)計(jì)及調(diào)試。部分感興趣同學(xué)可自主申報實(shí)物設(shè)計(jì)附加考核。根據(jù)學(xué)生申報重新分組，撥付經(jīng)費(fèi)用于學(xué)生自主開展印刷電路板制作（面包板購置）、安裝焊接、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)性能測評等環(huán)節(jié)。學(xué)生遇到困難后，主動與教師溝通，教師將給予指導(dǎo)。問題驅(qū)動式教學(xué)的實(shí)物設(shè)計(jì)與調(diào)試環(huán)節(jié)將進(jìn)一步鞏固與提升學(xué)生的理論知識與實(shí)踐技能。

五、討論與總結(jié)

結(jié)合農(nóng)林特色應(yīng)用，問題驅(qū)動式教學(xué)法變教師“灌輸式講解”為“啟發(fā)式解惑”，改學(xué)生“被動式接收”為“自主式思考”，重視打通知識點(diǎn)間的“消化—理解—運(yùn)用”，更強(qiáng)調(diào)“應(yīng)用需求—特色設(shè)計(jì)—團(tuán)隊(duì)合作”，課程設(shè)計(jì)旨在調(diào)動課堂上學(xué)生的參與程度與主觀能動性，在實(shí)踐中仍需進(jìn)一步對學(xué)生主動性調(diào)動、“畏難情緒”理解與理順、“驗(yàn)證型”與“設(shè)計(jì)型”實(shí)驗(yàn)融合與分配等具體環(huán)節(jié)完善，全方位鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力、思維能力、創(chuàng)新能力、應(yīng)對挑戰(zhàn)的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[2]國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)[Z].2010.

[3]林健.卓越工程師培養(yǎng)———工程教育系統(tǒng)改革研究[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

[4]康全禮,丁飛己.中國CDIO工程教育模式研究的回顧與反思[J].高等工程教育研究,2016,(4):40-46.

作者：張淼 王忠義 勞彩蓮 李軍會 徐云 單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院