“模拟电子技术”课程培养工程思维能力的方法

［摘 要］ 为适应新时代工程教育的人才培养需求，提高学生解决复杂工程问题的能力，针对“模拟电子技术”课程传统教学中重知识、轻思维，理论教学与工程应用割裂的问题，在分析“模拟电子技术”课程工程特点的基础上，将产品案例融入教学，拓宽学生工程视野。在课堂教学中，采用启发式、研讨式教学方法，从模拟电子电路的定性分析、定量估算、电路设计以及硬件实现等四个维度，训练学生掌握和运用工程思维方法，综合性、创造性地应用所学知识解决电子技术领域的复杂工程问题。

［关键词］ 模拟电子技术；工程思维；产品案例；电路设计；项目实践

［基金项目］ 2021年度广西高等教育本科教学改革工程项目“模拟电子技术与电路分析课程整合及教学模式创新改革与实践”（2021JGB187）；2020年度教育部第二批新工科研究与实践项目“新工科背景下地方高校电子信息类人才创意创新创业能力培养探索与实践”（E-DZYQ20201425）；2020年度广西高等教育本科教学改革工程项目“新工科背景下一流专业建设的探索与实践——以电子信息类专业为例”（2020JGZ118）

［作者简介］ 李旭琼（1973—），女，广西南宁人，工学硕士，桂林电子科技大学信息与通信学院副研究员，主要从事电路与系统研究；刘庆华（1974—），女，四川南江人，工学博士，桂林电子科技大学信息与通信学院教授，主要从事信号处理研究；韦雪明（1978—），男，广西河池人，工学博士，桂林电子科技大学信息与通信学院副教授，主要从事集成电路设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）42-0153-04 ［收稿日期］ 2023-07-18

2016年6月2日，我国正式加入《华盛顿协议》，这被认为是中国高等教育取得的具有里程碑意义的历史性突破。在工程教育专业认证标准的12项通用毕业要求中，从第一条至第七条及第十条都直接指向解决“复杂工程问题”的能力要求，明确体现了本科工程教育的基本定位是培养学生解决复杂工程问题的能力［1］。培养工科学生解决复杂工程问题能力不能只注重知识传授，更重要的是在思维结构方面突出工程思维能力建构，训练学生掌握和运用工程思维方法，综合性、创造性地应用所学知识分析问题和解决问题。学生解决“复杂工程问题”能力的培养不能仅依靠毕业设计、综合实践等一两个实践环节，而必须通过整个培养体系实现，分解落实到教学各个环节、各门课程之中［2］。

“模拟电子技术”是电气、电子信息类专业的核心专业基础课程，具有很强的实践性和明显的工程技术特征，是学生接触的第一门直面工程应用的课程，因而是启蒙引导学生建构工程思维、培养解决实际工程问题能力的重要载体［3］。目前，“模拟电子技术”课程的教学由于受到学时、教学资源的限制以及传统教学理念、教学方法的局限，在实际授课中教师难以开展系统有效的工程思维训练，造成理论教学与应用能力培养割裂的困局。大部分学生在学完课程后，只是了解掌握了基本概念和单元电路的工作原理和分析方法，但由于缺乏工程知识和工程思维的指导，不能将理论知识灵活应用到工程实际中，稍微复杂的电路不会分析，设计、制作和调试电路的能力较弱，不能达到学以致用的教学目标。

本文在分析“模拟电子技术”课程工程特点的基础上，通过改进教学内容和教学方法，引导学生建立全局系统观和工程意识，强化学生综合运用模拟电路知识解决实际问题的工程思维培养，提升学生的工程素养及实践创新能力，促进工程教育人才培养目标的达成。

一、“模拟电子技术”课程中的工程思维

工程思维是以价值为导向的建构性的造物思维，是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。首届北大新工科国际论坛（2021）主论坛上，百度创始人李彦宏认为，化繁为简、知道妥协和循序渐进是工程化思维和科学化思维的主要区别。古鲁·马达范在《转向：用工程师思维解决商业难题》中对工程思维做了深入阐释，提出工程思维的三大要素是结构、约束和取舍［4］。

根据工程思维的内涵特点，结合“模拟电子技术”课程内容以及学生实际情况，在“模拟电子技术”课程教学中培养学生的工程思维能力主要包括以下四个方面。

1.系统思维能力。任何电子产品都是由多个电子元件或功能模块组合而成的系统，系统各要素之间相互联系、相互制约，任何一个要素发生变化，都会影响其他各要素，甚至使整体功能发生变化。研制电子产品，除了技术本身以外，还要考虑成本、外观以及营销等诸多因素，需要具备全局系统观，学会用整体的、关联的方法思考问题。

2.简化思维能力。工程以创造价值为目标，在允许的误差范围内，力求用最简单、有效的方案解决实际问题。实际的电子系统在满足功能和基本性能指标的前提下，允许存在一定的误差范围。在分析设计电子电路时，由于电子元件参数的分散性、温度敏感性和各种物理效应，进行严格精确的计算既不现实也没有必要，因而需要善于抓住问题的主要矛盾，忽略次要矛盾，采用工程近似的方法化繁为简，学会高效地分析处理问题。

3.权衡取舍能力。凡事“有一利必有一弊”，模拟电路设计中充满着技术指标、功耗以及成本等各种约束，而这些约束往往不能同时满足，甚至会互相冲突。在电路设计和器件选型时，需要统筹考虑，权衡利弊，懂得取舍，不要盲目追求某一方面的性能特别优秀，要建立“合适的设计才是最好的设计”的折中设计理念。

4.实验至上观念。实际的电子系统必然会受到环境的影响，包括电路布局布线、温度、湿度、光照以及噪声等，这些影响因素在理论设计和仿真过程中是很难计算和模拟的，尤其是电路的稳定性和各种设计缺陷，只有在实验调试过程中才容易暴露出来。实际的电子系统通常需要经过不断的实验测试、调试改进才能达到预期的指标［5］。

二、在教学中培养学生的工程思维能力的方法和策略

在教学中培养学生工程思维的关键是做好教学设计，包括教学内容组织和教学方法。教师从课程知识点中挖掘工程问题，在课堂教学中创设工程应用情境，采用启发式和研讨式教学引导学生运用工程思维分析设计模拟电子电路。经过若干单元的训练逐步养成一定的工程思维能力，然后通过综合设计性的项目任务让学生在实践中提升解决复杂工程问题的能力。

1.以电子产品为载体组织教学内容，增强工程认知，培养系统思维。把教学单元内容“封装”到一个实际的电子产品中，通过整机电路清晰呈现各个单元模块以及元器件的连接匹配关系，有利于学生站在系统的高度了解各个模块在整个电路中的地位、作用和相互影响，帮助学生建立全局观念，引导学生用联系的方法理解系统对各个单元模块提出的性能指标要求。表1是“模拟电子技术”课程教学单元内容与对应的电子产品案例。

以“基本放大电路”为例，该教学单元主要包括共射电路、共集电路和多级放大电路，考虑学生为初学水平，选择由分立BJT三极管组成的拾音器来组织教学内容。在这个电子系统中，驻极体麦克风（传感器）为信号源，内阻几百欧，输入级要求具有较高输入阻抗以利于提取有效信号；输入电压只有毫伏数量级，需要较高的电压增益获得足够大的信号才能驱动喇叭，因此采用两级共射放大电路实现放大电压；喇叭电阻只有32 Ω，为了实现最大功率传输，后级采用了低输出阻抗的共集电路实现阻抗匹配。通过对电子产品进行整体上的定性分析，使学生能够全面深入地理解系统对输入级、输出级在指标上的要求，以及它们在系统中的作用、相互影响和匹配关系，有利于培养学生的系统思维。另外，作为实用产品设置了抗干扰滤波电路（C1、C3、C10、C11），提高稳定性的负反馈电路（C4、C7），用于监控设备运行桩体的指示灯，这些辅助电路就是实际电路需要考虑的工程因素，可以帮助学生跳出原理电路的局限，增强对工程的理解。

2.以“工程近似”简化定量分析，培养用简化思维解决复杂问题的能力。模拟电子电路的核心是半导体器件，包括二极管、BJT三极管、场效应管等。这些半导体器件是非线性器件，其伏安关系比较复杂，而且半导体器件存在多种物理效应，如PN结电容效应、BJT的基区宽度调制效应、MOSFET的沟道长度调制效应等。因此，想要建立反映全部特征效应的电路模型进行精确计算是非常困难且不切实际的。在实际工程应用中，电子电路定量分析的目的不是追求理论的深入和结果的极致精确，而是衡量评价电路是否满足设计需求。在教学中要引导学生打破严谨推导、精确计算的惯性思维，从工程的角度运用简化思维分析思考问题，善于抓住器件或电路的主要特征，忽略次要因素，学会用“工程近似”的方法简化电路的建模和分析过程，力求用简单有效的方案解决问题。

用“工程近似”方法分析求解模拟电子电路，一定要强调近似的条件及合理性，实际应用时应根据具体应用场景和工作条件，通过合理近似获得高效快速解决问题的方案。

3.在电路设计中学习取舍之道，提升权衡取舍能力。电路设计包括需求分析、拓扑结构设计、元器件选型、仿真验证以及电路实现等方面。一个好的电路设计必须完全满足系统功能和性能要求，在此基础上应尽可能地简化电路结构，避免片面追求高性能指标和过多的功能，合适的设计才是最好的设计。

电路设计过程其实就是在多约束条件下进行选择、平衡、取舍和优化的过程。以小信号放大器为例，放大器的性能参数除了增益、带宽之外，功耗、电源电压、线性度以及最大电压摆幅等参数也很重要，还有输入输出阻抗决定了电路该如何与前级和后级互相配合。在实际中，这些参数往往相互牵制，甚至会互相冲突。比如，增益带宽积是常数，提高增益则势必会使带宽变窄，增大输出电压摆幅则功耗会增大，增大输入电阻噪声减小但是会使高频特性变差等。因此，在电路架构设计和器件选型过程中，需要从整体出发进行综合考虑，在各种性能指标之间权衡取舍，同时还要考虑成本和可靠性等工程因素，经过反复评估、优化才能得到一个满足需求的电路方案。

多约束条件下的电路设计，不仅需要熟练掌握器件及单元电路的结构、原理、性能和指标估算，还要用到一些设计经验，对学生来说具有一定的挑战性。在课堂教学中，可以结合工程案例，采用启发式、研讨式的教学方法，指导学生如何根据需求选择电路方案和器件选型，传授一些设计经验，并辅以电路仿真进行验证。课后可以布置一些设计性作业，由简单到复杂循序渐进，使学生在电路设计过程中逐渐形成平衡取舍的思维习惯，提高权衡决策的工程能力。学会选择、学会妥协、学会权衡取舍，这种思维方法也是正确看待世界的方法，是人际沟通、为人处世的方法和智慧［6］。

4.实验至上、躬行实践，善用工具分析解决问题。实验至上观念是工程思维培养的重中之重，只有通过实践才能实现工程思维的社会应用与迁移。教师可以设置具有一定挑战度的综合设计项目并要求学生以团队合作形式，通过电路设计、焊接安装、测试调整等，最终完成实物作品。综合设计项目应在总评成绩中占有较大的比重，如10%～15%，以推动学生投入精力认真完成。此外，教师需要开放实验场所，配备基本元器件、常用工具和仪器设备，给学生提供良好的硬件支持。

要完成综合设计项目，学生不仅需要扎实的理论知识储备，还要熟练掌握EDA软件工具（如Mulitism、SPICE、Altium Designer等）和各种仪器设备（如万用表、示波器、信号发生器、直流电源、扫频仪等）的使用。在实验调试过程中，教师要引导学生善于借助工具仪器进行故障诊断和排除，通过不断调整和改进，最终使作品达到预期的功能和指标。

在电路设计方案转换为“硬件实现”的过程中，学生可以深刻体会原理电路、仿真电路与实际电路的区别，强化工程认知，积累一定的工程经验。在实验调试的过程中，进一步锻炼了学生发现问题、解决问题的能力。同时，硬件作品成果的产出，使学生收获成就感，激发其创造热情和专业自信。

结语