基于基础与专业相融合的研究型实验教学方法探索

摘  要：以卓越工程师教育为背景，针对创新型、实践型工程技术人才培养目标，该文将笔者多年课堂教学、实验教学和相关科研工作的经验融入到实验教学中，探索基础与专业相融合的研究型实验教学方法。方法注重学生对基础知识与专业应用的融合训练，基于基础实验系统和综合开放式实验平台，通过对学生在基础电路测试、知识分解、电路独立设计与测试方面的训练，帮助学生创新性和科学研究素养的培养。该文方法在教学实践中进行应用，并起到较好的效果。

关键词：电子技术；实验教学；工程实践；专业融合；科学研究素养

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）05-0094-04

Abstract： Under the background of the excellent engineer education program， the author integrates many years of experience in classroom teaching， experimental teaching and related scientific research into the experimental teaching， and explores the research-based experimental teaching method that integrates foundation and specialty. Methods based on the basic experimental system and the comprehensive open experimental platform， students were trained in basic circuit testing， knowledge decomposition， independent circuit design and testing， so as to help students to cultivate their innovation and scientific research quality. The method in this paper has been applied in teaching practice and achieved good results.

Keywords： electronics technique; experiment teaching; engineering practice; specialty combination; scientific research literacy

创新能力培养是当前评价高校学生教育质量的重要参考指标，实验教学是助力学生创新能力培养的一个有效途径，得到广泛认可和大力推广[1-3]。现阶段，各高等院校在实验教学方面投入了很大力量，针对创新型、实践型工程技术人才培养目标提出了许多举措[4-6]，如通过基础实验课程和专业实验课程建设，为培养学生的科学素养和创新能力搭建平台，高校教师们也相应地在教学方法、课程设计、评价方法等方面开展了探索工作。

以北京航空航天大学实施卓越工程师计划、建设工程教育强校为契机，针对仪器科学与技术学科和专业特点，基于北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教学实验中心的实验条件，并结合笔者多年的教学实践经验，开展了融合基础与专业知识的研究型实验教学方法的探索，在本科课程模拟电子技术基础和惯性导航技术综合实验的教学过程中进行实际应用，此外，还与仪光科苑、冯如杯、全国大学生电子设计竞赛等科技活动相结合，进行教学内容与方法实践，取得了一定成果。

一  基础与专业结合的研究型实验教学思路

现阶段，高校的基础实验教学和专业实验教学还是以传统的实验教学方法和模式为主，在实施过程中存在一些问题，总结起来主要包括以下几点。

不论是基础类还是专业类课程，其相关的实验部分常被作为理论教学内容的组成和补充，一般不单独设置实验课程，而且实验部分的占比往往受制于课程总学时，实验学时和内容均较少，甚至存在实验内容与理论课程契合度欠缺的情况。

基础类实验课程和专业类实验课程均是针对自身对应的理论课程内容来单独设立的，二者之间缺乏相关性和联结性，在基础-专业实验教学体系的构建方面尚存在较大的问题，难以实现专业知识向基础理论的下沉、专业应用对基础知识的有效检验，以及基础知识对科技实践和创新应用支撑的实践检验。

实验课程一般以教材给定或配套设定的实验项目为主，实验内容具有一定的固定性和局限性，在知识深度拓展及向专业应用与科技活动融合等广度发散等方面尚有欠缺，而且相应的实验教学方法与考核方式较为单一，在实验过程中引导和激励学生发挥主观能动性的效果有待提高。

存在实验设备数量不足和更新不及时、实验场地面积不够等问题，与实验教学质量保障相关的条件还需进一步完善，比较而言，研究生的教学实验条件与资源尤为不足。

目前，各高校在基础课程和专业课程的教学计划和课程规划方面，进行了大量探索研究，开展了以问题为导引，基于课堂教学、实验教学、科技活动和科研工作的基础实验和专业实验课程的融合支撑教学方法尝试。目前，这些探索研究主要可以归纳为两个方面：一方面为开展培养学生创新能力的实验教学方法探索，以针对课程特点的基础实验课程教学和考核方法为其主要研究内容；另一方面为探讨基础知识与专业应用紧密融合的课程设计，侧重于二者的有机结合和互相支撑的教学实施与考核方法研究。

相对而言，探讨基础知识与专业应用紧密融合的课程内容设计，是现阶段各高校和教师们逐渐深耕的研究方向，也是笔者近年来一直努力开展的主要工作，总结来说即为：基于科学研究、专业应用和科技活动等与实验教学联系的深入挖掘，借助课堂教学与实验教学的紧密结合，实现融合基础与专业知识的开放式综合实验平台搭建，为学生提供检验理论的条件，并用于创新设计，从而助力课程教学效果和质量的提高。

二  模拟电子技术基础实验教学方法

模拟电子技术基础是电子技术系列课程的重要组成部分，课程具有鲜明的工程性与实践性特点，借助实验实现理论内容的实物化与展现，培养学生动手操作和解决工程问题的能力，是课程教学目标的重要组成部分。因此，实验作为理论知识内容的验证，是模拟电子技术课程的重要组成部分，为学生实际电路设计与调试能力、相关专业实践应用等科学素养的培养提供必要支撑。模拟电子技术基础课程的实验教学方法探索注重从教学准备、实施、总结几个方面进行架构设计，实验内容以基础理论内容为本，以对应于基础理论知识的设定实验为主要项目，同时，注重融合专业知识与科研成果，进行特色实验项目开发设计，助力学生的操作技能、研究思维、创新能力培养。

（一）  实验教学准备工作

在实验课程的准备工作方面，教师和学生各自的侧重不同，为了保障实验课程效果达到预期目标，需要学生和老师的共同配合。教师主要从教学规划、教学目标、要求和内容方面进行准备。实验课程的教学总体计划需要每个学期开课前完成，这有助于借鉴往届学生的历史学习状况，并与当前学生的实际情况相结合，对开课学期的实验内容与时间做好统筹安排。在对实验目的、要求、内容及具体操作步骤等详细进行规划时，以理论内容为实验规划的基础依据，根据实验内容和学生的经验、动手能力选择最佳的实验教学方案，合理设置实验问题，引导学生在实验过程中观察、思考、分析。

学生的准备工作主要以熟悉实验流程、实验内容、相关器材为主。为了调动学生对实验课程的学习积极性，开课前以分组或志愿参加形式，邀请学生完成电子器件的检测与购置，让学生熟悉器件与仪表，初步锻炼学生的实际测试与排故能力，为实验课程的全面开展打下良好基础。加强学生阅读和分析实验指导书的要求，使学生提前了解实验操作所用到的仪表、电路图、操作步骤和顺序，明确实验过程中需要记录的数据和图表，分析可能遇到的问题，预先思考解决方案，从而提高实验的效果。

（二）  实验操作与创新能力培养

实验过程中的规范操作，对实验现象的细致观察，对实验问题的分析与解决等实验教学环节，既是对学生理论知识掌握程度及利用理论知识解决实际应用问题能力的检测；也是培养学生科学研究和创新思维的有效手段；同时，还是对学生个人能力和协作能力的客观考察。在实验过程中，引导学生以科学研究的态度和方法进行实验，启发学生根据基础理论知识，结合观察到的实验现象提出问题，以问题为引入进行理论研讨，从而达到通过实验帮助学生加深对所学知识的理解，锻炼其工程设计能力，并实现对学生科学研究思想和方法的入门引导等目的。

坚持以训练学生的个人实践能力为实验教学的主要内容与要求，根据课程的目的和学生自身情况，适当增加技能训练环节，允许试错性实验方法，目的在于引导学生通过实验现象与理论分析对比，训练学生提出问题、解读实验数据、分析实验结果，并基于实验报告和科技小论文等方式，锻炼学生基于实验现象深入总结和挖掘问题的能力，进行学生科学探究素养的训练，也为学生的“个性化”培养和考核提供条件。

此外，注重培养学生分工协作的团队作战能力，锻炼学生在实验开始前迅速做好基本分工，各司其职，保证实验操作的顺利进行。实验进行中，实验现象观察和记录、实验问题的分析和解决，均以团队研讨形式进行，借助团队各个分工角色的成果集合完成实验过程，使学生能够以团队力量进行理论知识复盘、验证、理解与巩固，在实现实验对理论有效验证的同时，锻炼学生的“个性化”能力与“团体性”合作能力。

模拟电子技术基础实验课程作为理论课程的必要和有益补充，主要以课程的理论内容为基础，与精密仪表和航空航天仪器等专业相关的特色多体现在课堂教学、答疑、问题研讨过程中。为了实现利用专业应用（科研工作）和实践实验（科技活动）帮助学生理解基础与专业的融合和相互支撑，一个有效的途径即是为学生提供基础与专业相结合的实验研究平台。以此为出发点和目标，笔者结合多年的教学实践经验，开展了融合基础知识与应用实例的实验教学平台搭建和教学方法研究。

三  基础与专业结合的实验教学方法

通过探索模拟电子技术基础课程，乃至电子技术系列课程的相关基础理论知识在专业中应用的系统构建，基于科研成果向基础理论下沉的技术分解的目的，开发了电子技术应用设计实验模块，以科技活动、科研项目、专业实验课程为结合对象，进行了相关实验内容设计，搭建了创新实验教学平台。基于该教学平台，采用开放型实验教学模式，对学生开展创新实践和研究素养的训练与培养，帮助学生更好地理解所学基础知识在专业知识和科学研究中的应用。本文以两个实验教学案例为例，展示融合基础与专业的实验教学方法探索的成果。

（一）  与科技活动相结合的实验教学案例

科技制作的内容为实现“心电图信号采集系统”，其中的重要组成部分为信号采集电路的设计与仿真测试。心电信号采集电路主要包括以下几个部分：前段放大电路和带通滤波电路，用于信号的预处理，消除共模信号，放大微弱信号并提取相关频段信号；后级放大电路，用来放大有用信号；电平抬升电路，使后级放大电路输出电压满足单片机的输入信号范围需求；50 Hz陷波电路，用来去除工频干扰。考虑到给定模拟心电信号的幅值为0.5 mV，频率为1/10/60/100 Hz，为获得有效采集输出信号，需要合理地进行电路规划设计。在设计实验内容之前，首先进行技术分解，使学生理解科技活动内容与基础理论知识的关联。这一环节以教师引导为辅，以学生团队研讨为主的形式开展，学生需要根据给定任务进行技术分析和电子技术相应知识的构建，总结出所有或部分相关知识点。

基于上述分析，学生科研明确任务内容和设计目标，提出合理的电路设计方案，整体设计思路为：按照实际电路的搭建方式，先完成各部分电路的设计，然后利用仿真平台进行电路搭建和调试，最后进行整体电路的调整分析（图1）。