陳一民，魏 東，周渡海，張明珠

（1.北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué) 工程實踐中心，北京 100044；3.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，北京100042）

電路與電子技術(shù)系列課程通常包括電路原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)3門課程，這些課程是國內(nèi)電氣信息類專業(yè)本科學(xué)生的主干專業(yè)基礎(chǔ)課程。依托理論課程所設(shè)置的實踐教學(xué)課程不僅使學(xué)生鞏固課程的理論知識，提高動手能力，同時也將為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實踐打下基礎(chǔ)，因此在整個專業(yè)教學(xué)體系中占有極為重要的地位［1－3］。

本文將美國明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)課程（包括課程設(shè)置、實驗室軟硬件條件、實驗教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段）與國內(nèi)工科高校相關(guān)課程進(jìn)行對比，分析了明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)的特點，為我國高校相關(guān)課程的實踐教學(xué)提供有益的經(jīng)驗。

1 電路與電子技術(shù)實踐課程構(gòu)成

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐課程是該校電氣與計算機工程系為電氣工程、計算機科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也面向機械工程等其他專業(yè)學(xué)生授課。電氣工程專業(yè)要求本專業(yè)學(xué)生完成24學(xué)分的實踐課程（共計8門實驗室課程，不包含物理、化學(xué)等基礎(chǔ)實驗課程），其中電路與電子技術(shù)實踐課程必修部分共有9學(xué)分，占全部實踐課程學(xué)分設(shè)置的38%［4］。這說明該校工科教育非常重視學(xué)生基礎(chǔ)能力與技能的培養(yǎng)。

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐課程包含5門獨立設(shè)置的實驗室課程，其中有4門課程是電氣工程專業(yè)的必修課程［5］（見表1）。按照培養(yǎng)方案，必修課程要求本科學(xué)生在第3、第5、第6學(xué)期完成。與國內(nèi)大學(xué)不同，美國大學(xué)課程設(shè)置較為靈活，全年秋、春、夏3個學(xué)期都開設(shè)了這些課程，便于學(xué)生在任何學(xué)期都可以修完相應(yīng)課程。

表1 明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子實踐環(huán)節(jié)內(nèi)容

2 電路與電子實驗室軟硬件條件

實驗室的軟硬件環(huán)境為實踐教學(xué)的順利進(jìn)行提供了必要的條件和保障［6］。明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計算機工程系的電路與電子技術(shù)實驗室充分體現(xiàn)了實用的特點，在充分保證實踐教學(xué)的前提下優(yōu)化實驗室的資源，實現(xiàn)全天開放實驗教學(xué)。

2.1 實驗室構(gòu)成

明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐課程主要面向電氣與計算機工程系本科學(xué)生開設(shè)，但是也面向機械工程、航空航天工程等專業(yè)的學(xué)生開課。由于只有4間實驗室，所以其中一間實驗室是EE3101和EE3102這2門課程共用的實驗室。

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)實踐課的實驗室面積都不是很大，每間只有40～60m2。然而，這并不意味著實驗資源緊張或?qū)嶒灄l件惡劣。通常，該校每門實驗室課程會有4～10個實驗課段（session），每個實驗課段只容納12～14名學(xué)生，因此每個學(xué)生的實驗面積并不少。這樣安排一方面能夠保證較為良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，另一方面也便于教師進(jìn)行輔導(dǎo)。

可以看出，每門課程被分為幾個實驗課段，并且實驗室全天和全年開放，使得明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子實踐教學(xué)能夠在實驗室數(shù)量較少、面積較小的情況下高效運行，也使得實驗設(shè)備占用的資金減少而使用率極大提高。這種在有限的實驗室面積和較少設(shè)備購置經(jīng)費的條件下，能夠保證教學(xué)順利實施和良好教學(xué)效果的經(jīng)驗頗值得我國高校學(xué)習(xí)。

圖1是明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計算機工程系一間電子實驗室內(nèi)部情況。這一實驗室使用面積約60m2，共有10套實驗設(shè)備，卻完成EE3101和EE3102這2門基礎(chǔ)實驗室課程的實驗教學(xué)。按照2012年春季課表，EE3101課程設(shè)置4個實驗課段，EE3102課程設(shè)置9個實驗課段，使該實驗室周課內(nèi)學(xué)時達(dá)36學(xué)時，實驗室空閑率很低。

圖1 電氣與計算機工程系電子實驗室

2.2 實驗設(shè)備硬件條件

明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程專業(yè)雖然在美國大學(xué)中排名較為靠前，但就其本科實驗室設(shè)備條件來說與我國國內(nèi)普通大學(xué)電氣工程本科教學(xué)實驗室有著較大區(qū)別。

該校電路與電子技術(shù)實驗室均沒有裝備像我國國內(nèi)大學(xué)那樣的成套實驗箱或是實驗臺，而只有簡單的面包板。測試設(shè)備主要采用NI公司的LabVIEW虛擬儀器并結(jié)合實體數(shù)字示波器、邏輯分析儀等測試設(shè)備，老式模擬示波器在實驗室內(nèi)仍有所保留，便于學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

面包板雖然不如實驗箱操作簡便，但需要學(xué)生完成元件級的實驗電路搭接與調(diào)試工作，從而極大地鍛煉了學(xué)生的動手能力。面包板和所用的電子元器件通常會在開學(xué)初發(fā)給學(xué)生，學(xué)生可以在進(jìn)入實驗室前利用課余時間完成電路的組裝工作。這樣做也會降低設(shè)備的采購成本，并使實驗室的通用性和實驗的靈活性大大提高。

表面上看，明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實驗室的硬件不如我國國內(nèi)高校工科實驗室那樣氣派，甚至可以說有些簡陋，但是正是這種“簡陋”的實驗裝備，體現(xiàn)了美國大學(xué)工程教育中的務(wù)實與求實［7］。

2.3 實驗室管理

明尼蘇達(dá)大學(xué)的實驗教學(xué)分工明確。實驗課由專任教授授課，實驗的輔導(dǎo)工作主要由電氣與計算機工程系的研究生教師助理（Teacher Assistant）完成，實驗室設(shè)備的維護(hù)與管理由學(xué)院技術(shù)人員和兼職研究生共同完成。電路與電子技術(shù)實驗室每天08：00～22：00開放，使用電子門禁控制人員的進(jìn)入。學(xué)生能夠很方便地在實驗室空余時段進(jìn)入實驗室自主學(xué)習(xí)，時間更加靈活，對技能的提高與鞏固更為有效，同時也保證了實驗室的安全。

3 實踐課程教學(xué)內(nèi)容與組織分析

3.1 實踐內(nèi)容分析

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)共設(shè)置29個實驗項目和貫穿全學(xué)期的項目設(shè)計（相當(dāng)于我國高校課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)）。在電路與電子技術(shù)實踐課程中，多數(shù)實驗項目的學(xué)時為2～3學(xué)時（一個實驗課段），也有些實驗項目需要2個實驗課段（約4～6學(xué)時）完成，但這不包括學(xué)生利用課余進(jìn)行實驗的時間。每個實驗項目保證學(xué)生能夠有充裕的時間完成。

表2—表6給出了明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)5門課程的具體實驗內(nèi)容設(shè)置和學(xué)時安排［8－12］。

表2 EE2002“電路與電子實驗室課引論”的實驗安排

表3 EE3101“電路與電子實驗室課Ⅰ”的實驗安排

表4 EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”的實驗安排

表5 EE4111“高級模擬電子設(shè)計”的實驗安排

表6 EE2301“數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計”引論的實驗安排

上述電路與電子技術(shù)實驗項目基本是硬件電路實驗。雖然學(xué)校也要求學(xué)生應(yīng)用電路仿真軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行仿真，但是仿真測試的任務(wù)通常留在課余進(jìn)行。

從這些實驗項目中可以看出明尼蘇達(dá)大學(xué)電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)的幾個特點。

（1）實驗的主要部分集中于半導(dǎo)體器件的分析。實驗項目的構(gòu)成中介紹實驗設(shè)備使用和實驗流程的認(rèn)識性實驗4個；涉及線性電路（電阻元件）實驗2個；涉及半導(dǎo)體非線性器件電路實驗15個，應(yīng)用設(shè)計項目1項；涉及數(shù)字集成電路器件實驗6個。

（2）由于實踐環(huán)節(jié)主要是獨立于理論課程教學(xué)而設(shè)置的實驗課，因此實驗項目的安排與理論課程的進(jìn)度沒有直接的聯(lián)系，實驗環(huán)節(jié)的設(shè)置相對獨立且自成體系，實驗項目所涉及的內(nèi)容更加全面。例如EE2002和EE3101實驗室課程都涉及了運算放大器實驗。前者主要完成運算放大器基本特性測試，而后者著重于對運算放大器非理想特性的測試和應(yīng)用。兩者互補，使學(xué)生能夠全面了解運算放大器應(yīng)用的要點。

（3）實驗項目既重視基礎(chǔ)，又重視應(yīng)用。項目的設(shè)置偏重于設(shè)計性實驗和啟發(fā)式實驗，幾乎看不到單純的理論驗證實驗。此外，實驗項目強調(diào)對學(xué)生分析能力的培養(yǎng)，而單純測試數(shù)據(jù)的實驗并不多見。由于許多實驗項目來自于實際電子電路應(yīng)用，因此，在實驗的內(nèi)容上也更強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生對電路現(xiàn)象和相關(guān)理論的分析能力。例如，多個實驗項目涉及高頻下電路特性的測試，這是為了幫助學(xué)生對常見電路的工作情況有所認(rèn)識。此外，貫穿全學(xué)期的項目設(shè)計實驗也是以實際應(yīng)用為背景，以學(xué)生自主實踐為主導(dǎo)的實踐環(huán)節(jié)。電氣與計算機工程系會在期末專門安排學(xué)生的設(shè)計成果展示，學(xué)生要通過完成的作品、實踐方案和報告向教師，甚至是向業(yè)界人士展示實踐成果。

（4）基礎(chǔ)實驗課程安排階段實驗考核與測試。從表2和表3的實驗項目設(shè)置中可知，在貫穿全課程的教學(xué)中安排有多次階段考核與測試。這樣做可以幫助學(xué)生鞏固實驗內(nèi)容，并更加熟練地使用實驗工具與設(shè)備。

3.2 實驗教學(xué)組織

由于明尼蘇達(dá)大學(xué)的實驗指導(dǎo)手冊較為全面、具體，因此，電路與電子技術(shù)實踐教學(xué)的組織要比國內(nèi)簡單。通常，每個實驗課段容納12～14名學(xué)生參加，學(xué)生可以2～3人組成一組，但每人需要提交一份實驗報告。實驗主要由研究生教師助理進(jìn)行輔導(dǎo)。教師助理會簡要講授實驗的注意事項，協(xié)助學(xué)生領(lǐng)取元件，并在學(xué)生實驗過程中給予答疑。學(xué)生也要根據(jù)實驗手冊的要求向教師演示每一階段的“里程碑（即實驗設(shè)置的關(guān)鍵點）”。

圖2展示了明尼蘇達(dá)大學(xué)“EE3101電路與電子實驗室課Ⅰ”實驗情況。這門課程是1個人一組，每個課段可容納14名學(xué)生學(xué)習(xí)。

圖2 EE3101“電路與電子實驗室課I”的實驗情況

3.3 實踐課程評分與評價

評定學(xué)生的實驗成績是激勵和促使學(xué)生認(rèn)真完成實踐環(huán)節(jié)的重要手段之一。由于明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣與計算機工程系的電路與電子技術(shù)實踐課程是專業(yè)必修課并有學(xué)分要求，因此在一定程度上保證了學(xué)生能夠以積極的態(tài)度參與到實踐環(huán)節(jié)中，學(xué)校也更為具體和細(xì)致地對學(xué)生的實驗效果進(jìn)行評定和評價。

以EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”為例，這門實驗室課程的成績評定共由7項構(gòu)成（見表7）。

表7 EE3102“電路與電子實驗室課Ⅱ”的實驗評分構(gòu)成

表7中序號3“項目設(shè)計”的評定，要求方案設(shè)計包括項目的概念、項目實施要點、電路草圖、元件清單與價格、為滿足設(shè)計要求所做的設(shè)計分析報告、每一個組員的任務(wù)拆解分配表、詳細(xì)的電路仿真報告、電路原型的測試結(jié)果報告等內(nèi)容。在這門實驗室課程中，學(xué)生成績的40%依據(jù)自身的工作，成績的60%依據(jù)全設(shè)計組的共同工作表現(xiàn)。

在其他實驗課程中，也會在課程中期設(shè)置小測驗，檢查學(xué)生的實驗水平，便于及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實踐中的問題。

明尼蘇達(dá)大學(xué)十分重視對學(xué)生寫作能力的培養(yǎng)，學(xué)生的實驗筆記、項目工作日志和實驗報告在成績評定中占有較高的比例。工科學(xué)生要完成5～6門寫作訓(xùn)練課程（包括1門寫作基礎(chǔ)課程和4～5門貫穿于專業(yè)教學(xué)的寫作強化課程）［13］，教師對學(xué)生實驗筆記和實踐報告的撰寫也有很高的要求。

以電路與電子技術(shù)幾門實驗室課程為例，每個實驗項目均要求學(xué)生按照正式論文格式撰寫實驗報告，即實驗報告分為引言、實驗背景與理論、實驗軟硬件環(huán)境、實驗測試過程與數(shù)據(jù)分析、實驗結(jié)論等幾個部分。撰寫實驗報告猶如撰寫一篇論文，而不僅僅是簡單的數(shù)據(jù)記錄。這在一定程度上鍛煉了學(xué)生工程文獻(xiàn)的撰寫能力。

4 結(jié)束語

明尼蘇達(dá)大學(xué)的電路與電子技術(shù)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)具有較強的獨立性和系統(tǒng)性，課程實驗內(nèi)容豐富，注重學(xué)生能力的提高。實驗項目的設(shè)置突出學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，在注重基礎(chǔ)能力與素質(zhì)培養(yǎng)的同時，實踐內(nèi)容與工程實際應(yīng)用的結(jié)合更加緊密，這些方面頗值得我國高校借鑒和學(xué)習(xí)。

（References）

［1］葉紅.美國高校電子工程類專業(yè)本科培養(yǎng)方案淺析［J］.高等理科教育，2007（6）：64－67.

［2］王建明，帥仁俊.電路實驗教學(xué)平臺建設(shè)與實驗教學(xué)改革［J］.實驗室研究與探索，2008（2）：56－58.

［3］江捷.淺析美國密歇根州立大學(xué)ECE系本科課程設(shè)置［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（2）：173－176.

［4］DECE of UMN.4yr＿plan＿ee＿post＿fall2010 ［EB／OL］.（2010－08－01）［2012－11－02］.http：／／cse.umn.edu／services／advising／CSE＿CONTENT＿188609.php.

［5］DECE of UMN.ECE Catalog Descriptions［EB／OL］.［2011－09－01］.http：／／www.ece.umn.edu／undergraduate／index.htm.

［6］顧紅艷，劉曉鴻，蔡曉君，等.借鑒美國明尼蘇達(dá)大學(xué)實驗室管理經(jīng)驗加快我國開放實驗室管理［J］.實驗技術(shù)與管理，2008，25（10）：187－190.

［7］朱善安，楊敏虹.北美大學(xué)的EE教學(xué)改革與我們的思考［J］.高等農(nóng)業(yè)教育，2001（2）：91－93.

［8］DECE of UMN.EE 2002Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee2002／EE2002＿Lab＿M(jìn)anual＿（revised＿Sum＿2012）.pdf.

［9］DECE of UMN.EE3101Laboratory Manual［EB／OL］.［2012－11－02］.http：／／www.ece.umn.edu／class／ee3101／EE3101＿Lab＿M(jìn)anual＿（Revised＿Sum＿2012）.pdf.

［10］DECE of UMN.EE3102Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［11］DECE of UMN.EE2301Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［12］DECE of UMN.EE4111Laboratory Manual［M］.USA：University of Minnesota，2011.

［13］陳一民，馬鴻雁，張明珠.美國明尼蘇達(dá)大學(xué)電氣工程本科教育研究［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29（12）：183－187.