問題驅動式教學在電子技術課程的應用

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摘要：農林高等院校工科專業(yè)肩負著培養(yǎng)產業(yè)應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，介紹了結合農林特色的問題驅動式教學法在模擬電子技術課程實踐中的初步探索，旨在提升學生解決農業(yè)生產過程中解決復雜工程問題的創(chuàng)新思維和實踐能力。

關鍵詞：問題驅動式教學；模擬電子技術；農林特色

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)展進行了頂層設計與預期，為高等教育機構如何服務于國家創(chuàng)新驅動發(fā)展、“中國制造2025”及“互聯(lián)網+”等重大戰(zhàn)略提供了指導方向[1-2]。近年間，教育部陸續(xù)啟動“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”、“新工科研究與實踐”，組織成立了中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會，在探索中建立了與國際實質等效的工程教育認證體系[3-4]。2016年6月，我國正式加入工程教育學位互認協(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，支撐產業(yè)轉型升級，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，產生了深遠影響。農林高等院校肩負著大力發(fā)展現(xiàn)代農林科學技術，著力培養(yǎng)農林系統(tǒng)工程科技人才的重任?！澳M電子技術”（以下簡稱“模電”）是農業(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專業(yè)的核心基礎課單元。因此，如何在農林院?！澳ｋ姟闭n程改革中拉近理論知識與產業(yè)需求的距離，依據(jù)產業(yè)熱點問題開展問題驅動式教學，體現(xiàn)現(xiàn)代工程技術對傳統(tǒng)農業(yè)的改造與升級，激發(fā)學生的學習熱情，提高學生工程實踐能力，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”為設計需求，介紹了1例問題驅動式教學應用探索，涉及集成運算放大電路設計、芯片選型及傳感器性能等知識單元，旨在通過教學方式改變，進一步提高學生的主觀能動性、實踐能力和創(chuàng)新意識。

二、教學對象及內容分析

“模擬電子電路”不僅是相關專業(yè)學生合理知識結構的重要部分，同時也對學生求學深造、職業(yè)發(fā)展產生重要影響。一般在大學二年級開設，學生前期專業(yè)基礎課程為“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，能自主設計簡單電路?！澳ｋ姟闭n程將農林產業(yè)需求融入問題驅動式教學，本文探討教學內容建議開設在集成運算放大器及運算電路章節(jié)之后，學生應掌握三極管、場效應管電子器件特性、基本放大電路結構特點、集成運算電路分析方法和基本電路結構等理論知識。問題驅動式教學內容為土壤養(yǎng)分檢測電位型傳感器接口電路設計，以高阻抗運算放大器的選型、接口電路設計、仿真及調試為主要教學活動。教學時長為2課時。

三、教學目標

學生是教學活動的主體。隨著電子技術的飛速發(fā)展，“模電”課程所涉及電子元器件和應用技術不斷翻新。理論課程與實踐環(huán)節(jié)的合理交叉，可極大地激發(fā)學生主觀能動性。土壤養(yǎng)分傳感器是電化學傳感器，可實現(xiàn)待測溶液目標離子濃度轉化為傳感器輸出電位，該傳感器輸出阻抗高，可達到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計與調試項目，使學生根據(jù)傳感器輸出信號特點，自主查閱相關文獻，確定集成運放參數(shù)、型號，根據(jù)教師提供原理電路，設計實用電路，培養(yǎng)學生解決實踐問題的能力。知識與技能方面，要使學生了解集成運算放大器的分類、特點和電路組成及原理，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，以此設計需求作為問題驅動，為保證采集信號的準確性，集成運放所組成的接口電路輸入阻抗應達到1011Ω以上，偏置電流應達到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。學生掌握電路原理，根據(jù)實用接口電路要求，進行芯片選型，利用仿真工具分析電路，對設計方案進行宣講、自評及答辯。部分優(yōu)秀學生可使用面包板（PCB通用板）和集成運放芯片，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）方面進行周密考慮，課后自行安裝調試硬件電路，進行實物展示。

四、教學環(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施、過量施肥危害引入，進而由教師介紹土壤養(yǎng)分傳感器的原理及輸出信號特點，通過視頻演示介紹商用數(shù)據(jù)采集器功能，選派學生現(xiàn)場操作儀器進行養(yǎng)分測定，使學生對項目產生感性了解。然后，將學生分成小組，配發(fā)傳感器及多種集成運算放大器芯片，進入問題驅動式教學“翻轉式”教學單元。導課的過程是調動學生興趣，促進其主動思考，增強教學互動性的重要一環(huán)。將農林產業(yè)熱點問題引入課程，選取通俗易懂、學生有主觀體會的案例，可增強學生的參與度。通過導課環(huán)節(jié)增加學生積極性，提高實踐單元的教學效果。2.問題驅動式課堂互動。教師首先介紹典型電路原理圖，學生以小組為單位，自主討論電路結構、功能、元器件使用，結合集成運算放大器芯片調研，利用仿真工具進行實用電路設計，完成土壤養(yǎng)分檢測傳感器接口電路設計，分析仿真結果。進而，以小組為單位宣講設計方案，展示仿真結果。主動、有效地思考是保障學習質量的關鍵。問題驅動式教學典型電路圖給出后，學生正式成為課堂主體，主動承擔分工、合作、組內討論、決策、設計、整理及宣講等任務，進一步激發(fā)學生的好勝心、求知欲；主動思考將使學生更加投入，提升項目完成后的成就感和滿足感。教師“翻轉”為課堂客體，承擔啟發(fā)、建議和協(xié)助解決問題的作用，作為觀察者給予學生適當引導和幫助。3.成績評價。學生小組充分討論后形成設計方案并宣講，項目需進行三方論證，形成評價結果：第一方面，組內自評。組內闡述設計優(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。他組分析當前設計特點與不足，提出項目改進建議，評議設計成績；第三方面教師提問與點評。教師對電路原理及參數(shù)選型進行提問，點評設計亮點，綜合三方評價，給出小組綜合評分。分析問題、結果評價是對學生團隊協(xié)作與深度思考能力的拔高要求。學生的合作意識、參與感、責任感、榮譽感及語言表達能力將得到充分展示與發(fā)揮。在潛移默化中，學生將對教學過程涉及的集成運放電路原理、功能、特點及芯片參數(shù)等知識點加深理解和掌握。教學活動更加符合“新工科實踐”教學理念要求。4.實物設計及調試。部分感興趣同學可自主申報實物設計附加考核。根據(jù)學生申報重新分組，撥付經費用于學生自主開展印刷電路板制作（面包板購置）、安裝焊接、調試、實驗性能測評等環(huán)節(jié)。學生遇到困難后，主動與教師溝通，教師將給予指導。問題驅動式教學的實物設計與調試環(huán)節(jié)將進一步鞏固與提升學生的理論知識與實踐技能。

五、討論與總結

結合農林特色應用，問題驅動式教學法變教師“灌輸式講解”為“啟發(fā)式解惑”，改學生“被動式接收”為“自主式思考”，重視打通知識點間的“消化—理解—運用”，更強調“應用需求—特色設計—團隊合作”，課程設計旨在調動課堂上學生的參與程度與主觀能動性，在實踐中仍需進一步對學生主動性調動、“畏難情緒”理解與理順、“驗證型”與“設計型”實驗融合與分配等具體環(huán)節(jié)完善，全方位鍛煉學生的自學能力、思維能力、創(chuàng)新能力、應對挑戰(zhàn)的能力。

參考文獻：

[1]國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010－2020年)[Z].2010.

[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：中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院