在新工科教育理念的引领和推动下,工程教育正在经历一场深刻的变革[1]｡传统的教育模式往往注重于对学生单一技能的训练,而在当前技术日新月异､技术迅猛发展的时代,这种单纯追求技能熟练度的教育方式显然已经无法满足社会对工程技术人才的需求｡因此,物联网专业工程教育的目标逐渐从单一的技能训练转向更为全面和深入的能力培养,特别是强调对学生创新思维和实践能力的培育｡作为工程教育的重要组成部分,电类课程在这一变革中扮演着举足轻重的角色｡电类课程不仅是工程技术人才必须掌握的基础知识,更是培养学生解决实际问题和创新设计的关键途径[1-3]｡然而,随着技术的不断进步和应用的日益广泛,电类课程的教学内容和教学方法也面临着前所未有的挑战和机遇｡如何使电类课程的教学更加贴近实际､符合时代需求,成为了当前教育界和业界共同关注的焦点[4-8]｡EDA技术(电子设计自动化)作为电子设计领域的重要工具,其在电类课程中的应用日益广泛｡EDA技术通过仿真实验的方式,能够为学生提供一个直观､高效的学习平台[9-12]｡在这个平台上,学生可以不受时间和空间的限制,随时随地进行电路设计和仿真实验[9-10]｡这种实验方式不仅大大提高了学生的学习效率,更能够帮助学生深入理解电路的工作原理和特性,培养学生的实践能力和创新思维｡本文将深入研究物联网专业电类课程与EDA实验仿真内容的融合策略,探讨如何将EDA技术有效融入电类课程的教学过程中,使其成为提升教学质量的重要手段｡本文将分析当前电类课程教学中存在的问题和不足,并结合EDA技术的特点和优势,提出具体的融合方案和实施措施｡通过这一研究,期望能够探索出一种既符合新工科教育理念又能够有效提升学生实践能力和创新思维的教学模式,为培养新时代工程技术人才贡献力量｡

1、电类基础课程分析与实验设计

1.1电路原理教学与工程性实验的分析

本节分析了物联网专业的基础课程“电路原理”(简称“电路”)､“模拟电子技术”(简称“模电”)､“数字电子技术”(简称“数电”)三门课程的教学内容及部分实验内容,研究相关教学内容的相互联系及工程性,设计相关实验内容｡

“电路原理”是一门研究电路网络基本规律的课程,通过对直流电路､过渡过程及正弦交流电路等内容的学习,使学习者掌握电路的基本知识,如电路分析､电工测量和误差分析等基本方法,并正确使用常用电工测量仪表和仪器｡本课程是电子信息类专业的入门课程,以理论知识为主,且相关电路实验大部分是验证性实验,因此学习起来比较枯燥｡从多年实验教学经验来看,学生对该类型实验兴趣不高,且印象不深刻｡分析其原因:学生未将具体工程实践和相关理论结合,无法体会到从理论到工程,再从工程中寻找理论支持的过程｡电路教学的主要内容围绕电阻､电容和电感展开｡根据相关理论教学内容设计EDA仿真实验以及实践电路的焊接实现｡表1中的实验项目1强调利用所学的直流电路知识来测量目前使用广泛的锂电池内阻,这就需要学生根据查询的相关资料,利用EDA仿真软件设计实验电路｡并依据仿真结果选择相关电路参数,进行电路实验,得到锂电池内阻｡由教师利用精密测试仪器对学生的实验结果进行评价｡表1中的实验项目2利用过渡过程的过渡状态来设计相关照明设施的关闭控制,从而给关灯者留出时间处理问题｡利用电感和电容充放电的时间特性来设计所需的延迟时间,实现预期目标｡该设计包括相关分析､电路仿真以及具体电路的实现｡表1中的实验项目3利用LC振荡电路设计矿石收音机｡学生需自主选择目标广播频道,理解相关工作原理,并使用EDA仿真软件设计电路参数｡随后,选用合适的元器件完成电路搭建,并评估其品质因数｡

表1电路基础教学内容的工程性电路

通过相关实验的训练,学生们拓宽了视野,更清晰地理解了电路知识在实际中的应用,极大地提高了对实验和课程内容的学习兴趣,同时也增强了对典型应用电路的重视程度｡

1.2模拟电子技术教学与工程性实验分析

模拟电子技术是一门研究模拟信号处理电路的学科,其核心电子器件包括半导体二极管､三极管和场效应管｡主要研究方向涵盖功率放大电路､运算放大电路､反馈放大电路､信号运算与处理电路､信号产生电路以及电源稳压电路等｡当前模拟电子技术的教学存在过于侧重理论知识的问题｡虽然这些理论内容十分重要,但往往缺乏与工程实践的直接关联｡由于教学中缺少工程应用案例的分析,学生难以将理论知识与实际工程问题有效结合｡此外,对教学内容未能从工程角度进行充分讲解和示范,导致学生工程思维培养不足,对如何在实际工程中应用模拟电子技术感到困惑｡表2设计了若干实际应用电路,通过电路设计与实验测试相结合的方式,帮助学生深入理解模拟电子技术的相关知识点｡这种方式不仅能提升学生对模拟电子技术的学习兴趣,还能培养他们对电子技术的钻研精神｡表2中的实验项目1“温控直流风扇控制”主要利用集成运放的运算和比较两个特性进行设计｡通过该实验,学生可以掌握这两个知识点的实际应用要求,同时学习相关传感器的工作原理｡该实验能有效提升学生对相关理论知识的理解和应用能力｡实验项目2“简易调频无线话筒”是基于调频技术实现的无线音频传输装置｡该装置主要利用三极管的放大特性和LC正弦波振荡电路原理,完成音频信号的无线传输,并通过调频收音机实现接收｡通过本实验,学生能够掌握三极管放大电路和LC振荡器的实际应用,同时培养对无线通信技术的兴趣与探索精神｡实验项目3“基于三极管的简易集成运算放大器设计”要求学生利用分立三极管构建基本运算放大器电路｡该电路是由多级放大电路组成的系统,包括共射放大级､差分放大级､功率放大级以及偏置电路等模块｡通过本实验,学生能够综合运用模拟电子技术知识,深入理解三极管在不同功能电路中的应用特性｡

表2模拟电子技术教学内容的工程性电路

通过上述实验项目的设计与实施,有效提升了学生将模拟电子技术理论知识应用于实际工程的能力,显著增强了课程的工程实践性｡特别是实验项目3的设计,使学生能够综合理解和运用课程的核心知识点,进一步深化了对模拟电子技术系统性的认识｡

1.3数字电子技术教学内容与工程性实验

“数字电子技术”的主要教学内容包括:各类逻辑门电路的结构与特性､集成数字器件的功能原理及应用,以及组合逻辑电路和时序逻辑电路的分析与设计方法[11,15]｡“数字电子技术”的基础实验教学内容主要集中在基础性和验证性实验上,如门电路功能测试､组合逻辑电路功能测试､触发器逻辑功能测试､时序逻辑电路实验等｡这些实验内容虽然能够巩固学生的理论知识,但未与现代电子技术发展紧密结合,难以培养学生的数字电路应用和设计能力｡为了提高学生的数字电路应用和设计能力,需要针对这些不足进行有针对性的改革和创新｡表3设计了数字电子技术知识内容相关的实际应用电路,通过实际应用电路设计及实验测试,便于学生进一步理解数字电子技术相关知识点,提升学生对数字电路学习的动力及数字电路应用案例的探索兴趣｡表3中的实验项目1在简易计算器的设计中,组合逻辑电路通过算术逻辑单元(ALU)､加法器､减法器､乘法器､除法器､比较器以及数据路径等组件来实现基本的算术运算和逻辑操作｡这些电路元素协同工作,使得计算器能够执行用户输入的算术表达式并显示结果｡通过该实验,使学生更加了解组合逻辑电路的原理及相关应用｡实验项目2的跳绳计数器是时序状态电路最重要的应用之一,时序状态电路负责控制计数器的状态转换和逻辑流程｡通过精确的状态转换和输入信号处理,时序状态电路能够确保跳绳次数的准确计数,并提供灵活的功能配置｡该应用电路可以让学生更多地了解状态机的应用,进一步认识相关时序逻辑的基本原理｡实验项目3的简易密码锁是组合逻辑和时序状态相结合的重要应用:组合逻辑电路主要关注密码的输入识别､比较和立即响应,确保密码的正确性和安全性;时序状态电路主要关注密码锁的状态转换､输入处理､输出控制和时序控制,确保密码锁的稳定性和易用性｡该实验的目的是让学生综合应用组合逻辑和时序状态电路,便于他们进一步了解相关数字电子技术知识的综合应用｡

表3数字电子技术教学内容的工程性电路

上述实验项目的设计旨在帮助学生掌握数字电子技术知识在实际工程中的应用,增强课程的工程实践性,从而更好地满足新工科建设的培养要求｡

2、电类基础课关系及衔接实验设计

“电路原理”“模拟电子技术”及“数字电子技术”是电类专业的必修课,三门课程的知识内容具有逐步递进的关系｡只有在学好前序课程的基础上才能理解后续课程,但这些课程之间主要存在理论知识的衔接,缺乏具体的实验内容关联[13-14]｡“电路原理”的教学内容主要包括电流､电压､电阻等的基本概念和电路分析方法,以及直流电路､交流电路和电路定理的深入学习和应用｡“模拟电子技术”课程的教学内容主要包括模拟信号的产生､传输､处理和控制技术,涵盖半导体器件基础､放大器基础､负反馈放大电路等,强调对模拟电路的分析､设计和应用能力｡“数字电子技术”课程的教学内容主要包括数字电路的基本理论､分析和设计方法,涵盖数制与编码､逻辑代数基础､逻辑门电路､组合逻辑电路､时序逻辑电路､半导体存储器､可编程逻辑器件等,旨在培养学生掌握数字电路的设计､分析和应用能力｡“计算机组成原理”课程的教学内容主要涵盖计算机系统的基本组成､工作原理和设计方法,包括数据表示､运算方法､指令系统､CPU设计､存储器层次结构､I/O系统以及系统总线等关键组成部分的详细讲解｡

“模拟电子技术”与“电路原理”的关系:“模拟电子技术”建立在“电路原理”基础上,电路中的物理量和电路分析方法在模拟电子技术中得到了广泛应用｡模拟电子技术通过电路实现模拟信号的处理和控制｡表4中的实验项目1利用电路原理的知识设计实验来测量发光二极管的伏安特性,并绘制了相关伏安特性的曲线图｡

表4电路基础教学内容的工程性电路

“数字电子技术”与“电路原理”“模拟电子技术”的关系:“数字电子技术”同样建立在“电路原理”基础上,电路中的物理量和电路分析方法在数字电子技术中同样适用｡数字电子技术与模拟电子技术相互渗透,许多模拟电路可以转化为数字电路实现,而数字电路也可以用于模拟信号的处理(如模数转换器ADC和数模转换器DAC)｡表4中的实验项目2利用三级管和场效应管等元器件,设计了符合布尔代数要求的与门､非门､或门等基本逻辑门电路｡

“计算机硬件组成原理”与“电路原理”“模拟电子技术”及“数字电子技术”的关系:“计算机硬件组成原理”依赖于“电路原理”“模拟电子技术”及“数字电子技术”｡CPU､存储器､输入输出设备等硬件部件均基于数字电子技术等设计和制造｡模拟电子技术中的模拟信号处理技术在计算机组成原理中也有应用,例如模数转换器和数模转换器在数字信号与模拟信号之间的转换中起到关键作用｡表4中的实验项目3自制8位CPU的实验内容主要涉及数字电路中的算术逻辑单元(ALU)､控制单元(CU)､寄存器､状态机､时钟信号等知识点｡

通过上述三个衔接实验,学生能够理解相关课程知识之间的联系｡虽然这些实验不能完全涵盖所有知识点在后续课程中的应用,但能在一定程度上为学生提供新的学习思路｡学生可以基于这些实验举一反三,建立知识间的衔接,从而构建自己的知识体系,并培养更加系统化的思维方式｡3结语本文深入研究了电类课程与EDA实验仿真内容的融合策略,旨在探索出一种既符合新工科教育理念又能够有效提升学生实践能力和创新思维的教学模式｡通过对“电路原理”“模拟电子技术”及“数字电子技术”三门电类基础课程的内容分析及其与工程性实验的融合研究,认为基于传统的验证性实验已难以满足当前社会对工程技术人才的需求,故设计了一系列与实际应用紧密结合的实验项目｡利用EDA技术进行仿真实验,使学生能够在直观､高效的学习平台上进行电路设计和仿真实验,从而深入理解电路的工作原理和特性,这不仅是培养学生实践能力和创新思维的有效途径,也为物联网专业电类课程教学的改革和创新提供了新的思路和方法｡

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基金资助:防灾科技学院教育研究与教学改革项目:新工科背景下电类课程和EDA课程融合实践(JB2023B16);防灾科技学院电路一流课程项目(ylkc202322);

文章来源:白英良,姜运芳,施艳.新工科背景下物联网专业电类基础课程与实验内容融合[J].物联网技术,2025,15(14):159-162.