摘要：农林高等院校工科专业肩负培养产业应用型科技人才的重任，本文以解决土壤养分检测电位型传感器高阻抗接口电路为例，介绍了结合农林特色的问题驱动式教学法在模拟电子技术课程实践中的初步探索，旨在提升学生解决农业生产过程中解决复杂工程问题的创新思维和实践能力。
关键词：问题驱动式教学；模拟电子技术；农林特色      教育教学论坛
 
Application of Problem-driven Teaching in Analog Electronic Course of Agricultural and Forestry Colleges
Miao Zhang, Zhongyi Wang, Cailian Lao, Junhui Li, Yun Xu
(College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University Beijing 100083)
 
Abstract
Engineering majors of Agricultural and Forestry Colleges take the responsibility of education and cultivation of Agricultural qualified scientists and technicians. The paper introduces the problem-driven teaching method to Analog Electronic course. A specified chapter on design of the high-impedance interface circuit for soil nutrient detection application is taken as a case study example. The problem-driven teaching method is aiming at enhancing student’s innovative thinking and practice, and abilities of dealing with complex engineering problems.
Key words
Problem-driven teaching; Analog electronic; Agriculture and Forestry characteristics
 
中图分类号：G642.3  文献标识码：B  文章编号：
 
 
 
一、引言
2010年，我国颁布《国家中长期人才发展规划纲要》、《国家中长期教育改革和发展规划纲要》，从国家层面对人才和教育发展进行了顶层设计与预期，为高等教育机构如何服务于国家创新驱动发展、“中国制造2025”及“互联网+”等重大战略提供了指导方向^[1-2]。近年间，教育部陆续启动“卓越工程师教育培养计划”、“新工科研究与实践”，组织成立了中国工程教育专业认证协会，在探索中建立了与国际实质等效的工程教育认证体系^[3-5]。2016年6月，我国正式加入工程教育学位互认协议《华盛顿协议》，对培养多样化创新型工程科技人才，支撑产业转型升级，助力我国工程教育改革创新，提高我国工程教育的国际影响力，产生了深远影响。农林高等院校肩负大力发展现代农林科学技术，着力培养农林系统工程科技人才的重任。“模拟电子技术”（以下简称“模电”）是农业工程专业电工类课程的重要知识模块，是工科类电子信息及相关专业的核心基础课单元^[6]。因此，如何在农林院校“模电”课程改革中拉近理论知识与产业需求的距离，依据产业热点问题开展问题驱动式教学，体现现代工程技术对传统农业的改造与升级，激发学生的学习热情，提高学生工程实践能力，是值得深入探究的教改方向^[7]。
本文以“土壤养分检测电位型传感器高阻抗接口电路”为设计需求，介绍了1例问题驱动式教学应用探索，涉及集成运算放大电路设计、芯片选型及传感器性能等知识单元，旨在通过教学方式改变，进一步提高学生的主观能动性、实践能力和创新意识。
1. 教学对象及内容分析
“模拟电子电路”不仅是相关专业学生合理知识结构的重要部分，同时也对学生求学深造、职业发展产生重要影响。一般在大学二年级开设，学生前期专业基础课程为“电路”，已掌握无源电子元器件性能、电路原理、常用电子仪表使用，能自主设计简单电路。
“模电”课程将农林产业需求融入问题驱动式教学，本文探讨教学内容建议开设在集成运算放大器及运算电路章节之后，学生应掌握三极管、场效应管电子器件特性、基本放大电路结构特点、集成运算电路分析方法和基本电路结构等理论知识。问题驱动式教学内容为土壤养分检测电位型传感器接口电路设计，以高阻抗运算放大器的选型、接口电路设计、仿真及调试为主要教学活动。教学时长为2课时。
 
2. 教学目标
学生是教学活动的主体。随着电子技术的飞速发展，“模电”课程所涉及电子元器件和应用技术不断翻新。理论课程与实践环节的合理交叉，可极大地激发学生主观能动性。土壤养分传感器是电化学传感器，可实现待测溶液目标离子浓度转化为传感器输出电位，该传感器输出阻抗高，可达到10^7-8Ω，因此对前置放大器的输入阻抗有较高要求。通过土壤养分检测电位型高阻抗传感器接口电路设计与调试项目，使学生根据传感器输出信号特点，自主查阅相关文献，确定集成运放参数、型号，根据教师提供原理电路，设计实用电路，培养学生解决实践问题的能力。
知识与技能方面，要使学生了解集成运算放大器的分类、特点和电路组成及原理，理解养分传感器电位型传感器具有输出阻抗较高的特点，以此设计需求作为问题驱动，为保证采集信号的准确性，集成运放所组成的接口电路输入阻抗应达到10¹¹ Ω以上，偏置电流应达到10^-13 A以下，同时兼顾低温漂、低噪声、高开环增益等性能特点。学生掌握电路原理，根据实用接口电路要求，进行芯片选型，利用仿真工具分析电路，对设计方案进行宣讲、自评及答辩。部分优秀学生可使用面包板（PCB通用板）和集成运放芯片，在电路工艺（电路级绝缘处理、输入线引线处理、电磁屏蔽处理）方面进行周密考虑，课后自行安装调试硬件电路，进行实物展示。
3. 教学环节及评价
3.1 问题引入，激发思考
本门课程从师生互议测土配方施肥实施、过量施肥危害引入，进而由教师介绍土壤养分传感器的原理及输出信号特点，通过视频演示介绍商用数据采集器功能，选派学生现场操作仪器进行养分测定，使学生对项目产生感性了解。然后，将学生分成小组，配发传感器及多种集成运算放大器芯片，进入问题驱动式教学“翻转式”教学单元。
导课的过程是调动学生兴趣，促进其主动思考，增强教学互动性的重要一环。将农林产业热点问题引入课程，选取通俗易懂学生有主观体会的案例，可增强学生的参与度。通过导课环节增加学生积极性，提高实践单元的教学效果。
3.2 问题驱动式课堂互动 
教师首先介绍典型电路原理图，学生以小组为单位，自主讨论电路结构、功能、元器件使用，结合集成运算放大器芯片调研，利用仿真工具进行实用电路设计，完成土壤养分检测传感器接口电路设计，分析仿真结果。进而，以小组为单位宣讲设计方案，展示仿真结果。 
主动、有效地思考是保障学习质量的关键。问题驱动式教学典型电路图给出后，学生正式成为课堂主体，主动承担分工、合作、组内讨论、决策、设计、整理及宣讲等任务，进一步激发学生的好胜心、求知欲；主动思考将使学生更加投入，提升项目完成后的成就感和满足感。教师“翻转”为课堂客体，承担启发、建议和协助解决问题的作用，作为观察者给予学生适当引导和帮助。
3.3 成绩评价
学生小组充分讨论后形成设计方案并宣讲，项目需进行三方论证，形成评价结果：第一方面，组内自评。组内阐述设计优势与特长，分析“知识与技能”的收获与不足，自评个人成绩；第二方面组间互评。他组分析当前设计特点与不足，提出项目改进建议，评议设计成绩；第三方面教师提问与点评。教师对电路原理及参数选型进行提问，点评设计亮点，综合三方评价，给出小组综合评分。
分析问题、结果评价是对学生团队协作与深度思考能力的拔高要求。学生的合作意识、参与感、责任感、荣誉感及语言表达能力将得到充分展示与发挥。在潜移默化中，学生将对教学过程涉及的集成运放电路原理、功能、特点及芯片参数等知识点加深理解和掌握。教学活动更加符合“新工科实践”教学理念要求。
3.4 实物设计及调试
部分感兴趣同学可自主申报实物设计附加考核。根据学生申报重新分组，拨付经费用于学生自主开展印刷电路板制作（面包板购置）、安装焊接、调试、实验性能测评等环节。学生遇到困难后，主动与教师沟通，教师将给予指导。问题驱动式教学的实物设计与调试环节将进一步巩固与提升学生的理论知识与实践技能。
4. 讨论与总结
结合农林特色应用，问题驱动式教学法变教师“灌输式讲解”为“启发式解惑”，改学生“被动式接收”为“自主式思考”，重视打通知识点间的“消化—理解—运用”，更强调“应用需求—特色设计—团队合作”，课程设计旨在调动课堂上学生的参与程度与主观能动性，在实践中仍需进一步对学生主动性调动、“为难情绪”理解与理顺、“验证型”与“设计型”实验融合与分配等具体环节完善，全方位锻炼学生的自学能力、思维能力、创新能力、应对挑战的能力。
 
 
参考文献
[1] 国家中长期人才发展规划纲要(2010－2020年)[Z]. 2010.
[2] 国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[Z]. 2010.
[3] 林健. 卓越工程师培养—工程教育系统改革研究[M]. 清华大学出版社. 北京. 2015.
[4] 康全礼, 丁飞己. 中国CDIO工程教育模式研究的回顾与反思[J]. 高等工程教育研究, 2016(4): 40-46.
基金项目：中国农业大学本科核心课程建设专项经费（2017XD02）
 
 
作者简介：张淼(1982 - )，博士，副教授。研究方向：传感技术在农业中的应用
收稿日期：2019-3-10