“模擬電子電路”課程教學(xué)改革思考

曾鶴瓊,胡 駿

(1.中南民族大學(xué)工商學(xué)院電信系,湖北 武漢 430065;2.湖北生物科技職業(yè)學(xué)院計算機(jī)系,湖北 武漢 430074)

“模擬電子電路”課程是電子信息類專業(yè)一門重要的基礎(chǔ)課。許多學(xué)生對模擬電子電路的理解僅僅停留在解題計算上。而模擬電子電路實驗往往流于形式,使得學(xué)生使用現(xiàn)成的實驗箱,在驗證性實驗中只會插拔導(dǎo)線。在分組實驗時,小組中通常只有少部分學(xué)生動手。

我們?yōu)榱颂岣摺澳M電子電路”的教學(xué)質(zhì)量,對計算機(jī)輔助教學(xué)、授課安排和實驗教學(xué)進(jìn)行了較為深入的思考。

1 計算機(jī)輔助教學(xué)

現(xiàn)在的模擬電子電路計算機(jī)輔助教學(xué)流行使用Spice來驗證電路模型,設(shè)計簡單電路;使用EWB進(jìn)行虛擬實驗;使用LabVIEW演示信號采集和虛擬儀器的設(shè)計等[1］。

我們結(jié)合Spice軟件,利用C語言開發(fā)能夠顯示電路3D影像的程序用于教學(xué)[2,3］取得了良好效果。該程序方運行如圖1所示。

圖1 程序的運行圖

圖2所示為一個講授晶體管輸出特性時的例子,該晶體管電路不加任何負(fù)載。在通過圖2講解晶體管截止、導(dǎo)通和飽和三種工作狀態(tài)的時候,僅分析晶體管三極的電位高低,學(xué)生缺乏感性認(rèn)識。而經(jīng)程序處理后可以得到3D晶體管電路圖截圖,如圖3所示。圖3(a)為晶體管處于截止?fàn)顟B(tài),基極電位VB和發(fā)射極電位VE接近,使得發(fā)射結(jié)電壓uBE小于開啟電壓Uon,因此圖中基極與發(fā)射極畫于同一平面;集電極電位VC在三個電極中最高,集電結(jié)反偏并滿足uCE>uBE,所以在圖中集電極所處縱軸位置抬高。圖3(b)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài),uBE>Uon,uCE>uBE,生成的電路圖中畫基極位置高于發(fā)射極,集電極所處縱軸位置更高。圖3(c)晶體管處于飽和狀態(tài),uBE>Uon,uCE

圖2 晶體管電路圖

圖3 3D的晶體管電路圖截圖

通過圖3所示3D圖,學(xué)生可以輕易判斷出晶體管三種工作狀態(tài)中三個電極電位的高低以及電流的流向。這種3D顯示能讓電路立體化,使學(xué)生通過圖形可以生動地理解電路原理。教師在課堂教學(xué)中,感到補(bǔ)充效果非常不錯。

程序的主要原理是從Spice軟件生成的代碼中提取節(jié)點的電壓,根據(jù)節(jié)點電壓高低決定生成的3D電路圖中元器件兩端在縱軸中的位置。為便于識別,在生成3D圖像的同時應(yīng)顯示平面電路圖。

2 授課安排

學(xué)生對電子電路的各種元器件的符號見得多,但對實際的元器件了解得少,這樣就直接造成所學(xué)的知識與實際脫節(jié)。如在工程中電容器種類可分為鉛電解電容、聚苯乙烯電容、陶瓷電容、聚酯電容、云母電容和紙電容等。每種電容器的工藝不同,適用范圍也不同。因此在授課過程中如果遇到相關(guān)知識點,我們會進(jìn)行穿插介紹,給出實物,并編出小冊子供學(xué)生參考[4］。

在小冊子中,電阻、電容、電感、晶體管、電源、開關(guān)、繼電器、振蕩器和放大器等都有詳盡介紹。此外,為貼近實驗教學(xué)還特地加入測試技術(shù)與測量設(shè)備一章,著重介紹實驗室儀器。小冊子在拉近學(xué)生的現(xiàn)實認(rèn)知與理論學(xué)習(xí)之間的差距上取得較好效果。

3 實驗教學(xué)

“模擬電子電路”的實驗主要使用實驗箱。實驗分組較多時,教師無法監(jiān)控所有學(xué)生,不可避免的就有疏漏之處。為了提高學(xué)生參與實驗的興趣,我們引入一個新型的實驗組織形式:“虛擬公司”。

“虛擬公司”的具體運作方案是,實驗指導(dǎo)教師擔(dān)任公司運作者,要求學(xué)生2～3人一組設(shè)計,并實現(xiàn)一個能包含“模擬電子電路”課程中主要知識點(如放大器、濾波器、比較器和限幅器等)。設(shè)計步驟如下所述。

1)我們將前8個實驗課時專門用來訓(xùn)練學(xué)生的基本功——制作一個收音機(jī)。實驗室提供具體電路圖、PCB板及裝配器件、工具和示波器等。

2)完成基本功訓(xùn)練后,教師組織學(xué)生用2個課時的時間,討論系統(tǒng)的規(guī)范與功能。

我們的實驗采用一個心電采集系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)具有前置放大、高通濾波、低通濾波、50Hz陷波、后級放大和電平整定等前端六個模塊。要求在電平整定模塊輸出端接入示波器以觀察心電信號。在討論這六個模塊電路的時候,教師應(yīng)該讓學(xué)生在教材中找到相應(yīng)的章節(jié)。有了理論支持,再對具體電路進(jìn)行討論,考慮如何對教材中電路圖進(jìn)行修改才能滿足系統(tǒng)需要。

在設(shè)計過程中,學(xué)生可以通過計算機(jī)查詢設(shè)計方案和查閱各種器件數(shù)據(jù)表,做好前期的準(zhǔn)備工作。他們可向教師就設(shè)計細(xì)節(jié)和操作細(xì)節(jié)等問題咨詢,但是咨詢時間必須轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的“虛擬幣”。如果學(xué)生在整個設(shè)計過程中向教師咨詢的問題較少或者沒有提問,那么所花費的“虛擬幣”就少。這表明學(xué)生的自學(xué)能力越高。

3)方案確定以后,教師需對方案進(jìn)行審核。若審核通不過,學(xué)生必須進(jìn)行方案修正。審核過程也轉(zhuǎn)換為“虛擬幣”。審核越多,項目成本越高。這樣做能讓學(xué)生的自查意識提高。若審核通過,學(xué)生開始開出元器件采購單(boom單),并親自到市場調(diào)研。根據(jù)市場價格核算成本,對于沒有超過預(yù)算的,教師批準(zhǔn)經(jīng)費予以購買;對于超過預(yù)算的采購單,必須重做。相應(yīng)的元器件購買費用必須轉(zhuǎn)換為“虛擬幣”,這樣可以培養(yǎng)學(xué)生的成本意識。

4)器件采購?fù)戤吅?學(xué)生通過面包板搭建電路,設(shè)計方案最終實現(xiàn)。

5)最后學(xué)生必須參加項目答辯。根據(jù)學(xué)生回答問題的情況及各項目所花費的“虛擬幣”多少,指導(dǎo)教師給出最后的實驗成績。

4 結(jié)語

在“模擬電子電路”教學(xué)中我們不斷調(diào)整方法來提高教學(xué)質(zhì)量,已經(jīng)取得良好的效果。同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題,例如,“虛擬公司”實驗教學(xué)中我們遇到課時分配的問題以及學(xué)生不能統(tǒng)一完工等問題。這些問題有待于在今后的工作中加以解決。

[1］賀付亮,聶秋玉.“電子技術(shù)課程設(shè)計”課程探索[J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報.2010(2):32-33

[2］Autodesk Inc.,3D-Studio release 3,1993

[3］L.Adams,High-Performance CAD Graphics in C,TAB Books Inc.,PA,1989

[4］Centre for Electronics Design&Technology of India.Basic E-lectronic Components&Hardware.,1999