提高“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)效果的實(shí)踐

摘要：介紹了提高“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)效果的實(shí)踐，說(shuō)明該課程的主要內(nèi)容及各部分內(nèi)容的地位和作用；通過適當(dāng)?shù)呐e例使抽象的概念具象，從而吸引學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)，積極思考，充分理解原本抽象的概念；將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合，使之互相促進(jìn)，提高“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)效果；充分利用該課程在培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)方面的天然優(yōu)勢(shì)等。

關(guān)鍵詞：模擬電子；教學(xué)效果；三極管

作者簡(jiǎn)介：王魯楊（1963-），女，天津人，上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，副教授；王禾興（1963-），男，上海人，上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，講師。（上海200090）

基金項(xiàng)目：本文系上海市教委重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：J51301）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）11-0038-02

從目前情況來(lái)看，無(wú)論是重點(diǎn)院校還是一般院校的電類專業(yè)，“模擬電子技術(shù)”課程都被公認(rèn)為是一門難學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課。從每學(xué)期召開的“模擬電子技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的學(xué)生座談會(huì)匯總情況來(lái)看，一部分學(xué)生學(xué)了大半學(xué)期還不知道這門課的主要內(nèi)容是什么，每一章節(jié)有什么用，是“只見樹木不見森林”；一部分學(xué)生覺得實(shí)驗(yàn)課僅僅就是對(duì)理論課有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證；一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)二極管、三極管后就開始發(fā)暈，進(jìn)入放大電路部分的學(xué)習(xí)后便云里霧里，根本搞不清放大電路的靜態(tài)動(dòng)態(tài)；一部分學(xué)生干脆從學(xué)長(zhǎng)那里聽說(shuō)模擬電子技術(shù)課程很難，還沒開始學(xué)習(xí)就已經(jīng)將它放棄了。

在高等教育大眾化的背景下，尤其是一般院校的學(xué)生，自主學(xué)習(xí)的能力以及刻苦精神都已今非昔比；而從社會(huì)的要求來(lái)看，對(duì)本科畢業(yè)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力要求越來(lái)越高。因此改革教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段，提高模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)效果刻不容緩。

一、明確“模擬電子技術(shù)”課程各部分內(nèi)容的地位和作用

與其他課程一樣，“模擬電子技術(shù)”課程的緒論課非常重要，這堂課必須講明：什么是模擬電子技術(shù)；本課程的主要內(nèi)容；本課程的目的和要求；模擬電子技術(shù)的特點(diǎn)；放大電路及其模型；放大電路的主要性能指標(biāo)。尤其重要的是“本課程的主要內(nèi)容”部分。教師可以以一個(gè)簡(jiǎn)單的電子系統(tǒng)組成為例，說(shuō)明模擬電子技術(shù)課程的主要內(nèi)容及各部分內(nèi)容的地位和作用。

圖1（b）是擴(kuò)音機(jī)的詳細(xì)框圖。圖中的信號(hào)源，在實(shí)際工程中是由各種各樣的傳感器將待處理的溫度、速度、壓力、聲音等信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，圖1（a）中的拾音器就是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，充當(dāng)信號(hào)源；在實(shí)驗(yàn)研究中，由信號(hào)產(chǎn)生電路充當(dāng)信號(hào)源，信號(hào)產(chǎn)生電路便是教材第9章（以康光華主編的《電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）》[第五版]為例，以下同）的內(nèi)容，[1]信號(hào)產(chǎn)生電路包括正弦波產(chǎn)生電路和非正弦波（矩形波、三角波等等）產(chǎn)生電路。

圖1中的放大電路是電子系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和處理的主體，其基礎(chǔ)是由雙極結(jié)型晶體管BJT或場(chǎng)效應(yīng)管FET構(gòu)成的放大電路，教材的第4章、第5章分別介紹這兩部分內(nèi)容。高性能的放大電路采用模擬集成運(yùn)算放大器，集成運(yùn)放是具有高開環(huán)增益、多級(jí)直接耦合的放大電路，教材的第2章、第6章都是關(guān)于集成運(yùn)放的內(nèi)容?！霸鲆妗薄ⅰ伴_環(huán)”等是放大電路、反饋中的重要概念。反饋對(duì)于電子系統(tǒng)的運(yùn)行具有重要意義，尤其是其中的負(fù)反饋是電子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件，教材的第7章介紹反饋放大電路。多級(jí)放大電路的末級(jí)及末前級(jí)稱為功率放大電路，功放較前級(jí)放大電路有一定的特殊性，教材的第8章介紹功率放大電路。

所有的電子系統(tǒng)必須有直流電源提供能量才能正常工作，正如手機(jī)必須裝電池（同時(shí)電池必須有電）才能使用。教材的第10章介紹直流電源。二極管是電子系統(tǒng)中最基本也是最重要一個(gè)器件，教材的第3章介紹二極管。

通過上述講解，學(xué)生對(duì)模擬電子技術(shù)課程的主要內(nèi)容有了宏觀了解，但同時(shí)也產(chǎn)生了很多問題，諸如“放大”、“增益”、“反饋”等等究竟是什么？恢宏的十章都講了些什么？學(xué)習(xí)后可以解決哪些實(shí)際工程問題？正是如此，才激發(fā)了學(xué)生的求知欲，使學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)。教學(xué)實(shí)踐證明，這是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、提高模擬電子技術(shù)課程教學(xué)效果的好辦法。

二、教學(xué)中適當(dāng)舉例

“模擬電子技術(shù)”課程中概念很多，難以理解。適當(dāng)?shù)呐e例，不僅使抽象的概念易于理解，且難以忘懷。

1.關(guān)于放大電路中的靜態(tài)工作點(diǎn)

放大電路中直流與交流共存，靜態(tài)工作點(diǎn)決定動(dòng)態(tài)工作性能，這是“模擬電子技術(shù)”課程的難點(diǎn)之一，很多學(xué)生對(duì)此不能理解，表現(xiàn)有二。其一是做放大電路實(shí)驗(yàn)的測(cè)試動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)時(shí)不給放大電路加直流電源，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正常；其二是在做放大電路的分析計(jì)算時(shí)，靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析的方法使用不當(dāng)，互相混淆。

放大電路必須要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，這是由PN結(jié)及三極管的單向?qū)ㄌ匦詻Q定的。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)踐中提煉出下述例子：老師站在地板上，若讓老師上、下各移動(dòng)100cm，行不行？不行！怎么辦？得讓老師站得高一些，至少離地100cm才能上、下各移動(dòng)100cm；若老師站得過高，離天花板只有60cm，老師能上、下各移動(dòng)100cm嗎？若老師站在30cm高的講臺(tái)上，能上、下各移動(dòng)100cm嗎？老師站在什么位置，上、下各移動(dòng)h cm，這個(gè)h最大呢？

這個(gè)形象的例子，學(xué)生通過主動(dòng)參與、積極思考對(duì)放大電路設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的必要性、飽和失真、截止失真、最大動(dòng)態(tài)輸出范圍等等抽象的概念充分地理解。

2.關(guān)于電子系統(tǒng)的溫度特性

由于電子器件材料——半導(dǎo)體的溫度特性，決定了電子系統(tǒng)的工作性能受溫度的影響，[2]以筆者在20世紀(jì)80年代中期在天津無(wú)線電一廠工作的一個(gè)案例說(shuō)明這一點(diǎn)。當(dāng)時(shí)廠里生產(chǎn)一批出口的煙霧報(bào)警器，為趕工期，工人加班加點(diǎn)，煙霧報(bào)警器的調(diào)試系統(tǒng)24小時(shí)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)試好的產(chǎn)品入庫(kù)暫存，待購(gòu)買方提貨抽檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)多個(gè)批次的產(chǎn)品指標(biāo)不合格，這對(duì)廠方是個(gè)很大的打擊。經(jīng)分析，原因是調(diào)試系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后工作溫度上升，使得系統(tǒng)的工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)。后將調(diào)試系統(tǒng)安置在恒溫的房間，問題得以解決。

這一案例使學(xué)生對(duì)于溫度對(duì)電子系統(tǒng)的影響有了間接的感性認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)“溫度對(duì)放大電路性能的影響”、“提高放大電路溫度穩(wěn)定性”等內(nèi)容時(shí)不再感覺陌生，且有急于了解這些內(nèi)容的心理，教學(xué)效果當(dāng)然很好。

3.關(guān)于反饋、開環(huán)、閉環(huán)

“模擬電子技術(shù)”課程中的反饋也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。各項(xiàng)理論分析中提及的“開環(huán)”、“閉環(huán)”究竟是什么？一個(gè)形象的例子可以說(shuō)明。兩軍對(duì)壘，敵方有人來(lái)投誠(chéng)，所帶來(lái)的信息不能稱為反饋的信息，因?yàn)閺臄撤降轿曳絻H僅是一個(gè)單方向的開環(huán)系統(tǒng)；必須是我方派出的情報(bào)人員到敵方進(jìn)行縝密的偵查工作，所帶回的信息才能稱為反饋的信息，因?yàn)閺奈曳降綌撤皆倩氐轿曳綐?gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)閉環(huán)系統(tǒng)得到的信號(hào)稱為反饋信號(hào)。

三、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在“模擬電子技術(shù)”課程的教學(xué)中占據(jù)重要地位。模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)，不僅訓(xùn)練學(xué)生使用電子儀器儀表的技能、測(cè)試電子電路的技能，還能加深學(xué)生對(duì)理論課程的理解、驗(yàn)證模擬電子技術(shù)課程的理論，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

為使理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)更好地融合，在時(shí)間上將實(shí)驗(yàn)教學(xué)集中在后8周開設(shè)；在內(nèi)容上舉下述兩例。

1.三極管的參數(shù)

掌握三極管的參數(shù)是用好三極管的重要前提。在三極管的諸多參數(shù)中，有一個(gè)極限參數(shù)——集電極最大允許電流ICM，其定義為：當(dāng)集電極電流增加時(shí)，電流放大系數(shù)β要下降，當(dāng)β下降到一定數(shù)值時(shí)的集電極電流稱為集電極最大允許電流ICM。關(guān)于電流放大系數(shù)β隨集電極電流增加而下降的現(xiàn)象，在上理論課時(shí)要求學(xué)生在“共射放大電路的設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行觀察。[3]在對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行調(diào)試的階段，用兩個(gè)電流表同時(shí)觀測(cè)靜態(tài)基極電流IB和集電極電流IC，調(diào)整基極偏置電阻，測(cè)算電流放大系數(shù)

β=IC / IB

觀察β隨集電極電流增加而下降的現(xiàn)象，加深對(duì)三極管極限參數(shù)的理解。

2.放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)

放大電路的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括增益、輸入電阻、輸出電阻、通頻帶等等。為什么將輸入電阻、輸出電阻作為重要的性能指標(biāo)，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握其求解方法呢？以電壓放大電路的輸出電阻為例，它反映了放大電路帶負(fù)載的能力，在上理論課時(shí)就要求學(xué)生在“單管放大器”實(shí)驗(yàn)中，[3]將放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整到交流負(fù)載線的中部后，在一定的交流輸入信號(hào)下，觀測(cè)放大電路空載和有載兩種情況下輸出信號(hào)的大小；在負(fù)載電阻RL一定的情況下，集電極電阻RC不同（在一定范圍內(nèi)）時(shí)輸出信號(hào)的大小，從而理解放大電路的輸出電阻對(duì)放大能力的影響。單管放大器的實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

四、以“模擬電子技術(shù)”課程為載體，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)

“模擬電子技術(shù)”是關(guān)于模擬電路的分析、設(shè)計(jì)、應(yīng)用研究的工程實(shí)踐，課程特點(diǎn)是：定性分析、近似估算、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)整。這決定了模擬電子技術(shù)課程具有很強(qiáng)的工程特性，以其為載體培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)。[4]

1.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的調(diào)試

在“模擬電子技術(shù)”課程的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“共射放大電路的設(shè)計(jì)”中，要求學(xué)生先對(duì)電路的元器件參數(shù)進(jìn)行理論分析、計(jì)算，然后到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行調(diào)試。學(xué)生按理論計(jì)算參數(shù)選擇元器件，安裝好電路，通電后，無(wú)論是靜態(tài)指標(biāo)還是動(dòng)態(tài)指標(biāo)都與設(shè)計(jì)要求不符！

究其原因，一是電阻元件的實(shí)際阻值不同于標(biāo)稱值，如實(shí)驗(yàn)室常用的E12系列電阻，允許存在±10%的誤差；二是手冊(cè)給出的三極管電流放大系數(shù)β是一個(gè)范圍，[5]理論計(jì)算時(shí)取了一個(gè)確定的數(shù)值，而β又是隨著集電極電流IC改變的；三是電容不理想，靜態(tài)時(shí)并非開路，動(dòng)態(tài)時(shí)并非短路。諸多原因，都是由于理論值與實(shí)際值的偏差，導(dǎo)致電子系統(tǒng)必須經(jīng)定性分析后進(jìn)行近似估算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

幾乎所有的工程系統(tǒng)都要經(jīng)過調(diào)試才能正常運(yùn)行，通過設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的調(diào)試環(huán)節(jié)，學(xué)生逐漸培養(yǎng)起工程意識(shí)。

2.集成運(yùn)算放大器的調(diào)零

集成運(yùn)算放大器的第1級(jí)采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)以減小零點(diǎn)漂移。從理論上講差動(dòng)放大電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，相應(yīng)元件參數(shù)相同，在共模輸入的情況下輸出應(yīng)該為零，而在“運(yùn)放基本應(yīng)用一（運(yùn)算電路）”的實(shí)驗(yàn)中卻要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零電路如圖3所示。測(cè)試結(jié)果也說(shuō)明，圖3中的電位器RW2的取值對(duì)運(yùn)放的輸出有影響，僅僅在某一數(shù)值時(shí)將輸出調(diào)為零。

由于實(shí)際工作中或多或少會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱性（或由外部電路引起），使集成運(yùn)放存在輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流，當(dāng)運(yùn)算放大器組成的線性電路輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出往往不等于零。為了提高電路的運(yùn)算精度，要求對(duì)失調(diào)電壓和失調(diào)電流造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這就是運(yùn)算放大器的調(diào)零。

五、結(jié)論

在“模擬電子技術(shù)”課程的第1節(jié)緒論中，說(shuō)明課程的主要內(nèi)容及各部分內(nèi)容的地位和作用，可以激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)，是提高該課程教學(xué)效果的好辦法；適當(dāng)?shù)呐e例可以使抽象的概念具象，從而吸引學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)，積極思考，充分理解原本抽象的概念；將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互融合，可以互相促進(jìn)，提高模擬電子技術(shù)課程教學(xué)效果；模擬電子技術(shù)課程具有很強(qiáng)的工程特性，應(yīng)充分利用其培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)的天然優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)(第5版)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[2]王魯楊，楊國(guó)光，王禾興.模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)方法與解題指導(dǎo)(第2版)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2009.

[3]王魯楊.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[M].北京:中國(guó)電力出版社，2008.

[4]徐世軍，范偉，黃賢英.強(qiáng)化工程能力培養(yǎng)，探索專業(yè)課程的教學(xué)改革實(shí)踐[J].計(jì)算機(jī)教育，2011，(l7):9-12.

[5]姜艷波.新編通用電子元器件替換手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）