電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂教學(xué)效果提升探究

翁玲?邢慶國(guó)?陳盛華

摘要：在電子技術(shù)課堂教學(xué)中加入教師的科研項(xiàng)目介紹，可加深學(xué)生對(duì)電路的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。以磁致伸縮正弦波振蕩電路為例，從相位條件和幅值條件兩方面分析了磁致伸縮凍雨傳感器的激振電路，幫助學(xué)生理解較為難懂的振蕩電路知識(shí)。事實(shí)證明教學(xué)與科研結(jié)合的方法取得的教學(xué)效果形象生動(dòng)，學(xué)生反映很好。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；科研；教學(xué)效果；課堂教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0088-02

電子技術(shù)基礎(chǔ)是電氣信息、電子信息類各專業(yè)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程，課程的教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生獲得電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。電子技術(shù)基礎(chǔ)課程處于各專業(yè)教學(xué)的中間環(huán)節(jié)，是學(xué)生基本素質(zhì)形成的關(guān)鍵課程。該課程課堂教學(xué)效果的好壞，直接影響學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果。課堂教學(xué)效果的好壞與教學(xué)內(nèi)容緊密相關(guān)。內(nèi)容陳舊、未能反映當(dāng)今科技發(fā)展最新成果的教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂教學(xué)的需要。將最新的科學(xué)研究成果融入到課堂教學(xué)中，通過課堂知識(shí)的具體應(yīng)用，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展他們的學(xué)習(xí)思維，使學(xué)生更容易理解和掌握課堂所學(xué)知識(shí)。目前，已有不少課程的教學(xué)中引入了科研項(xiàng)目和科研成果，提高了課堂教學(xué)效果。[1，2]很多院校在電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中也將教學(xué)與科研結(jié)合，進(jìn)行了有益的嘗試。[3，4]

河北工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我?！保╇娮訉W(xué)教研組積極進(jìn)行教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的改革。2004年，筆者在實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)不變的情況下增加電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)仿真，讓學(xué)生做完硬件電路實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行仿真驗(yàn)證，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)的興趣和學(xué)生的創(chuàng)新能力。[5，6]筆者還在電子技術(shù)課堂教學(xué)中也引入仿真，在理論教學(xué)的同時(shí)，利用仿真幫助學(xué)生理解難懂的內(nèi)容，幫助學(xué)生掌握各種儀器的基本使用及電路參數(shù)的測(cè)試方法。[7]為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和聽課效率，筆者嘗試在課堂教學(xué)中引入最新的科研項(xiàng)目和科研成果，學(xué)生對(duì)于這種教學(xué)方法普遍反映較好。

一、目前電子技術(shù)基礎(chǔ)課堂教學(xué)中存在的問題

電子技術(shù)基礎(chǔ)課程尤其是模擬電子技術(shù)課程抽象難懂，學(xué)生曾戲稱為“魔鬼電子”。這種情況也反映了傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)中存在問題，學(xué)生對(duì)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)興趣不大。電子技術(shù)課程中電子電路復(fù)雜，如數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)集成芯片內(nèi)部電路圖，在課堂上臨時(shí)畫出電路圖進(jìn)行講解和分析，花費(fèi)時(shí)間非常多，教學(xué)效果不好。近年來，筆者采用多媒體方式教學(xué)時(shí)，把仿真軟件引入課堂教學(xué)中，教學(xué)效果有了一定的提升。然而，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程實(shí)踐性強(qiáng)，僅僅采用多媒體和仿真結(jié)合的方法依然不能把學(xué)生的聽課效果提到最佳狀態(tài)，課堂教學(xué)仍存在如下問題：

1.授課內(nèi)容范圍狹窄

如果授課教師講課的內(nèi)容僅局限于教材，不用最新科研成果融合電子技術(shù)課程的教學(xué)，學(xué)生即使理解了所學(xué)的電子技術(shù)基礎(chǔ)的內(nèi)容，也不會(huì)知道這些內(nèi)容應(yīng)該在哪些方面應(yīng)用。學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)的電子技術(shù)知識(shí)以后也用不到，久而久之會(huì)逐漸喪失學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的興趣。電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，包含的知識(shí)體系和內(nèi)容也不可能完全與最新的科研成果同步，如果授課過程不對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展，將影響課堂教學(xué)效果。

2.理論與實(shí)踐結(jié)合的環(huán)節(jié)較少

電子技術(shù)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科，在進(jìn)行教學(xué)時(shí)，理論與實(shí)踐相結(jié)合，才能使學(xué)生更好地領(lǐng)會(huì)、理解、掌握。我校的電子基礎(chǔ)課程除理論課之外，還包括電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)、電子工藝實(shí)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。雖然筆者開設(shè)了這些實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，但是大部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)依然是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。學(xué)生在進(jìn)行驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)時(shí)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果可以根據(jù)教材上的理論預(yù)知，加上教材內(nèi)容相對(duì)陳舊，很多學(xué)生僅僅是能夠完成實(shí)驗(yàn)，缺少主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生不知道所學(xué)的電子技術(shù)理論知識(shí)將來能用在什么領(lǐng)域，不知道真正的電子電路如何設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中該注意哪些細(xì)節(jié)問題。

綜上所述，傳統(tǒng)的電子技術(shù)課堂教學(xué)效果較差，如果在課堂教學(xué)中適時(shí)地引入科研項(xiàng)目的研究成果，給學(xué)生介紹與科研成果相關(guān)的電子技術(shù)知識(shí)，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)課程的興趣，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。同時(shí)還使學(xué)生能逐漸將學(xué)到的新知識(shí)、新技術(shù)、新手段應(yīng)用到實(shí)踐中去，極大地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、教學(xué)與科研結(jié)合實(shí)例

正弦波振蕩電路是在沒有外加信號(hào)輸入的情況下，依靠電路自己振蕩而產(chǎn)生的正弦波輸出電壓的電路。[8]正弦波振蕩電路由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個(gè)部分組成。正弦波振蕩電路按選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，又分成RC正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路。RC正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)。為了提高RC振蕩電路的振蕩頻率，必須減少電阻R和電容C的取值，當(dāng)振蕩頻率高到一定程度時(shí)，其值與一些未知因素有關(guān)，還將受到環(huán)境溫度的影響。因此，當(dāng)振蕩頻率較高時(shí)，應(yīng)選用LC正弦波振蕩電路。[8]LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，放大電路多采用分立元件電路，必要時(shí)還采用共基電路。根據(jù)引入反饋的方式不同，LC正弦波振蕩電路又分為變壓器反饋式、電感反饋式和電容反饋式三種。對(duì)于振蕩電路，筆者的授課任務(wù)是通過對(duì)RC振蕩電路的講解，讓同學(xué)們掌握電路產(chǎn)生正弦波振蕩的幅值平衡條件和相位平衡條件，了解LC振蕩電路的工作原理并會(huì)判斷電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩。

對(duì)于LC正弦波振蕩電路，由于從原理上比較難理解，學(xué)生普遍反映理論性太強(qiáng)，不明白其具體應(yīng)用場(chǎng)合，所以學(xué)習(xí)積極性不高。筆者將自己的科研項(xiàng)目與課堂教學(xué)結(jié)合起來，通過對(duì)科研項(xiàng)目較為系統(tǒng)的講解，讓學(xué)生將課堂教學(xué)知識(shí)通過具體應(yīng)用來消化吸收。

這個(gè)科研項(xiàng)目是關(guān)于磁致伸縮凍雨傳感器的。凍雨傳感器是利用磁致伸縮材料的振動(dòng)特性設(shè)計(jì)的一種用來測(cè)量?jī)鲇甑男滦蛡鞲衅?。美?guó)已經(jīng)有相應(yīng)的凍雨傳感器產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少。凍雨傳感器由探頭和變送器兩部分組成。探頭主要負(fù)責(zé)凍雨信號(hào)的探測(cè)，由振動(dòng)體、驅(qū)動(dòng)線圈、永久磁鐵、反饋線圈、外殼組成。振動(dòng)體由具有磁致伸縮效應(yīng)的恒彈性合金制成，振動(dòng)體呈管狀，稱為振管。該振管在交變磁場(chǎng)的作用下發(fā)生反復(fù)伸長(zhǎng)與縮短，從而產(chǎn)生振動(dòng)。給驅(qū)動(dòng)線圈通交變電流可以產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。永久磁場(chǎng)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)疊加可以得到振動(dòng)體需要的總磁場(chǎng)。振動(dòng)體在磁場(chǎng)作用下的振動(dòng)可以由反饋線圈上的信號(hào)采樣得到。經(jīng)過對(duì)振管數(shù)學(xué)模型的分析，長(zhǎng)度為59mm的振管軸向振動(dòng)的基頻為40.2kHz。

由于該凍雨傳感器的振管振動(dòng)頻率較高，其諧振電路的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。由于RC正弦波振蕩電路振蕩頻率低，因此項(xiàng)目中采用單諧振互感耦合LC正弦波振蕩電路產(chǎn)生振蕩，驅(qū)動(dòng)線圈和反饋線圈通過振管進(jìn)行耦合。利用振蕩電路產(chǎn)生的振蕩信號(hào)給驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，振管在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生磁致伸縮而進(jìn)行軸向振動(dòng)，振動(dòng)頻率通過反饋線圈組成的反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋給激振電路，從而維持振蕩的繼續(xù)進(jìn)行。電路原理圖如圖1所示。集成運(yùn)放與電阻R3，R4構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，其輸入電阻高、輸出電阻低。集成運(yùn)放的同相輸入端為具有選頻特性的L1C并聯(lián)回路，L1為振管外的反饋線圈。正反饋網(wǎng)絡(luò)則通過L1，L2之間的線圈互感耦合來實(shí)現(xiàn)。L2為振管外的驅(qū)動(dòng)線圈。該電路是給學(xué)生講解完LC正弦波振蕩電路后的一個(gè)擴(kuò)展知識(shí)，講解的重點(diǎn)仍然是該電路是否能夠振蕩，所以從以下兩個(gè)方面分析電路是否產(chǎn)生振蕩。

1.相位條件

利用教材中提到的瞬時(shí)極性法來分析電路的相位條件。將圖中L1和C與集成運(yùn)放的同相輸入端斷開，在同相輸入端加輸入電壓ui，其瞬時(shí)極性假定為“+”，由于放大電路的輸出端與同相輸入端之間相位相同，集成運(yùn)放的輸出端的極性也為“+”。R2，RT呈阻性，不會(huì)改變相位，根據(jù)圖中所示變壓器的同名端標(biāo)識(shí)，在次級(jí)L1的同名端的極性為“+”，當(dāng)振蕩頻率為固有頻率f0 時(shí)，L1C并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振阻抗為純電阻，所以輸入電壓ui與輸出電壓uo同相位，φA=0，由圖中同名端的標(biāo)識(shí)，φF=0。因此，該電路能滿足振蕩電路的相位平衡條件φA+φF=2nπ?；蛘哌€可以理解為，反饋電壓uf可以取代輸入電壓ui，不依靠外界的輸入。

2.幅值條件

正弦波振蕩電路是靠電路中的擾動(dòng)電壓起振的，當(dāng)相位條件滿足后，只要滿足起振條件，電路中的微弱擾動(dòng)電壓經(jīng)過放大和正反饋網(wǎng)絡(luò)，就能使諧振頻率為f0的信號(hào)逐漸放大。當(dāng)電路輸出的電壓幅度越來越大時(shí)，由于集成運(yùn)放非線性特性的穩(wěn)幅作用，電壓的幅值會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定下來，達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)，輸出電壓的頻率為f0。由于反饋電壓uf的大小由L1，L2的匝數(shù)比決定，并且集成運(yùn)放的放大倍數(shù)可以很大，所以只要集成運(yùn)放的放大倍數(shù)和變壓器的匝數(shù)比選擇合適，就一定能滿足幅度平衡條件和起振條件。

經(jīng)過對(duì)圖1的介紹，學(xué)生更加深刻地理解了振蕩電路產(chǎn)生的條件，并能根據(jù)相位平衡條件和幅值平衡條件正確判斷電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩。穿插的科研項(xiàng)目的介紹大約需要20分鐘，課堂教學(xué)效果較好。

教學(xué)與科研結(jié)合的教學(xué)方法還能夠引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)生科研項(xiàng)目當(dāng)中，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三、結(jié)束語(yǔ)

電子技術(shù)發(fā)展迅速，在學(xué)時(shí)不變的情況下，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)不能滿足越來越多的教學(xué)內(nèi)容。在課堂教學(xué)中適時(shí)地引入科研項(xiàng)目的研究成果，給學(xué)生介紹與科研成果相關(guān)的電子技術(shù)知識(shí)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，同時(shí)使學(xué)生能逐漸將新知識(shí)、新技術(shù)、新手段應(yīng)用到實(shí)踐中去，極大提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

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（責(zé)任編輯：王意琴）