電氣專業(yè)“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教改探索

王美玲， 劉 偉， 王 波， 肖 烜

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

電氣專業(yè)“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教改探索

王美玲， 劉 偉， 王 波， 肖 烜

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

本文針對(duì)電氣專業(yè)的特點(diǎn)和培養(yǎng)要求，對(duì)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”兩門(mén)課程的理論授課內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)包括配套實(shí)驗(yàn)課程以及課程設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了教學(xué)改革的探索，實(shí)施“按需施教”。本文對(duì)電氣專業(yè)以及電子技術(shù)課程的教學(xué)與改革具有借鑒意義。

電子技術(shù)；按需施教；電氣工程

0 引言

“電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程是電氣、自動(dòng)控制、信息等相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，也是部分非電類專業(yè)本科生的技術(shù)基礎(chǔ)課[1]。它是聯(lián)系公共基礎(chǔ)課程與專業(yè)課程的重要橋梁，是一門(mén)與實(shí)際器件、工程分析與設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的課程[2]。

電子技術(shù)基礎(chǔ)課程為我校的精品課程。通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，本文探索了一種能夠有效提高學(xué)生電子技術(shù)創(chuàng)新能力的方法與模式，形成具有我校特色的“按需施教”的電子技術(shù)課程體系[3]。

1 理論教學(xué)

我校電子技術(shù)教研室根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向的不同，對(duì)電子技術(shù)要求的不同，側(cè)重面的不同，有效組織課程教學(xué)內(nèi)容，狠抓基本要求的同時(shí)，優(yōu)化整合，做到“按需施教”。為了達(dá)到此目標(biāo)，教研室將電子技術(shù)理論教學(xué)內(nèi)容分成幾個(gè)部分，每部分內(nèi)容都包括基本要求模塊和擴(kuò)展要求模塊兩大類，所有專業(yè)都要講授基本要求模塊的內(nèi)容，不同專業(yè)將搭配不同的擴(kuò)展要求。同時(shí)，理論教學(xué)內(nèi)容要與先修課程及后續(xù)專業(yè)課程之間保持良好銜接，為相關(guān)專業(yè)的專業(yè)課程教學(xué)，打下良好的基礎(chǔ)。

為了能把與計(jì)算機(jī)相關(guān)的課程提前到大三上學(xué)期，我校電氣專業(yè)的本科生實(shí)施先學(xué)習(xí)“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程后學(xué)習(xí)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的培養(yǎng)方案，“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程安排在在大二下學(xué)期，“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程安排在大三上學(xué)期。根據(jù)電氣專業(yè)的需求，下面對(duì)理論教學(xué)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.1 模擬電子技術(shù)

針對(duì)電氣專業(yè)，“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程主要在以下教學(xué)內(nèi)容上實(shí)施“按需施教”：

1)放大電路

放大電路是本課程的主線，從單管放大電路、多級(jí)放大電路、反饋放大電路、功率放大電路到集成放大電路。授課時(shí)由于雙極型晶體管具有功率放大能力強(qiáng)的特點(diǎn)，故以此種晶體管的放大電路為主進(jìn)行講授，單極型晶體管放大電路相對(duì)來(lái)說(shuō)，講得偏少。場(chǎng)效應(yīng)管為電壓控制電流源型器件，具有功耗低等特點(diǎn)，尤其是絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)放大電路在工程設(shè)計(jì)中獲得廣泛應(yīng)用，是重點(diǎn)授課內(nèi)容。

在電力電子中，MOSFET通常指的是電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET，對(duì)電氣專業(yè)學(xué)生講授此部分內(nèi)容時(shí)，為做好電子技術(shù)與電力電子技術(shù)之間的銜接，我們適當(dāng)增加場(chǎng)效應(yīng)管的課時(shí)，讓學(xué)生了解到兩門(mén)技術(shù)中場(chǎng)效應(yīng)管描述和功能的不同：

(1)電子技術(shù)將晶體管分為雙極型晶體管BJT(Bipolar Junction Transistor)和單極型晶體管FET(又稱場(chǎng)效應(yīng)晶體管)，一般為小功率管；電力電子將其分為單極型、雙極型和混合型，一般指在高電壓、大電流的條件下工作的晶體管。

(2)電子技術(shù)中講述的小功率MOSFET管一般為橫向?qū)щ娖骷?，但電力MOSFET一般采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

(3)電子技術(shù)中不講述混合型三極管， 但絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種混合型器件，它是新型電力電子器件，在電機(jī)控制、開(kāi)關(guān)電源、機(jī)器人以及要求快速、低損耗的很多領(lǐng)域中都得到了廣泛應(yīng)用。IGBT是一種復(fù)合型器件，由功率晶體管GTR(又稱巨型晶體管，Giant Transistor)和MOSFET兩個(gè)器件復(fù)合而成，具有GTR和MOSFET兩者的優(yōu)點(diǎn)，即具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率低、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。

2)濾波電路

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”在集成運(yùn)放的線性應(yīng)用中介紹了有源濾波電路。雖然電氣專業(yè)的學(xué)生之前已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)“電路分析基礎(chǔ)”課程，認(rèn)識(shí)RC電路，但通過(guò)授課互動(dòng)發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)RC濾波電路所知甚少。因此在課程中，一方面在放大電路頻率響應(yīng)部分加強(qiáng)無(wú)源濾波電路性能介紹，另一方面在直流電源一章增加電源濾波電路的介紹。

3)整流電路

對(duì)電氣專業(yè)來(lái)說(shuō)，還有一部分需要著重強(qiáng)調(diào)的電路就是整流電路。整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性的直流電。電力電子技術(shù)中根據(jù)采用的器件，將整流電路分為不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路，電子技術(shù)中只講述基于二極管的單向?qū)щ娦远鴺?gòu)成的整流電路，并且只介紹單相半波、全波和橋式整流電路。根據(jù)此區(qū)別，在講述此部分內(nèi)容時(shí)，首先介紹電力電子技術(shù)中整流電路的分類，講述不可控整流電路時(shí)增加三相橋式整流電路，并簡(jiǎn)單介紹半控整流電路的原理和特點(diǎn)。

1.2 數(shù)字電子技術(shù)

“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”是電氣專業(yè)“計(jì)算機(jī)接口技術(shù)”、“單片機(jī)”和“電力電子技術(shù)”等的先修課程?！皵?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”的知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 “數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”知識(shí)結(jié)構(gòu)框圖

不同專業(yè)對(duì)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的需求差別不太大，針對(duì)電氣專業(yè)的特點(diǎn)，此課程增加了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。數(shù)字系統(tǒng)的研制過(guò)程一般如圖2所示，授課時(shí)按照?qǐng)D2所示環(huán)節(jié)講授數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，以學(xué)生熟悉的秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)為實(shí)例介紹工程設(shè)計(jì)時(shí)方案的確定方法。以數(shù)字波形合成器為例介紹數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，從方案論證、仿真到調(diào)試，并從系統(tǒng)的角度綜合所學(xué)習(xí)的“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”知識(shí)，其中包括振蕩器、分頻器、序列信號(hào)發(fā)生器、DA轉(zhuǎn)換器、低通濾波器等。

圖2 數(shù)字系統(tǒng)的研制過(guò)程框圖

2 實(shí)踐教學(xué)

2.1 實(shí)踐課程體系

電子技術(shù)基礎(chǔ)課程是一門(mén)對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)要求很高的課程，必須通過(guò)實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)、鞏固，使學(xué)生加深理解課堂理論教學(xué)知識(shí)[5]。電子技術(shù)理論課程對(duì)電氣專業(yè)來(lái)說(shuō)，只針對(duì)大二下學(xué)期和大三上學(xué)期的學(xué)生，但為了保證電子技術(shù)實(shí)踐環(huán)節(jié)的連續(xù)性，我校為電氣專業(yè)的學(xué)生合理設(shè)置實(shí)踐課程體系，使實(shí)踐環(huán)節(jié)貫穿大一至大四的整個(gè)學(xué)習(xí)歷程，無(wú)論是在對(duì)學(xué)生的思維訓(xùn)練上還是時(shí)間安排上，都具有連貫性。

設(shè)置的完整實(shí)踐課程體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系結(jié)構(gòu)框圖

上述課程體系可以保證學(xué)生從最初培養(yǎng)對(duì)電子技術(shù)知識(shí)的興趣(慧魚(yú)機(jī)器人開(kāi)放實(shí)驗(yàn))、熟悉焊接等電子技藝(電子工藝實(shí)習(xí)、音頻功率放大器)到電子技術(shù)的綜合應(yīng)用(可編程邏輯器件、單片機(jī)等開(kāi)放實(shí)驗(yàn))能力的培養(yǎng)，從理論學(xué)習(xí)到實(shí)際應(yīng)用，從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證到參加競(jìng)賽，實(shí)踐能力得以全面提升。

上述課程體系還可以確保教師從大一就開(kāi)始接觸學(xué)生，了解學(xué)生，以便根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)因材施教，按需施教，并從中選取一些對(duì)自己學(xué)科感興趣和有創(chuàng)新能力的學(xué)生，為其提供盡早接觸科研項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，為其申請(qǐng)創(chuàng)新項(xiàng)目以及參加競(jìng)賽出謀劃策。

2.2 與理論課配套的實(shí)驗(yàn)課

從圖3可以看出，與理論課程相配套，我校為電氣專業(yè)的學(xué)生分別在大二下學(xué)期和大三上學(xué)期開(kāi)設(shè)“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”實(shí)驗(yàn)課程，課時(shí)各為24學(xué)時(shí)。除了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、幾個(gè)小型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以外，兩門(mén)課程都設(shè)置了一個(gè)6學(xué)時(shí)的綜合型設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?！皵?shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”的綜合型設(shè)計(jì)題目為：設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試一個(gè)數(shù)字式秒表電路，所需要設(shè)計(jì)電路的框圖如圖4所示[6]。

圖4 數(shù)字式秒表電路組成框圖

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”的綜合型設(shè)計(jì)題目為壓控函數(shù)發(fā)生器。此發(fā)生器由控制電壓產(chǎn)生電路、方波發(fā)生電路、三角波發(fā)生電路和正弦波發(fā)生電路幾部分組成。通過(guò)改變控制電壓產(chǎn)生所需的輸出的電壓，控制方波、三角波和正弦波這三種輸出波形的頻率。其電路組成框圖如圖5所示[6]。

圖5 壓控函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖

2.3 課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是繼電子技術(shù)理論和實(shí)驗(yàn)之后的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在學(xué)生掌握和具備基礎(chǔ)知識(shí)和單元電路設(shè)計(jì)能力之后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)電子電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)方法包括掌握EDA仿真設(shè)計(jì)工具和常用儀器儀表應(yīng)用，著重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，為以后從事電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用打好基礎(chǔ)[7]。

進(jìn)入課程設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生可以自擬題目，也可以從教師提供的綜合課題中選取，而后要求按照如下流程完成設(shè)計(jì)：①查閱資料。充分利用圖書(shū)館及網(wǎng)上資源，認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)要求，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行方案分析、論證計(jì)算，獨(dú)立完成選題方案與器件選型，完成電路圖設(shè)計(jì)。②EDA仿真。通過(guò)EDA仿真驗(yàn)證并修正設(shè)計(jì)，完善和優(yōu)化方案。③硬件安裝、調(diào)試。采用面包板進(jìn)行硬件電路的連接，通過(guò)調(diào)試達(dá)到選題的設(shè)計(jì)要求。④撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)實(shí)驗(yàn)工作整理后寫(xiě)出的簡(jiǎn)單扼要的書(shū)面報(bào)告。它可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的感性知識(shí)進(jìn)行全面總結(jié)并提高到理性認(rèn)識(shí)，了解尚未解決的問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)尚需注意的事項(xiàng)，并提供有價(jià)值的資料。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”理論課及實(shí)踐環(huán)節(jié)兩個(gè)方面，闡述了如何根據(jù)電氣專業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行授課，如何設(shè)置合理的課程體系，達(dá)到“按需施教”的目的。

[1] 教育部高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì).電子電氣課程基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M]．北京: 高等教育出版社，2011

[2] 王波,張巖,王美玲.“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程的改革[J].上海: 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(9)：121-123.

[3] 王美玲,郝艾芳,江澤民.通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的改革提高大學(xué)生電子技術(shù)創(chuàng)新能力[J]. 廊坊: 北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，20：49-51.

[4] 張興.高等電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011

[5] 王波,張巖,王美玲.電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)改革的探索[J]. 上海: 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(6)：343-345.

[6] 張玉平.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社，2008

[7] 張玉璞,李慶常.電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社,1994

Teaching Reform of Electronic Fundamentals for Electrical Engineering

WANG Mei-ling, LIU Wei, WANG Bo, XIAO Xuan

(SchoolofAutomation,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

According to the curriculum requirements and the features of the electrical engineering, the paper tries to carry on the teaching reform of Analog Electrical Technology Fundamentals and Digital Electrical Technology Fundamentals, including the theory teaching contents, the experimental curriculums and course project. Teaching according to the needs of the students and their majors is carried out. This paper can serve as a significant guide and reference in the teaching and reform for the major of electrical engineering and automation and the course of Electronic Technology Fundamentals.

electronic technology; teaching according to the needs; electrical engineering

2015-04-03;

2015-01- 04

王美玲(1970-)，女，博士，教授，主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐教學(xué)、新型傳感與檢測(cè)技術(shù)研究工作，E-mail: wangml@bit.edu.cn

G424

A

1008-0686(2016)02-0046-04