模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)改革探索

鄧云+覃貴禮

【摘 要】本文分析模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)存在的問題，探索以功率放大器的安裝和調(diào)試為主線的實驗教學(xué)，并通過科學(xué)組織實驗教學(xué)過程和強化學(xué)生技能考核等方面，培養(yǎng)學(xué)生分析、制作和調(diào)試電路的能力。

【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù) 實驗教學(xué) 功率放大器

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）12C-0156-03

模擬電子技術(shù)是高職電子信息、通信和電氣類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其具有知識涉及面廣、概念抽象和實踐性強等特點，因而學(xué)生普遍覺得學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)存在較大困難。為了提高模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)成效，各學(xué)校嘗試了各式各樣的教學(xué)改革，也涌現(xiàn)出不少國家級或省級精品課程，但改革主要著力于理論教學(xué)方面，如教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)、教學(xué)方式探索和信息技術(shù)應(yīng)用。實驗教學(xué)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，是決定學(xué)生能否真正掌握模擬電子技術(shù)技能的關(guān)鍵，但各校在實驗教學(xué)方面的改革力度還比較小，實驗教學(xué)普遍沿用傳統(tǒng)方法，教學(xué)效果還有待提高。

為了提高實驗教學(xué)成效，課程組分析了傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的不足，探索以功率放大器的安裝和調(diào)試為主線的實驗教學(xué)，以此調(diào)動學(xué)生參與實驗教學(xué)的積極性。同時，通過強化技能考核環(huán)節(jié)，給學(xué)生傳導(dǎo)足夠的學(xué)習(xí)壓力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，從而提高實驗教學(xué)的成效。

一、模擬電子技術(shù)傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的主要問題

（一）實驗教學(xué)模式落后，實驗以驗證理論基本電路功能為主。傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程是以教師為中心，學(xué)生根據(jù)教師課前的指導(dǎo)，并參照實驗指導(dǎo)書進行功能電路連線，然后利用萬用表、示波器和信號發(fā)生器等儀器儀表進行簡單的數(shù)據(jù)測量，最后對實驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，形成千篇一律的實驗報告。這樣的教學(xué)模式容易使學(xué)生處于相對被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，不利于激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，因而很難達到預(yù)期的實驗教學(xué)目標。

（二）實驗內(nèi)容枯燥，難以激發(fā)學(xué)生求知欲。傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容依據(jù)理論教材知識要點組成，主要由二極管整流電路、三極管單管放大電路、功率放大器電路和比例運算放大器等模塊構(gòu)成。并且，實驗結(jié)果需要借助示波器等專業(yè)工具進行觀測，導(dǎo)致測試方法及測試結(jié)果缺乏趣味性和觀賞性，影響了課程教學(xué)效果。由于各模塊電路目的在于驗證某一個理論知識點，過于重視知識的理解，而忽視了學(xué)生技能的訓(xùn)練，純粹為了實驗而實驗。這種缺乏與實際生活聯(lián)系的實驗內(nèi)容顯得枯燥，很難實現(xiàn)通過實驗鞏固、提升理論知識的目的，同時，由于傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容的枯燥，也容易造成學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，失去對電子技術(shù)實驗探索的興趣。因此，只有激發(fā)學(xué)生自主動手、動腦參與實驗教學(xué)，才能調(diào)動學(xué)生自主創(chuàng)新思維，達到預(yù)期的實驗教學(xué)目標。

（三）實驗考核不被重視，學(xué)生技能水平有待提升。以往的實驗考核方式大多以批閱學(xué)生的實驗報告為主，報告內(nèi)容主要是實驗?zāi)康?、實驗儀器設(shè)備、實驗步驟和實驗結(jié)果分析等文字材料，這樣的評定方式?jīng)]有突出強調(diào)學(xué)生技能水平掌握情況，導(dǎo)致很大一部分學(xué)生在完成實驗教學(xué)課之后，許多基本技能沒有掌握，例如，二極管、三極管等元件的檢測方法，以及常用集成電路芯片的使用方法。這種重視實驗報告的實驗考核方式，忽視了對學(xué)生分析電路、調(diào)試電路能力的培養(yǎng)，同時，也造成了學(xué)生自主設(shè)計電路、制作電路能力的缺失。

二、教學(xué)改革措施

為了改善模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)效果，提升學(xué)生技能水平，本文實施以功率放大器的安裝和調(diào)試項目為主線的實驗教學(xué)，從科學(xué)組織實驗教學(xué)過程和強化學(xué)生技能考核等方面對模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)進行改革。

（一）科學(xué)組織實驗教學(xué)過程，吸引學(xué)生參與應(yīng)用型實驗。從以理論知識點為主的實驗過渡到以學(xué)生制作功能電路為主的課堂實驗。首先，通過制作典型TDA2030功放，讓學(xué)生體驗自制功放的樂趣，在成功制作電路基礎(chǔ)上再與學(xué)生探討放大電路的用途，并要求學(xué)生掌握其電路的分析及調(diào)試方法。其次，繼續(xù)圍繞功放增加外圍電路。例如，溫度過高報警電路、揚聲器保護電路和分頻器等電路，并以制作完整后級功放為教學(xué)目標，逐步豐富教學(xué)內(nèi)容。

由于教學(xué)過程是圍繞制作電路而展開，并在調(diào)試過程中一點點講解電路知識，針對出現(xiàn)的問題進行交流探討，讓學(xué)生帶著問題分析電路，帶著興趣制作電路，帶著收獲完成實驗，讓學(xué)生感覺到逐步提升技能的過程，讓學(xué)生通過趣味實驗增強學(xué)習(xí)信心。經(jīng)過一個學(xué)期的實踐教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性明顯提高，教學(xué)效果大為改善。

（二）以典型2030功放制作開始，培養(yǎng)學(xué)生電路制作興趣。TDA2030功放電路如圖1所示，首先通過成功制作TDA2030功放，讓學(xué)生體會成功制作電路的喜悅，在此基礎(chǔ)上，再引出集成功率放大器的工作原理，并逐步分析電路的電壓增益由反饋電阻R2和R3的比值所決定，最后推導(dǎo)出增益計算公式為A=1+R2/R3，分析每個元件所起的作用。因此，通過一個簡單實用的TDA2030功放的成功制作，可以逐步建立學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)的信心，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)電路的方法。

（三）增加相應(yīng)實驗教學(xué)內(nèi)容，完成不同教學(xué)目標。在成功制作TDA2030功放的基礎(chǔ)上，為了繼續(xù)完善電路功能，增加電源工作指示燈、溫度過高報警和揚聲器保護等實用型電路，逐步豐富教學(xué)內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生綜合技能。

1.增加電源工作指示燈，掌握LED應(yīng)用方法。電源指示燈常用于表示電路系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如圖2所示。通過增加LED指示燈小電路，引導(dǎo)學(xué)生熟悉發(fā)光二極管的用法，理解發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦裕瑢W(xué)會測量發(fā)光二極管的正向?qū)▔航?，以及通過串聯(lián)支路上的電阻計算出工作電流。一般情況下，流過發(fā)光二極管的工作電流在10-20 mA之間，而發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓為2 v左右，依次可以推導(dǎo)出降壓限流電阻阻值的選取范圍，并通過實驗觀察發(fā)光二極管的亮度和限流降壓電阻R之間的關(guān)系。

2.增加溫度過高報警電路，學(xué)習(xí)使用比較器和溫度傳感器。由于TDA2030集成塊需要外接散熱片方可持續(xù)工作，若芯片長時間在溫度過高的環(huán)境下工作，容易損壞功放芯片，因此，有必要在簡單功放上增加溫度過高報警功能，既符合產(chǎn)品安全規(guī)范需求，又可拓展學(xué)生技能。溫度過高電路如圖3所示，由振蕩電路和溫度檢測比較電路組成，振蕩電路外接LED實現(xiàn)閃爍報警。振蕩電路工作頻率是由電容支路的充放電時間所決定，而電路能夠周而復(fù)始振蕩與運放輸出電壓不停翻轉(zhuǎn)有著密切聯(lián)系。通過觀察實驗現(xiàn)象，逐步推出電路振蕩的工作原理，RC充放電引起運放的比較參考電壓在改變，而運放輸入端電壓高低變化引起其輸出電壓翻轉(zhuǎn)，這兩個過程互相影響、共同作用，從而出現(xiàn)振蕩的效果。

電壓比較器則由溫度傳感器和集成運放組成，溫度傳感器實現(xiàn)把溫度變化轉(zhuǎn)化為對應(yīng)電壓信號的變化，然后再與基準電壓比較大小，運放輸出一個高電平代表溫度超出設(shè)定范圍。

最后，把溫度過高和振蕩電路進行關(guān)聯(lián)，并通過LED閃爍的方式呈現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，在充分理解現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，再逐步分析電路振蕩的原理，以及溫度過高的檢測方法，這樣的教學(xué)模式讓學(xué)生更易理解和接受運算放大器的工作原理和使用方法。

3.增加揚聲器保護電路，學(xué)習(xí)使用二極管整流和三極管驅(qū)動繼電器。驅(qū)動揚聲器正常工作需要的是各種頻率的交流信號，而頻率為零的信號直流信號是揚聲器所不需要的，若信號中包含過大的直流成分則可能會影響功放音質(zhì)，更嚴重的情況是導(dǎo)致?lián)P聲器損壞。因此，揚聲器保護電路的作用是當(dāng)檢測功放輸出信號中含有過大直流成分時，保護電路通過三極管驅(qū)動繼電器斷開功放和揚聲器之間的連接，避免揚聲器被損壞的風(fēng)險。另外，為了消除功放開機瞬間大電流沖擊揚聲器，需要在揚聲器保護電路中增加延時開機電路，同時也可避免開機時的“砰”聲給人造成的不適。揚聲器保護電路如圖4所示。

其中通過電阻R1、電容C1和C2可提取信號中的直流成分，4個二極管組成橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)整流功能，把可能出現(xiàn)的正負直流成分轉(zhuǎn)化為單向直流，并用于控制下一級三極管的導(dǎo)通以及驅(qū)動繼電器動作。

延時開機電路由電阻R2、電容C3和Q2組成，利用電容兩端電壓不能突變的特性，經(jīng)過電阻讓電容充電，而電容充電致Q2能導(dǎo)通的過程稱為延時。

4.增加分頻電路，學(xué)習(xí)電容和電感濾波特性。電容對不同頻率信號分別呈現(xiàn)不同的容抗，頻率升高則容抗減少，而電感則有著與電感相反的特性，即頻率升高則感抗最大。因此，可由電容器和電感線圈構(gòu)成濾波網(wǎng)，實現(xiàn)音頻信號分頻效果，分頻器實現(xiàn)的功能是讓信號中的高頻成分進入高音喇叭，低頻成分進入低音喇叭。音箱分頻器可以有效地根據(jù)喇叭的特性，通過優(yōu)化組合使得各單位揚長避短，讓喇叭發(fā)揮各自應(yīng)有的特性。

在實驗過程中，可以改變電容值或電感值的大小，以實現(xiàn)不同的聽覺感受，人的耳朵也是一個敏銳的音頻信號檢測工具，學(xué)生根據(jù)個人直觀聽覺調(diào)整電容或電感的大小，在切身感受改變元件參數(shù)影響分頻效果的基礎(chǔ)上，學(xué)生會更容易理解并接受低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器的工作原理。

（四）強化技能考核環(huán)節(jié)，傳導(dǎo)學(xué)習(xí)壓力。從對實驗報告的評閱轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生綜合技能水平的考核，目的是為了幫助學(xué)生了解自身不足之處，督促學(xué)生更有針對性地學(xué)習(xí)，以達到全面掌握實踐技能的目的，與之相對應(yīng)的是考核學(xué)生對常用電子元器件的識別與檢測方法、電路組裝與調(diào)試能力、故障分析與排除能力等，具體考核內(nèi)容如下：

1.常用電子元件的識別與檢測。例如，通過目測電阻色環(huán)判斷其阻值大小和誤差，目的是要求學(xué)生掌握顏色所代表的數(shù)值，并且熟練計算出電阻阻值的大??；分別通過目測和使用萬用表對二極管進行極性檢測，目的是要求學(xué)生掌握通過目測二極管外形判別其極性，同時也會利用萬用表測量二極管正反向阻值進行判別。

2.使用儀器儀表測量電路信號。例如，使用萬用表測量指示燈電路中發(fā)光二極管的正向?qū)▔航?，目的是要求學(xué)生使用萬用表測量電壓的方法，同時，通過測量過程深刻理解發(fā)光二極管的工作電壓；測量整流濾波電路中二極管的正向和反向電壓，目的是要求學(xué)生理解二極管正向壓降小，而反向耐壓高；利用示波器測量對比小信號經(jīng)過功放放大前后的波形，目的是要使學(xué)生掌握示波器的常規(guī)使用方法，并且學(xué)會波形的讀數(shù)和計算，同時理解信號放大前后幅度變化，以及最大不失真輸出的調(diào)試方法。

3.故障分析與排除。通過故障現(xiàn)象分析原因所在，并逐步排除可能問題，例如，電源指示燈不亮，目的是要求學(xué)生學(xué)會思考分析并逐步判斷，指示燈電路是否有電壓到達、指示燈支路是否開路、指示燈是否被接反或者燒壞；+5 v直流穩(wěn)壓電源無電壓輸出，則可以從后級往前倒推可能存在的故障原因，7805穩(wěn)壓管是否有電壓輸入，濾波電壓兩端是否有電壓，整流二極管是否有輸出電壓，變壓器次級輸出電壓是否正常，變壓器初級是否有220 v輸入電壓等方面著手分析。通過實際的排除故障考核，學(xué)生懂得了運用理論指導(dǎo)實驗過程，通過分析電路故障原因，進一步鞏固了所學(xué)理論知識。

經(jīng)過一個學(xué)期的實驗教學(xué)，學(xué)生學(xué)會了獨自從簡單功放電路開始，逐步豐富完善電路功能，并最終完成了一個相對完整的后級功放作品。這種以電路制作和調(diào)試為導(dǎo)向、重視學(xué)生技能考核的實驗教學(xué)方法，極大地提升了學(xué)生參與實驗的熱情，同時，培養(yǎng)了學(xué)生運用理論分析電路、調(diào)試電路的能力，學(xué)生通過成功制作電路的激勵，收獲了自主學(xué)習(xí)的方法和培養(yǎng)了電路排除故障能力，教學(xué)效果良好，達到預(yù)期教學(xué)目標。

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【基金項目】廣西教育廳高?？蒲许椖浚╕B2014486）

【作者簡介】鄧 云（1983— ），男，廣西全州人，碩士，廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院計算機與電子信息工程系講師。

（責(zé)編 黎 原）