基于CDIO模式的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革研究

柏受軍+陸華才+趙發(fā)

【摘 要】針對模擬電子技術(shù)課程教學(xué)過程中遇到的問題，我校自動化專業(yè)以卓越工程師計劃為契機，引入CDIO教育理念對課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)手段等進行改革和探索。實踐表明，基于CDIO教育理念的模擬電子技術(shù)課程改革不僅使教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果得到顯著的提高，而且通過設(shè)計和制作一個完整的工程案例，培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐等能力。

【關(guān)鍵詞】模擬電子技術(shù)；CDIO；教學(xué)改革；差動變壓器

0 引言

模擬電子技術(shù)是電類專業(yè)重要的具有入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，扎實的理論基礎(chǔ)和過硬的實踐能力對于電類學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有著重要的作用。但是隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電子電路大行其道，使一部分學(xué)生產(chǎn)生了模擬電子電路不再重要的錯誤認識。加上課程的學(xué)時數(shù)越來越少，傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在著如教材重分析輕設(shè)計，驗證性實驗多綜合性實驗少，單一強調(diào)理論知識的考核方式等，嚴重影響了模擬電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)效果。本文以我校自動化專業(yè)進行的卓越工程師計劃為契機，以CDIO教育理念為指導(dǎo)，全面改革模擬電子技術(shù)課程教學(xué)，并在各種學(xué)生參加的電子大賽中得到了檢驗，取得了優(yōu)異的成績，教學(xué)效果顯著。

1 以CDIO教育理念優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的內(nèi)容繁多，模擬電子電路經(jīng)典教材篇幅都很大，特別是在教學(xué)學(xué)時數(shù)大量壓縮的情況，如何優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容是教學(xué)改革首要任務(wù)。同時模擬電子技術(shù)課程與數(shù)學(xué)、物理、甚至電路課程的學(xué)習(xí)都有著明顯的區(qū)別，即它的工程性和實踐性，因此如何將模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)有機地融合到工程背景中，是教學(xué)改革的關(guān)鍵問題。為此我們以CDIO教育理念為指導(dǎo)，對模擬電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化做了積極的探索。

1.1 CDIO教育理念

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的重要成果。CDIO教育模式是90年代末由美國麻省理工學(xué)院航空航天系首先創(chuàng)立的，在2000 年聯(lián)合3 家瑞典大學(xué)完善了這一模式，并建立了12 條標準，于2004 年正式成立了國際組織。CDIO 是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）四個英文單詞的首字母，它涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)的完整過程[1-4]。

CDIO教育模式以產(chǎn)品開發(fā)的全過程為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的方式進行工程開發(fā)學(xué)習(xí)，建立起完整的課程體系，并培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)知識、終身學(xué)習(xí)能力、團隊交流協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力。CDIO教育模式的關(guān)健是如何根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容確定一個實際的開發(fā)案例，通過這個案例的開發(fā)逐步培養(yǎng)學(xué)生的工程能力以及其他能力。

1.2 確定工程開發(fā)實例

如何把模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容完美地融合到一個工程開發(fā)實例中，是個不小的挑戰(zhàn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，模擬電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域絕大多數(shù)都集中在傳感器信號調(diào)整電路中。通過對大量傳感器調(diào)理電路的研究，發(fā)現(xiàn)用傳感器調(diào)理電路作為開發(fā)實例可以很好包含模擬電子電路絕大部分核心教學(xué)內(nèi)容。實際教學(xué)過程中，選擇差動變壓器式位移傳感器（螺管式）的調(diào)理電路設(shè)計和制作作為模擬電子電路學(xué)習(xí)的工程案例，通過多年的教學(xué)實踐，效果顯著。

差動變壓器式位移傳感器是用來檢測物件移動的位移量，在工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛。其調(diào)理電路原理框圖可以用圖1表示。其中正弦波或方波產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生一定頻率的正弦波或方波激勵傳感器的初級線圈；檢波電路的功能是將差動變壓器次級線圈輸出的電壓，轉(zhuǎn)換成一個既能反映位移的大小，又能反映位移的方向的電壓信號；放大電路的功能是將檢波電路得到的小信號放大成合適的大信號；濾波電路的功能是將放大信號的高頻分量濾掉，獲得一個純凈的直流電壓信號；轉(zhuǎn)換電路的功能是將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，以便適應(yīng)信號的遠距離傳輸；直流電源電路的功能是對整個電路進行供電，一般情況下供電電壓為24VDC。

整個調(diào)理電路基本上包括了模擬電子電路課程教學(xué)的所有內(nèi)容。下面以我校選用的童詩白主編的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》[5]教材為例，將調(diào)理電路的各組成電路對應(yīng)教材相應(yīng)章節(jié)整理成圖2。需要說明的是，設(shè)計調(diào)理電路必須有兩個重要的基礎(chǔ)，即熟悉運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部特性，以及反饋的概念。從圖中可以看出，調(diào)理電路中的各組成電路基本上包含《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》教材的所有章節(jié)，也就是說選擇差動變壓器式位移傳感器（螺管式）的調(diào)理電路研發(fā)作為工程案例是恰當?shù)摹?/p>

1.3 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

圖2已經(jīng)非常清楚地概括了模擬電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容，其大致可以歸納為三個方面：一個器件，即集成運算放大器；一個概念，即反饋；六種電路，即信號產(chǎn)生、檢波、放大、濾波、轉(zhuǎn)換和直流電源電路。

1.3.1 一個器件——集成運算放大器

調(diào)理電路中的核心器件是集成運算放大器，學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)的第一個任務(wù)就是如何認識和正確使用集成運算放大器。為此可以將教材的前5章整合成一個模塊，即集成運算放大器模塊。集成運算放大器的學(xué)習(xí)可以再細化為以下三個方面。

第一是學(xué)習(xí)集成運算放大器的外部電壓傳輸特性。運放作為調(diào)理電路中的核心器件，必須要掌握它的作用和功能，即放大作用。

第二是學(xué)習(xí)集成運算放大器內(nèi)部組成電路。首先要弄清楚二極管和三極管的特性；其次以單管共射放大電路為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)運放的中間級；再次差分放大電路為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)運放的輸入級；最后以單管共集放大電路為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)運放的輸出級。

第三是學(xué)習(xí)集成運算放大器性能參數(shù)。不同的運放其性能指標差異較大，在理解這些參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要合理地選擇運放。

1.3.2 一個概念——反饋

運算放大器在電路中一般有三種狀態(tài)，即開環(huán)、正反饋和負反饋，根據(jù)需要正確選擇不同的反饋類型。學(xué)習(xí)反饋概念時要注意以下幾點。

第一，根據(jù)集成運算放大器的電壓傳輸特性，理解開環(huán)、正反饋和負反饋的作用。

第二，理解負反饋的四種組態(tài)，以及引入負反饋后對電路性能的影響。

第三，根據(jù)電路需要，要能夠正確選擇合適的負反饋組態(tài)，以滿足電路設(shè)計要求。

1.3.3 六種基本單元電路

學(xué)習(xí)了集成運算放大器和反饋這兩個重要內(nèi)容以后，就可以分析和制作實際電路了。但是實際電路多如牛毛，功能和電路結(jié)構(gòu)各不相同，那又如何學(xué)習(xí)呢？分析傳感器調(diào)理電路的組成，可以歸納為六種基本的單元電路，即信號的產(chǎn)生電路、信號的檢波電路、信號的放大電路、信號的濾波電路、信號轉(zhuǎn)換電路和直流電源電路。

熟悉了這六種基本單元電路后，就可以根據(jù)需要設(shè)計具體的電路了。

2 更新教學(xué)手段

在確定了學(xué)習(xí)的工程案例和相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容以后，接下來的任務(wù)就尋找更好的教學(xué)手段，提高學(xué)習(xí)效率。

2.1 善于吸收最新研究成果

在模擬電子電路的教學(xué)過程中，前人做了大量的探索，也取得了很多研究成果。在教學(xué)過程中要善于吸收最新的研究成果，提高教學(xué)效果，下面以實用的三極管共射放大電路為例加以說明，圖3（a）為該電路的原理圖。

國內(nèi)教材在分析這個電路時，都是首先把三極管用微變等效模型替代，然后求解放大電路的各項指標。這種方式應(yīng)該說是比較繁瑣的，學(xué)生對三極管的微變等效模型也不易掌握，求解電路的性能指標時費時費力。日本作者鈴木雅臣的《晶體管電路設(shè)計》[6]一書中已經(jīng)提出了另外一種分析方法，這種分析方法簡單明了，易于掌握。這種分析方法是將三極管的發(fā)射結(jié)等效成二極管的交流小信號模型，該部分內(nèi)容在康華光主編的《電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分》[7]一書中已經(jīng)作了詳細的分析。再利用圖3（b）中的交流通路分析放大電路的放大倍數(shù)。

由于發(fā)射結(jié)可以等效為一個小的動態(tài)電阻，所以輸入電壓能夠順利達到三極管的發(fā)射極上，所以，而，則輸出電壓，因此放大倍數(shù)。相比傳統(tǒng)的微變等效法，該方法概念清晰，直觀明了，因此善于利用最新的研究成果，可以提高教學(xué)效果。

2.2 采用軟件仿真計算手段

仿真計算已經(jīng)與理論分析和科學(xué)實驗一道，成為當代科學(xué)研究的三大支柱。目前，學(xué)生基本上人手一臺筆記本電腦，因此仿真計算也為教學(xué)提供了理論和實踐結(jié)合的完美平臺。在模擬電子技術(shù)教學(xué)過程中，應(yīng)當把仿真計算提到突出的地位上，必須在教學(xué)過程中形成“理論分析→仿真計算→實驗驗證”的完整流程。仿真計算可以不受實驗室條件的影響，對電路的分析更加的直觀、形象，同時也可以節(jié)省大量的實驗經(jīng)費。利用Cadence軟件的PSpice A/D組件對上述實用三極管共射放大電路進行時域和頻域仿真計算，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）中可以計算出（時域分析時輸入激勵信號源振幅為0.5V）。從圖5（b）中可以計算出（頻域分析時輸入激勵信號源幅值為1V）。

仿真計算可以非常直觀地看到結(jié)果，可以幫助學(xué)生提高系統(tǒng)的分析和設(shè)計能力，以及故障診斷和排除能力。

2.3 拓寬課外學(xué)習(xí)渠道

電子技術(shù)是一門實踐科學(xué)，要想真正對所學(xué)電路融會貫通，必須動手制作電路，如制作差動變壓器調(diào)理電路。這就要求學(xué)校必須提供開放式的學(xué)習(xí)環(huán)境，以滿足部分學(xué)有余力的學(xué)生得到個性發(fā)展。我校自動化專業(yè)為實施卓越工程師計劃專門創(chuàng)建了創(chuàng)新實驗室，并整合學(xué)校原有的電子協(xié)會資源，為我校自動化專業(yè)的學(xué)生提供了良好的實踐環(huán)境，拓寬了學(xué)生的課外學(xué)習(xí)渠道。

3 教學(xué)效果

以CDIO教育理念為指導(dǎo)，優(yōu)化了模擬電子電路課程的教學(xué)內(nèi)容，并采用最新的教學(xué)手段，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，取得了較為顯著的效果。

3.1 學(xué)生理論基礎(chǔ)明顯扎實

以前學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬電子電路時，很多概念學(xué)的不是很扎實，自從課堂教學(xué)中使用了仿真計算后，特別是我校自動化專門開設(shè)Cadence軟件的PSpice A/D組件的學(xué)習(xí)課程，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高。利用仿真軟件可以對學(xué)習(xí)的每一個電路都進行仿真計算，這樣可以很好地檢驗理論學(xué)習(xí)效果。

3.2 學(xué)生的創(chuàng)新能力得到明顯提高

自從教學(xué)改革以來，學(xué)生參加各類電子設(shè)計大賽的人數(shù)大幅度提高，也取得了很好的成績。截止2016年4月，我校電氣學(xué)院學(xué)生參加的各類電子設(shè)計大賽中獲得國家級特等將1個，國家級一等級3個，國家級二等獎18個，國家級三等獎3個，省級將項100多項的好成績。特別是在2015年全國電子大賽，一舉獲得2個全國二等獎，3個全國三等獎。

4 結(jié)論

以CDIO教育理念為指導(dǎo)，對模擬電子技術(shù)教學(xué)進行了全方位的改革，結(jié)合實際的開發(fā)項目，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，革新教學(xué)手段，形成了完善的課程體系。通過多年的教學(xué)實踐，該體系能夠有效地調(diào)動學(xué)生的主動性和興趣，提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，教學(xué)效果顯著，發(fā)揮了良好的示范和輻射作用。

【參考文獻】

[1]丁桂芝.CDIO12個標準本土化應(yīng)用專題之1-背景環(huán)境[J].計算機教育，2012（5）：106-109.

[2]丁桂芝.CDIO12個標準本土化應(yīng)用專題之2-學(xué)習(xí)的目標效果[J].計算機教育，2012（7）：100-105.

[3]丁桂芝.17、CDIO12個標準本土化應(yīng)用專題之4-工程導(dǎo)論[J].計算機教育，2012（15）：104-106.

[4]丁桂芝.19、CDIO12個標準本土化應(yīng)用專題之6-工程實踐場所[J].計算機教育，2012（19）：107-110.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]鈴木雅臣著，周南生譯.晶體管電路設(shè)計（上）[M].北京：科學(xué)出版社，2004：17-18.

[7]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006：76-78.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]