模擬電路項目化教學(xué)改革初探

李德明 羅紅飛

《模擬電路》課程在高職電類專業(yè)中是一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，常被稱為電類專業(yè)的三大支柱課程之一。但由于它的理論性、實踐性都很強，對學(xué)生的學(xué)習(xí)要求也較高，發(fā)展又很快，所以學(xué)生學(xué)習(xí)往往非常困難。目前大部分高校采用的仍是“理論＋仿真＋實（驗）訓(xùn)”教學(xué)模式，教學(xué)效果很不理想，學(xué)生學(xué)完該課程后往往還不熟悉電子產(chǎn)品生產(chǎn)的過程，更無法應(yīng)用相關(guān)知識設(shè)計和制作電子產(chǎn)品，達(dá)不到課程教學(xué)目標(biāo)，與企業(yè)實際需求脫節(jié)，沒有突出職業(yè)性和實踐性。高職學(xué)生對模擬電路理論的要求較低，但要有較廣的知識面和較強的動手能力。由于模擬電路知識點抽象晦澀，理論概念知識較多，再加上教師受到傳統(tǒng)教學(xué)觀念的影響，仍使用傳統(tǒng)教學(xué)方式對學(xué)生進行知識灌輸，學(xué)生長期在這種教學(xué)環(huán)境下學(xué)習(xí)，興趣逐漸消耗殆盡，學(xué)習(xí)效果也不盡如人意。

一、教學(xué)現(xiàn)狀分析

在現(xiàn)階段的模擬電路教學(xué)過程中，大部分老師采用以理論教學(xué)為主，以電路軟件仿真為輔的教學(xué)方法。雖然仿真在一定程度上能讓學(xué)生看到結(jié)果，但這種間接的作用效果不是很理想，比不上自己直接動手印象深刻，且很多實際問題仿真是比較難實現(xiàn)的，如電容的漏電問題，上學(xué)期有一個班學(xué)生買的104獨石電容在通電過程中就出現(xiàn)燃燒起火、漏電電流大、電解電容在正確接線且工作電壓小于其額定工作電壓的情況下發(fā)生“爆炸”情況等等。教材的內(nèi)容大多也以理論為主，沒有真正地從工程實際來選擇和組織內(nèi)容；選用的元器件也不是現(xiàn)在常用的型號，往往是以前教材上選用的，現(xiàn)在買不到或者價格離譜的元器件；所采用的電路好多是幾十年前的，參數(shù)計算也不符合實際，甚至錯誤較多；有些授課教師沒有企業(yè)的工作經(jīng)歷或從事過電子產(chǎn)品設(shè)計工作?？傊F(xiàn)階段的模電課程教學(xué)有很多不符合高等職業(yè)教育要求的現(xiàn)象存在。造成學(xué)生沒有學(xué)習(xí)興趣，課程結(jié)束，學(xué)生掌握的內(nèi)容很少，甚至不認(rèn)識二極管，教學(xué)效果差，對于學(xué)習(xí)能力較差的高職學(xué)生尤其明顯。

二、項目化教學(xué)方式

鑒于模電的主要內(nèi)容和學(xué)生工作中的工程實際要求，在教學(xué)中以自行設(shè)計的Cu50溫控電路（已制作印制板）作為項目化教學(xué)內(nèi)容，課堂上以理論結(jié)合實際教學(xué)為主，線上以自學(xué)和實踐操作為主，線上線下教學(xué)相結(jié)合，相輔相成。

1.電路及工作原理

該電路由電源電路、溫度測量與控制電路、數(shù)字電壓表電路三部分電路組成。

工作原理簡述如下：220V的交流電經(jīng)過變壓器T1隔離降壓后轉(zhuǎn)換為雙9V的低壓交流，經(jīng)DB1雙全波整流（有些人會錯誤地認(rèn)為是橋式整流），C4、C5濾波，U2和WD1穩(wěn)壓輸出±5V的電壓（由于-5V輸出電流很小，用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓），U3輸出溫度系數(shù)為20ppm的穩(wěn)定電壓作基準(zhǔn)電壓。

RP1、R1、R2、R3、RCu組成不平衡電橋，R2用以抵消RCu在0℃時產(chǎn)生的電壓，使輸出電壓在溫度為0℃時，輸出電壓也為0V，溫度為150℃時輸出電壓1.5V，RP1為調(diào)零電位器，U1A構(gòu)成差分放大電路，R4與RCu等組成線性化電路，使電橋輸出的非線性電壓和傳感器與溫度的非線性得到適當(dāng)?shù)匮a償，使溫度與輸出電壓呈線性關(guān)系，設(shè)計的參數(shù)是Uo（V）=10mV/℃×t（℃），即100℃時輸出電壓1V。C1、C2、R5等組成二階低通濾波電路，降低傳感器引線引入的干擾。R10、RP2、R11等組成溫度設(shè)定電路，U1B構(gòu)成電壓跟隨器，起阻抗變換作用。U1C等構(gòu)成滯回比較電路，Q1用來驅(qū)動繼電器。LED1顯示繼電器的工作狀態(tài)，D1為續(xù)流二極管。

ICL7107與外圍電路組成量程為2V的數(shù)字電壓表，其顯示的數(shù)值N=1000×Ui/Uref，如果輸入電壓為1V，Uref為1V，則顯示的值為1000，如果小數(shù)點在“十”位處，則讀數(shù)值為100.0，結(jié)合測量電路的輸出可以看出，讀數(shù)值就是被測的溫度值。當(dāng)然設(shè)計的參數(shù)與理論不可能完全一致，調(diào)節(jié)RP2，可以調(diào)節(jié)Uref的大小，可使顯示值與輸入電壓（溫度值）相等。

本電路涉及的元器件有電阻、電容、變壓器、繼電器、二極管、三極管、運放、三端穩(wěn)壓等大部分模電內(nèi)容要求的元器件，電路涵蓋了整流、濾波、穩(wěn)壓管電路、精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓、三極管開關(guān)（繼電器驅(qū)動）電路、負(fù)反饋電路、運放的反相比例放大電路、同相比例放大電路、差分放大電路、電壓跟隨電路、積分電路、（滯回）比較電路、串聯(lián)穩(wěn)壓電路，工程實踐上包含單雙面印制板、元器件參數(shù)計算與選擇、儀器儀表的使用、元器件的識別與測量、電路安裝方法、焊接工藝、測試方法、調(diào)試工藝、故障分析與排除方法等。通過完成一個完整項目的制作，涵蓋了專業(yè)對模電課程的理論、實踐、應(yīng)用上的要求，同時加入思政內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的工匠精神、利用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力及團隊合作創(chuàng)新能力和家國情懷。

2.對學(xué)生的要求

為了便于學(xué)生裝配和測試電路，要求學(xué)生每人準(zhǔn)備一套工具，包含工具箱（包）、（數(shù)字）萬用表、電烙鐵、烙鐵架（含合金清潔球或清潔海綿）、吸錫器、鑷子、尖嘴鉗、斜口鉗、剝線鉗、一字、十字螺絲刀大小各1把、所需的元器件一套。全班63°直徑0.8～1mm的焊錫絲（熔點183.2℃，沒有半凝固狀態(tài)）1kg。

3.授課方式

采用以下方式實施：花2節(jié)課講解電路的概況，使學(xué)生對整個項目有一個大致地了解。先講解項目的功能要求：一個數(shù)字顯示的溫度測量控制電路。接著分析項目的實施途徑（采用的電路和所需的元器件）：溫度檢測要采用電參數(shù)（電阻值、電壓值、電流值、頻率等）隨溫度變化的電子元器件，工業(yè)上常采用熱電偶或Pt100。本電路為了降低成本選用Cu50，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，由于Cu50在0℃時阻值為50Ω，需要將其對應(yīng)的電壓抵消掉，才能使顯示值與被測溫度值直接對應(yīng)，故用一個50Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻去抵消。電阻轉(zhuǎn)換為電壓一般用分壓電路或通入恒定電流，其中分壓比較簡單。要測量兩電阻的電壓差值，需要用減法電路（差分放大），從分度表可以看出，單位溫度變化阻值變化很?。s0.428%），直接測量電壓太小需要放大，溫度控制（比較）需要一個可調(diào)的溫度設(shè)定值（電壓值），方法是采用電位器調(diào)節(jié)電壓，為了使分壓值不受所接電路的輸入電阻影響，中間需要接一個輸入電阻很大、輸出電阻很小的電路（電壓跟隨器），這些電路一般用運算放大器實現(xiàn)?？刂茰囟刃枰幸粋€開關(guān)控制負(fù)載，電子電路一般采用繼電器（或晶閘管），驅(qū)動繼電器常用三極管。要顯示溫度值，需要（數(shù)字）電壓表。要使各部分電路能正常工作，需要提供電路所需的低壓穩(wěn)恒直流電源。而常用的電源是220V的交流電，需要通過一些電路才能完成，這一部分電路就是穩(wěn)壓電源。通過講解，使學(xué)生對項目和模電的內(nèi)容有大致的了解。

接著講解穩(wěn)壓電源的組成：變壓器將220V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪海p9V）交流電，再將交流電的電流方向調(diào)整為一個方向（整流電路），其輸出電壓的變化還是很大，需要用儲能元件電容（或電感），使電壓波動減?。V波電路），用一個可變電阻的元器件（調(diào)整管）與負(fù)載串聯(lián)，使負(fù)載或輸入電壓變化時，調(diào)節(jié)調(diào)整管，使負(fù)載電壓穩(wěn)定（穩(wěn)壓）。要調(diào)整交流電的電流方向，需要采用單向?qū)ǖ脑骷O管，二極管是一種半導(dǎo)體器件，接著講解半導(dǎo)體的基本知識，PN結(jié)的基本特性，二極管的基本特性、各種二極管的應(yīng)用及電路、實際二極管的識別和測試、具體電路的工作原理、參數(shù)計算和元器件選擇、可能出現(xiàn)的問題和故障分析、排除方法，再焊接組裝具體的電路、測量電路的參數(shù)（波形）。其他內(nèi)容采用類似的方法講解。

在課堂上講解分析理論內(nèi)容后，演示并讓學(xué)生同步練習(xí)實踐操作方法（如元器件的測量方法、焊接方法等）。如講解二極管的特性及應(yīng)用時，利用淘寶網(wǎng)站讓學(xué)生觀看各種二極管的外形、價格和共同特點，讓學(xué)生明白二極管是有極性的，且靠近負(fù)極的外殼上有一條色環(huán)。講解二極管的單相導(dǎo)電性時，演示并讓學(xué)生利用萬用表測量整流管、發(fā)光管等的正反向特性。課堂教學(xué)基本上是理論與實踐交替進行，將集中進行的實訓(xùn)內(nèi)容分解為多次的反復(fù)練習(xí)，使學(xué)生掌握要求的理論和技能。實踐操作內(nèi)容來不及完成的，學(xué)生在課外時間完成。

在線上，將課堂教學(xué)和實踐教學(xué)內(nèi)容的視頻及詳細(xì)的PPT（如實際電阻的照片、色環(huán)、參數(shù)等）放在線上教學(xué)平臺，供學(xué)生課外學(xué)習(xí)和實踐參考（實踐操作大部分在課外完成），學(xué)生隨時都能邊學(xué)邊做，降低了學(xué)習(xí)難度。

在開學(xué)初，將整理好的模電主要內(nèi)容資料發(fā)給學(xué)生。

另外，將全班學(xué)生分為幾個學(xué)習(xí)小組，任課老師先教會組長，由組長負(fù)責(zé)教會本組成員。組與組之間進行互評。

4.學(xué)生需掌握的能力

（1）測量DB1的兩交流輸入端對地電壓，記錄測量值，判斷是否正常。

（2）測量并記錄VCC、VEE的值，注意其與輸入交流電壓值的關(guān)系。

（3）測量并記錄+5V、-5V和Vref的值，與理論值比較。

（4）測量RP2兩端的電位值，與計算值比較。

（5）測量TL084的5、6腳電位，計算兩腳間的電位差。

（6）接上信號源，調(diào)至0℃，使LED1發(fā)光，測量Q1的發(fā)射結(jié)電壓和C、E間的飽和壓降，繼電器線圈兩端的電壓，R16兩端的電壓，測量TL084的7、8、9、10腳對地電壓，分析U1C的作用和數(shù)量關(guān)系，并與計算值比較。

（7）在完成（6）的任務(wù)后，調(diào)節(jié)信號源輸出150℃，使LED1滅，測量Q1的發(fā)射結(jié)電壓和C、E間的壓降，繼電器線圈兩端的電壓，R16兩端的電壓，測量084的7、8、9、10腳的對地電壓，分析U1C的8、10和7腳的數(shù)量關(guān)系，并與計算值比較。

（8）測量并記錄LM385的2、3腳之間的電壓，與數(shù)據(jù)表比較。

（9）測量并記錄W1兩端的電位，與計算值比較。

（10）測量并記錄ICL7107的35腳和1腳之間的電壓，與數(shù)據(jù)表比較。

（11）測量并記錄ICL7107的36與35腳，31腳與30腳的電壓，同時記錄顯示值，與N＝1000Ui／Uref比較。

（12）短路ICL7107的31和30腳，記錄顯示值，與數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)比較。

（13）將ICL7107的31腳和36腳短路，記錄顯示值，與數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)比較。

（14）將ICL7107的37腳和1腳短路，記錄顯示值，與數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)比較。

（15）校零點：將標(biāo)準(zhǔn)信號源調(diào)至0.0℃，等待一段時間，等顯示值穩(wěn)定不變了，調(diào)節(jié)RP1，使顯示值為00.0。

（16）校滿量程：將標(biāo)準(zhǔn)源調(diào)至150.0℃，等待一段時間，等顯示值穩(wěn)定不變了，調(diào)節(jié)W1，使顯示值為150.0。

（17）將標(biāo)準(zhǔn)信號源調(diào)至0.0℃，觀察顯示值是否最終顯示00.0。如偏差大，重復(fù)（15）。

（18）將標(biāo)準(zhǔn)信號源隨機輸出幾個溫度值，記錄測量值和誤差。

三、過程化考核方式

課程的評價采用過程化、層次化的理論與實操相結(jié)合的方式。

考核分三次進行，在電源部分內(nèi)容講解后半個月左右，進行實踐考核，考核學(xué)生的焊接水平、安裝工藝、參數(shù)測試等。這一部分的考核從嚴(yán)要求，但成績占比較低，讓學(xué)生明白不認(rèn)真學(xué)習(xí)將無法及格，同時又有機會補救。內(nèi)容如下圖所示。

第二次是運放部分內(nèi)容完成后半個月左右，考核學(xué)生除了上述內(nèi)容外，還有電路的調(diào)試能力，這一部分的成績占比較高。

第三次在期末，考核理論基礎(chǔ)和數(shù)字表頭部分（完整電路的功能），實踐考核內(nèi)容同上，但理論基礎(chǔ)部分不及格，課程總成績不及格，迫使學(xué)生掌握模電的基本內(nèi)容。

采用全程一對一面試的模式，老師看著學(xué)生操作打分，使學(xué)生無法作弊。

成績分層打分，完成基本部分的，成績在良好以下，如能正確設(shè)計參數(shù)的在良好以上，如參數(shù)設(shè)計正確并調(diào)試成功的，成績?yōu)閮?yōu)。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式對學(xué)生進行理論知識教學(xué)，需要注重教學(xué)方式的多元化，以此來為學(xué)生營造出良好的學(xué)習(xí)氛圍，讓學(xué)生在輕松愉快的學(xué)習(xí)環(huán)境中進行有效地學(xué)習(xí)。采用項目式的教學(xué)模式，理論與實踐相結(jié)合，相互促進，使原本枯燥乏味的理論變得形象生動，變“填鴨式”教學(xué)為“啟發(fā)式”教學(xué)，學(xué)生的考試成績得到有效提高，不及格率大幅下降，實驗實踐動手能力增強。通過本課程的學(xué)習(xí)，部分學(xué)生已能設(shè)計一些簡單的應(yīng)用電路，取得了較好的教學(xué)效果。