任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在運(yùn)算放大器教學(xué)中的應(yīng)用

李 玲， 郭 姣， 周 波， 宋 陽(yáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部， 遼寧 大連 116018)

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法在運(yùn)算放大器教學(xué)中的應(yīng)用

李 玲， 郭 姣， 周 波， 宋 陽(yáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部， 遼寧 大連 116018)

本文采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，通過(guò)軍事實(shí)例將積分、微分、求和、求差等運(yùn)算放大器的其他應(yīng)用，串成一條線，設(shè)置成一個(gè)具體的任務(wù)，并將任務(wù)分解為層層遞進(jìn)的子任務(wù)。在教學(xué)過(guò)程中，圍繞每個(gè)子任務(wù)的提出和解決展開(kāi)學(xué)習(xí)，以子任務(wù)的完成結(jié)果檢驗(yàn)和總結(jié)學(xué)習(xí)過(guò)程。教學(xué)實(shí)踐表明，該方法有助于充分調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)的積極性。

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法；運(yùn)算放大器；子任務(wù)

0 引言

“電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分”是自然科學(xué)、軍事科學(xué)和許多工程技術(shù)領(lǐng)域的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課，開(kāi)設(shè)于本科二年級(jí)上學(xué)期。該課程概念繁多，內(nèi)容豐富多樣，知識(shí)相關(guān)復(fù)雜，學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到問(wèn)題較多，學(xué)起來(lái)難度較大。

運(yùn)算放大器(以下簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”)作為本門(mén)課的核心內(nèi)容，是目前應(yīng)用極為廣泛的一種器件，它不僅用于信號(hào)的放大、運(yùn)算、處理、變換、測(cè)量、信號(hào)產(chǎn)生和電源電路，而且還可用于開(kāi)關(guān)電路中。在傳統(tǒng)的“運(yùn)放”的教學(xué)過(guò)程中，重點(diǎn)是從外特性上介紹其符號(hào)、功能以及工作區(qū)，要求學(xué)員能夠掌握同相和反相放大兩種基本應(yīng)用和有關(guān)運(yùn)放電路的分析方法，并且能夠舉一反三，分析“運(yùn)放”的其他應(yīng)用，如積分、微分、求和以及求差等運(yùn)算電路。由于“運(yùn)放”應(yīng)用的知識(shí)點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立和分散，學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)感覺(jué)內(nèi)容雜亂，枯燥無(wú)味，對(duì)知識(shí)的理解不深刻，不易掌握。

筆者在對(duì)學(xué)員特點(diǎn)、學(xué)員未來(lái)工作崗位、運(yùn)放在工程中的實(shí)際應(yīng)用等方面做了全面而詳細(xì)的了解之后，提出了用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法講授該課程“同相輸入和反相輸入放大器的其他應(yīng)用”一節(jié)(以下簡(jiǎn)稱“運(yùn)放的其他應(yīng)用”)。這一嘗試以任務(wù)為導(dǎo)向展開(kāi)教學(xué)，激發(fā)學(xué)員探索的欲望，以問(wèn)題的不斷提出和解決引導(dǎo)學(xué)員積極思考、動(dòng)手推導(dǎo)、分組討論，促使學(xué)員主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。

1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)：學(xué)員的學(xué)習(xí)活動(dòng)必須與任務(wù)或問(wèn)題相結(jié)合，以探索問(wèn)題來(lái)引導(dǎo)和維持學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)機(jī)，創(chuàng)建真實(shí)的教學(xué)環(huán)境，讓學(xué)員帶著真實(shí)的任務(wù)學(xué)習(xí)，以使學(xué)員擁有學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)[1]。

基于構(gòu)建主義的學(xué)習(xí)理論，任務(wù)驅(qū)動(dòng)法提出改變傳統(tǒng)的以傳授知識(shí)為主的教學(xué)理念，采用以完成任務(wù)、解決問(wèn)題為主的多維互動(dòng)式的教學(xué)方法，將再現(xiàn)式的教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄渴綄W(xué)習(xí)，使學(xué)員處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，自覺(jué)充實(shí)和豐富自身的知識(shí)能力，主動(dòng)構(gòu)建探究、實(shí)踐、思考、運(yùn)用、解決、高智慧的學(xué)習(xí)體系[2]。這種教學(xué)方法的根本特點(diǎn)是“以任務(wù)為主線、教員為主導(dǎo)、學(xué)員為主體”，主要包括“創(chuàng)設(shè)情景、確定任務(wù)、自主學(xué)習(xí)和效果評(píng)價(jià)”四個(gè)基本教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。

2 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

“運(yùn)放的其他應(yīng)用”一節(jié)在實(shí)際教學(xué)中通常分配的課時(shí)較少，如何在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)員對(duì)這一節(jié)內(nèi)容有較好的掌握是教員要解決的問(wèn)題。基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的理念，“運(yùn)放的其他應(yīng)用”一節(jié)教學(xué)過(guò)程可從以下四個(gè)步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情景，提出任務(wù)

首先將課本上相對(duì)獨(dú)立和分散的知識(shí)點(diǎn)融入到一個(gè)學(xué)員感興趣的實(shí)際軍事例子中去，引起學(xué)員注意，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。例如從目前艦艇中常用來(lái)調(diào)整航向的自動(dòng)舵這一軍事實(shí)例入手。艦艇在海面航向受風(fēng)浪等因素的影響，很可能偏離給定航向，而自動(dòng)舵可以對(duì)艦艇航向進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使艦艇保持在規(guī)定的航向上航向，其中最著名的就是比例——積分——微分自動(dòng)舵，簡(jiǎn)稱PID自動(dòng)舵。圖1給出了PID自動(dòng)舵結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 PID自動(dòng)舵結(jié)構(gòu)示意圖

其工作原理是：將給定航向φi與艦艇的實(shí)際航向φo作比較求差，得出偏航角φ，利用傳感器將此偏航角信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)vi送入控制系統(tǒng)中處理，得出偏舵角電信號(hào)vo。偏舵角信號(hào)經(jīng)放大送入舵機(jī)中執(zhí)行，即可使艦艇恢復(fù)航向?？刂葡到y(tǒng)的作用就是實(shí)現(xiàn)偏航角電信號(hào)vi到偏舵角電信號(hào)vo的轉(zhuǎn)換，因此本節(jié)課的任務(wù)是設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)艦艇偏航角電信號(hào)到偏舵角電信號(hào)轉(zhuǎn)換的PID控制系統(tǒng)電路。

2.2分解任務(wù)，調(diào)動(dòng)學(xué)員積極性

教員提出任務(wù)之后，為調(diào)動(dòng)學(xué)員積極性，首先帶領(lǐng)學(xué)員對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析，以降低任務(wù)的難度，充分調(diào)動(dòng)他們探索的欲望。比如在設(shè)計(jì)艦艇偏航角電信號(hào)到偏舵角電信號(hào)轉(zhuǎn)換的PID控制系統(tǒng)電路這一任務(wù)中，學(xué)員對(duì)自動(dòng)舵的相關(guān)知識(shí)并不了解，此時(shí)為提高教學(xué)的時(shí)效性，可直接為學(xué)員講解PID控制系統(tǒng)的經(jīng)典轉(zhuǎn)換過(guò)程：先將偏航角電信號(hào)vi分別經(jīng)過(guò)比例、積分以及微分運(yùn)算，然后將三種運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行求和得出相應(yīng)的舵角信號(hào)，再將此舵角信號(hào)與實(shí)際舵角信號(hào)進(jìn)行求差，即可得出偏舵角電信號(hào)vo。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中包含比例、積分、微分、求和以及求差五種運(yùn)算，所以本節(jié)課的總?cè)蝿?wù)就可以分解為五個(gè)子任務(wù)，即用電路來(lái)分別實(shí)現(xiàn)這五種運(yùn)算。五個(gè)子任務(wù)的實(shí)現(xiàn)順序按照知識(shí)的由淺入深、循序漸進(jìn)的原則設(shè)置，子任務(wù)1設(shè)置為已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的比例運(yùn)算，子任務(wù)2和子任務(wù)3設(shè)置為更換一個(gè)元件即可實(shí)現(xiàn)的積分和微分運(yùn)算，子任務(wù)4和子任務(wù)5設(shè)置為需要增加輸入信號(hào)才可實(shí)現(xiàn)的求和及求差運(yùn)算。圖2為任務(wù)流程圖。

圖2 任務(wù)流程圖

2.3實(shí)現(xiàn)任務(wù)，使學(xué)員獲得成就感

任務(wù)實(shí)現(xiàn)階段要充分發(fā)揮以教員為主導(dǎo)，學(xué)員為主體的理念，最大限度調(diào)動(dòng)學(xué)員積極性，促進(jìn)教員和學(xué)員的雙邊互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)員克服畏難情緒，主動(dòng)探索，戰(zhàn)勝困難，解決問(wèn)題的精神。

子任務(wù)1：比例運(yùn)算。學(xué)員在前面課中已學(xué)過(guò)兩種基本線性運(yùn)放電路，即同相放大電路和反相放大電路。這兩種基本線性運(yùn)放電路都能夠?qū)崿F(xiàn)比例運(yùn)算，所以可先讓學(xué)員回顧這兩種電路的電路結(jié)構(gòu)、輸入輸出關(guān)系以及“虛斷”和“虛短”的分析方法，為后面任務(wù)的實(shí)現(xiàn)和分析奠定基礎(chǔ)。

許多由運(yùn)放所組成的功能電路都是在兩種基本線性電路的基礎(chǔ)上演變過(guò)來(lái)的，比例運(yùn)算可選擇工程中應(yīng)用更為廣泛的反相放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此可進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)員思考：后續(xù)幾種電路是否也可以在反相放大電路的基礎(chǔ)上得到？

子任務(wù)2：積分運(yùn)算。反相放大電路是由一個(gè)運(yùn)放和兩個(gè)電阻組成，因?yàn)殡娮璧碾妷弘娏髦g為代數(shù)關(guān)系，所以實(shí)現(xiàn)了比例運(yùn)算，圖3示出其電路圖。如果要實(shí)現(xiàn)積分或微分運(yùn)算，電路中還需要有電壓和電流之間存在微積分關(guān)系的元件，所以提出問(wèn)題，哪些元件的電壓電流之間存在微積分關(guān)系？引導(dǎo)學(xué)員思考并選擇常用的電容元件來(lái)替換反相放大電路中的一個(gè)電阻元件，不妨先來(lái)替換R2，如圖4所示，然后與學(xué)員一起分析此時(shí)電路的輸入輸出關(guān)系，分析方法仍然是“虛斷”和“虛短”。

圖3 反相比例運(yùn)算電路

圖4 積分電路

由“虛短”可知vn≈vp=0，所以

(1)

(2)

由“虛斷”可知，ip=in≈0，所以i1=i2，即

(3)

假設(shè)電容C的初始電容為0，整理可得

(4)

從表達(dá)式上可以看出，輸出電壓與輸入電壓之間為積分關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了積分運(yùn)算，負(fù)號(hào)表示輸出電壓和輸入電壓相位相反，此電路就是積分電路。

子任務(wù)3：微分運(yùn)算。在將反相放大電路中的R2換成電容C后實(shí)現(xiàn)了子任務(wù)2中的積分運(yùn)算后，教員提出問(wèn)題：如果將反相放大電路中的R1換成電容C后又會(huì)實(shí)現(xiàn)何種運(yùn)算？可讓學(xué)員自己用“虛斷”和“虛短”的分析方法分析電路的輸入輸出電壓關(guān)系，結(jié)果表明此時(shí)實(shí)現(xiàn)了微分運(yùn)算。

子任務(wù)4：求和運(yùn)算。子任務(wù)1、子任務(wù)2和子任務(wù)3都是對(duì)一路輸入信號(hào)的處理，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)員思考：要實(shí)現(xiàn)求和或求差運(yùn)算至少得是兩路信號(hào)的求和或求差，因此應(yīng)該增加一路輸入信號(hào)，不妨先在反相放大電路的反相輸入端增加一路輸入信號(hào)，如圖5所示，然后與學(xué)員一起利用“虛斷”和“虛短”的分析方法分析此時(shí)電路的輸入輸出電壓關(guān)系，結(jié)果表明此電路實(shí)現(xiàn)了求和運(yùn)算。

圖5 求和電路

由于此電路是多輸入的線性電路，所以教員可引導(dǎo)學(xué)員利用疊加定理對(duì)電路進(jìn)行分析。所謂疊加定理是指在線性電路中，當(dāng)電路中存在多個(gè)輸入共同作用時(shí)，輸出等于每個(gè)輸入單獨(dú)作用之和，也就是利用分解的思想簡(jiǎn)化電路的求解。

若vi1單獨(dú)作用，將vi2接地，電路簡(jiǎn)化為反相放大電路，則輸出電壓

(5)

若vi2單獨(dú)作用，將vi1接地，電路仍簡(jiǎn)化為反相放大電路，則輸出電壓

(6)

當(dāng)vi1、vi2共同作用時(shí)，輸出電壓就等于這兩個(gè)輸出之和

(7)

子任務(wù)5：求差運(yùn)算。在反相放大電路的反相輸入端增加一路輸入信號(hào)后實(shí)現(xiàn)了子任務(wù)4中的求和運(yùn)算，在反相放大電路的同相輸入端增加一路輸入信號(hào)又可實(shí)現(xiàn)什么運(yùn)算？此電路仍然是多輸入的線性電路，所以既可以用“虛斷”和“虛短”的方法分析，也可以用疊加定理分析。故讓學(xué)員分組分別用這兩種方法分析此時(shí)電路的輸入輸出關(guān)系，結(jié)果表明電路實(shí)現(xiàn)了求差運(yùn)算，并且通過(guò)分組分析的對(duì)比，學(xué)員很容易體會(huì)到用疊加定理分析多輸入線性電路的簡(jiǎn)便性。

2.4對(duì)任務(wù)進(jìn)行總結(jié)，鞏固知識(shí)點(diǎn)

五個(gè)子任務(wù)都實(shí)現(xiàn)之后，即可設(shè)計(jì)出總?cè)蝿?wù)要求的電路圖，而實(shí)際PID自動(dòng)舵從偏航角到偏舵角電信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路圖與學(xué)員設(shè)計(jì)的電路是否一致？此時(shí)給出實(shí)際的轉(zhuǎn)換電路圖，如圖6所示。通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，比例、積分、求和以及求差運(yùn)算的電路與任務(wù)中實(shí)現(xiàn)的電路都一致，唯獨(dú)微分電路與理論設(shè)計(jì)出來(lái)的電路略微有所不同，此部分正是理論學(xué)習(xí)與工程實(shí)際相結(jié)合之處，因此可將產(chǎn)生不同的原因作為知識(shí)擴(kuò)展內(nèi)容，留給學(xué)員課下查閱資料進(jìn)行討論，并于下次課前按小組給出討論結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)員的工程意識(shí)、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及自主學(xué)習(xí)能力。所以本節(jié)課總體上實(shí)現(xiàn)了任務(wù)要求，學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中也獲得了成就感，有助于進(jìn)一步激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。最后教員再對(duì)本節(jié)課內(nèi)容做一梳理和提煉，著重強(qiáng)調(diào)新學(xué)習(xí)的四種典型電路與兩種分析方法，加深學(xué)員對(duì)知識(shí)的理解。

圖6 PID自動(dòng)舵控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電路圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法講授“電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬電路”課程中“運(yùn)放的其它應(yīng)用”一節(jié)的教學(xué)效果，通過(guò)設(shè)問(wèn)引導(dǎo)探究，充分激發(fā)和調(diào)動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)員分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和自己動(dòng)腦、動(dòng)口、動(dòng)手去主動(dòng)獲取知識(shí)的能力[4]。通過(guò)師生互動(dòng)、研討教學(xué)，學(xué)員在獲得知識(shí)的同時(shí)，受到方法論和邏輯思維的訓(xùn)練，培養(yǎng)自身知識(shí)遷移、分析與解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力。在課堂之外，教員布置一些擴(kuò)展性的學(xué)習(xí)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)員查閱資料、收集處理信息、自主學(xué)習(xí)的能力以及科學(xué)探索的精神。課堂實(shí)施效果表明，學(xué)員對(duì)這種形式的教學(xué)方法很感興趣，課堂參與度很高，探索欲望強(qiáng)烈，對(duì)知識(shí)的理解和掌握更加深入。

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TheApplicationofTask-DrivingMethodinTeachingOperationalAmplifier

LILing,GUOJiao,ZHOUBo,SONGYang

(DepartmentofBasics,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In this paper the task-driving teaching method is adopted to string tgether other operations of operational amplifier as integral, differential, sum, difference, etc. through some military examples, and set it into a specific task, then divide the task into hierachical subtasks. In the teaching process, start learning around each subtask′s putting forward and solving, and inspect and summarize the learning process by the complete results of subtasks. Teaching practice has showed that this method helps to fully mobilize the enthusiasm of students to learn.

task-driving method; operational amplifier; subtasks

2016-10-12;

2017-01-11

2016年度海軍大連艦艇學(xué)院基礎(chǔ)部預(yù)研項(xiàng)目課題；2016年度海軍大連艦艇學(xué)院教育科研課題

李 玲(1990-)，女，碩士，助教，主要從事電工電子技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作，E-mail: liling_1990@sina.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)05-0089-04