“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程改革的探索

王 波， 王美玲， 劉 偉， 金 英

(北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院， 北京 100081)

0 引言

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”是電氣類、自動化類、信息類等相關(guān)專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課之一，具有很強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性[1,2]。該課程教學(xué)質(zhì)量的高低、教學(xué)效果的好壞直接關(guān)系到學(xué)生后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的主要問題有[3-5]：

第一，教學(xué)內(nèi)容相對陳舊，知識點(diǎn)更新緩慢；

第二，教學(xué)理念落后，教師上課時全堂灌輸授課內(nèi)容，教學(xué)過程中學(xué)生參與率低，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力較差，缺乏思考；

第三，理論脫離實(shí)際，缺乏實(shí)踐應(yīng)用背景，學(xué)生缺乏足夠的學(xué)習(xí)興趣和動力；

第四，單一的期末閉卷考試形式使很多學(xué)生通過在考前死記硬背書本知識來應(yīng)對，而靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力差。

1 教學(xué)內(nèi)容的改革

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的知識結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 優(yōu)化和整合傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容

(1)在強(qiáng)調(diào)基本概念、基本原理和基本方法的前提下，突出“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的工程性和實(shí)踐性。在“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中，學(xué)生要學(xué)

圖1 “模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”知識結(jié)構(gòu)框圖

會從工程的角度思考和處理問題，學(xué)會使用合理近似的方法。實(shí)用的模擬電子電路幾乎都要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，注重實(shí)驗(yàn)本身就是工程思維的重要特征。在教學(xué)過程中結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例(例如非理想集成運(yùn)放等)突出實(shí)踐性。

(2)突出“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容的一條主線——各種基本放大電路的組成原則，分析方法和性能特點(diǎn)，將原來位置相對滯后且略顯孤立的功率放大電路的內(nèi)容向前調(diào)整到多級放大電路和集成運(yùn)算放大電路之后[6]。使學(xué)生不僅能掌握各種基本放大電路的性能特點(diǎn)，而且要搞清楚為什么會有這些差別和特點(diǎn)，以便學(xué)生適當(dāng)選擇各種基本放大電路，組成需要的電子電路和系統(tǒng)。

(3)將難點(diǎn)內(nèi)容分散化。例如將各種半導(dǎo)體器件的內(nèi)容加以分散，改為每一種半導(dǎo)體器件與其對應(yīng)的放大電路放在一起講述。將工程上合理近似的思想反復(fù)強(qiáng)調(diào)，強(qiáng)調(diào)二極管的模型、三極管的模型、場效應(yīng)管的模型、晶體管放大電路的等效模型、單管放大電路的頻率響應(yīng)等效模型等各種等效模型的成立條件，增強(qiáng)學(xué)生的工程思維能力。

1.2 引入新教學(xué)內(nèi)容

PSOC(Programmable System on Chip)器件是一種可系統(tǒng)編程的片上系統(tǒng)，它將一個8位微控制器與可編程數(shù)字陣列和模擬陣列集成在一個芯片上，也稱為可配置型混合信號陣列[7]。利用這種器件能夠完全自由、靈活地設(shè)計出集模擬電路、數(shù)字電路與微處理器于一身的電子系統(tǒng)，而不再需要復(fù)雜的外圍電路[8]。將PSOC的內(nèi)容引入到“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”的課堂教學(xué)中，使學(xué)生盡早接觸電子技術(shù)的前沿知識，拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野。

1.3 適當(dāng)增加教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向的不同，對電子技術(shù)能力要求的不同，側(cè)重面的不同，適當(dāng)增刪教學(xué)內(nèi)容，做到“按需施教”[9]。

1)晶體管

針對電氣專業(yè)的特點(diǎn)，為做好電子技術(shù)與電力電子技術(shù)之間的銜接，適當(dāng)增加場效應(yīng)管的課時，通過比較，讓學(xué)生了解到兩門技術(shù)中場效應(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(Field-Effect Transistor)，又稱場效應(yīng)晶體管，一般為小功率管；電力技術(shù)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(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)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。

2)濾波電路

在工程實(shí)際應(yīng)用中，濾波電路在信號處理等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?！澳M電子技術(shù)基礎(chǔ)”在集成運(yùn)放的線性應(yīng)用中重點(diǎn)介紹了有源濾波電路。授課時發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對RC無源濾波電路所知甚少。因此在課程教學(xué)過程中，一方面在放大電路頻率響應(yīng)部分加強(qiáng)無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。

2 教學(xué)方法和手段的改進(jìn)

課堂教學(xué)是整個“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)工作的中心環(huán)節(jié)，課堂教學(xué)的成功與否與教師組織教學(xué)能力的好壞，與教師的授課方法有著密切的關(guān)系。教學(xué)方法的改革要充分體現(xiàn)“以學(xué)生為本”的教學(xué)理念和思想。教學(xué)方法需以學(xué)生為主體，調(diào)動學(xué)生的參與性與積極性，師生協(xié)同，營造活躍的課堂氛圍，應(yīng)使學(xué)生的理論學(xué)習(xí)聯(lián)系實(shí)際問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，能夠創(chuàng)造性地解決問題[10]。

2.1 調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

結(jié)合“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程工程性、實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，在課堂教學(xué)中結(jié)合具體的工程實(shí)例來講解所學(xué)的理論知識的應(yīng)用背景，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。例如針對物理學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)對電路等相關(guān)知識缺乏，進(jìn)而對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程不夠重視的實(shí)際情況，在講到晶體管時，就特別強(qiáng)調(diào)肖克利、巴丁、布拉坦三位物理學(xué)家共同發(fā)明晶體管，晶體管的發(fā)明奠定了模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)，并獲得1956年度的諾貝爾物理學(xué)獎，應(yīng)用物理專業(yè)與模擬電子技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。

在授課的過程中，改變以往由教師將上課內(nèi)容“全堂灌輸”給學(xué)生的被動學(xué)習(xí)模式，采用傳授知識與問題導(dǎo)向相結(jié)合的教學(xué)方式，適當(dāng)采用啟發(fā)式、參與式、討論式等多種交互式方法，鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和討論問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一些深層次的思考和探索，以期達(dá)到主動探索式的學(xué)習(xí)模式。例如在三相橋式整流電路中，引導(dǎo)學(xué)生對使用的二極管分別出現(xiàn)短路、斷路、反接三種情況的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 板書與多媒體相結(jié)合

板書教學(xué)方式能夠最大限度的幫助學(xué)生集中注意力，跟隨教師的思路和邏輯，實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的雙向交流反饋，有助于學(xué)生對知識的整體學(xué)習(xí)和把握。多媒體教學(xué)手段的優(yōu)勢則是靈活、生動和直觀，能夠利用大量視聽信息、高科技手段給學(xué)生帶來思維沖擊，調(diào)動學(xué)生探索和了解知識的興趣。例如，使用多媒體資源講解晶體管處于放大狀態(tài)時結(jié)構(gòu)內(nèi)部的載流子運(yùn)動和分配，從而形成各極電流的過程，幫助學(xué)生直觀感受，增強(qiáng)生動性。教師針對每堂課所要講授的內(nèi)容做詳盡細(xì)致的設(shè)計，使課件內(nèi)容精良，適當(dāng)板書，并配合生動精準(zhǔn)的多媒體分析講解，做到授課內(nèi)容與教學(xué)案例設(shè)計渾然一體，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

2.3 EDA工具的合理使用

電子設(shè)計自動化EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)是現(xiàn)代電子技術(shù)的標(biāo)志，將EDA工具的使用貫穿整個“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的始終。例如，為了讓學(xué)生更好地理解放大電路的頻率響應(yīng)，利用Multisim仿真軟件對兩極放大電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行教學(xué)，其仿真電路如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。由仿真結(jié)果可以看出，改變輸入信號的頻率，不僅使輸出信號的幅值發(fā)生了變化，也使輸出信號的相位發(fā)生了變化，這樣就可以使學(xué)生很容易接受放大電路的頻率響應(yīng)的概念，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.4 合理組織習(xí)題課

安排一定數(shù)量的習(xí)題課來督促和鞏固學(xué)生在平時的學(xué)習(xí)很有必要。在習(xí)題課上，習(xí)題一般沒有固定的答案，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，鼓勵學(xué)生進(jìn)行發(fā)散式的思維，習(xí)題課上的題目多來自課后習(xí)題中比較典型的題目，教師根據(jù)學(xué)生上交的完成作業(yè)情況，有針對性的讓不同的同學(xué)上臺講解自己的設(shè)計思路，然后由教師進(jìn)行總結(jié)，強(qiáng)調(diào)各種不同方案中所用到的相關(guān)的知識點(diǎn)，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和掌握。例如，RC正弦波發(fā)生電路中，讓學(xué)生分析當(dāng)不同電阻分別處于短路和斷路時，電路輸出將產(chǎn)生什么狀態(tài)。

圖2 利用Multisim對兩極放大電路的頻率響應(yīng)進(jìn)行仿真

(a) 低頻

(b) 高頻圖3 兩級放大電路的頻率響應(yīng)

3 配套實(shí)踐環(huán)節(jié)的體系建設(shè)

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程是一門對實(shí)踐環(huán)節(jié)要求很高的課程，必須通過實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計等實(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。為了更好的調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力，我們建立了完整的“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的實(shí)踐教學(xué)體系，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的實(shí)踐教學(xué)體系

4 完善考核機(jī)制

為了克服以往學(xué)生死記硬背書本知識的弊端，我們對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的期末考試采用了半開卷形式。試題重點(diǎn)放在考核學(xué)生對所學(xué)知識的掌握水平和靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力上。為了更好地把握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，考試結(jié)束后要對學(xué)生的成績進(jìn)行綜合統(tǒng)計和整理，以便教師能針對學(xué)生的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行相關(guān)方面的持續(xù)改進(jìn)。例如，表1給出了2015-2016學(xué)年第1學(xué)期物理學(xué)院應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)2013級66名學(xué)生“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”期末考試卷面成績中每道題目的平均分和得分率情況。從表1可以看出，試題第五題的得分率只有42%，說明學(xué)生對于該題涉及的負(fù)反饋知識掌握不夠深入，今后的教學(xué)過程中在這方面需要改進(jìn)。

表1 卷面成績中每道題目的得分統(tǒng)計表

5 結(jié)語

我?！澳M電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的教學(xué)改革經(jīng)過近幾年的實(shí)踐，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯提高，模擬電路的綜合設(shè)計能力也比往屆有所提高，在近幾年我校參加的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽以及其他各種全國性大賽中均取得了較好的成績。目前，為了適應(yīng)未來工程專業(yè)人才培養(yǎng)的質(zhì)量需要，深化人才培養(yǎng)模式和專業(yè)課程教學(xué)改革，我校電子學(xué)教研室正在進(jìn)行廣泛的調(diào)研和研討，進(jìn)行“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)大綱的修訂工作，以期能夠在更好的培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的同時，更好的為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)服務(wù)。

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