“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐*

陳 靜 史雪飛

（北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083）

“模擬電子技術(shù)”課程是高等院校電氣、信息 類專業(yè)知識(shí)平臺(tái)的核心課程。 課程具有非線性、復(fù)雜性和工程性等特點(diǎn)，是一門理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的基礎(chǔ)課程。 通過(guò)對(duì)“模擬電子技術(shù)”課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解模擬電子技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展概況，獲得適應(yīng)信息時(shí)代電子技術(shù)的基本理論、基本知識(shí)、基本分析方法和基本設(shè)計(jì)技能。 課程教學(xué)目的就是培養(yǎng)學(xué)生初步的工程實(shí)踐觀念、綜合應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力以及電子電路計(jì)算機(jī)分析、設(shè)計(jì)能力，為今后深入學(xué)習(xí)和從事電子技術(shù)的相關(guān)工作奠定基礎(chǔ)。

“模擬電子技術(shù)”一直以來(lái)都是在教與學(xué)兩方面比較難的課程。 一是課程難度大，內(nèi)容多，涉及的知識(shí)面廣，這就對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生影響，容易使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒；二是學(xué)生對(duì)前后課程所學(xué)知識(shí)的相關(guān)性和聯(lián)系度不明確，不能做到知識(shí)的銜接貫通；三是理論教學(xué)與實(shí)際操作之間存在脫節(jié)，降低了課程教學(xué)的有效性。

本文針對(duì)“模擬電子技術(shù)”課程的教學(xué)目的和教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從深化課程內(nèi)容、重視課程銜接、豐富授課過(guò)程、搭建隨課實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等方面，進(jìn)行了教學(xué)改革和實(shí)踐，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握本課程知識(shí)、應(yīng)用理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題、訓(xùn)練科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力。

一、深化課程內(nèi)容，融合實(shí)踐模式

“模擬電子技術(shù)”課程具有自身的體系，它在本科階段各專業(yè)知識(shí)體系的構(gòu)建和專業(yè)技術(shù)能力的培養(yǎng)中有著至關(guān)重要的地位（見(jiàn)圖1）。 其在本科學(xué)習(xí)中起到“承上啟下”的作用，是進(jìn)行后續(xù)數(shù)字電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、嵌入式控制系統(tǒng)等專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，直接影響著后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。

圖1 主要課程執(zhí)行計(jì)劃架構(gòu)圖

“模擬電子技術(shù)”課程需要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生獲得電子技術(shù)方面的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，具有較強(qiáng)的工程性和實(shí)踐性。 我們將課程內(nèi)容以問(wèn)題為導(dǎo)向，提煉為三大主線［1］。第一條主線是辨別和使用電子器件，提出“常用電子器件有哪些？ 具有怎樣的工作特性？”的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)掌握這些器件的外特性；第二條主線是分立元件構(gòu)成的基本放大電路，提出“基本放大電路有哪些類型？ 如何分析計(jì)算？”的問(wèn)題，使學(xué)生在理解放大的基本概念的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)掌握基本放大電路的構(gòu)成原則、基本分析方法及功能；第三條主線是集成運(yùn)放各種應(yīng)用電路，提出“集成運(yùn)放的應(yīng)用電路有哪些？ 如何分析與應(yīng)用？”的問(wèn)題，讓學(xué)生從實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，重點(diǎn)掌握集成運(yùn)放應(yīng)用電路的分析方法，以及根據(jù)需求有一定的設(shè)計(jì)電路的能力。 在教學(xué)過(guò)程中提出問(wèn)題，要求學(xué)生在課程知識(shí)基礎(chǔ)上分析和解決問(wèn)題，能夠培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和運(yùn)用現(xiàn)代電子技術(shù)的技能。

在課程內(nèi)容體系方面，更加注重理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的融合，在保證經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上重點(diǎn)講授集成運(yùn)放組成的各種信號(hào)運(yùn)算、信號(hào)處理和信號(hào)產(chǎn)生電路，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)級(jí)的分析與設(shè)計(jì)能力［2］，即加強(qiáng)集成運(yùn)放應(yīng)用電路相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)與研究。 實(shí)踐教學(xué)重點(diǎn)引入研究型和設(shè)計(jì)型的實(shí)踐環(huán)節(jié)。 理論教學(xué)知識(shí)與實(shí)踐教學(xué)知識(shí)相互銜接、相互融合，有利于提高課程教學(xué)的效果。 同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容還增加了反映新技術(shù)、新方法、緊密聯(lián)系快速發(fā)展的電子技術(shù)方面的介紹。

二、重視課程銜接，強(qiáng)調(diào)知識(shí)應(yīng)用

課程銜接是課程組織的一部分，也就是要連接相關(guān)的課程內(nèi)容或?qū)W習(xí)經(jīng)驗(yàn)，以達(dá)到更好地教學(xué)效果。 “模擬電子技術(shù)”課程內(nèi)容與其要求學(xué)生先修課程“電路分析基礎(chǔ)”是有緊密聯(lián)系的（見(jiàn)圖2）。 學(xué)生通過(guò)“電路分析基礎(chǔ)”課程的學(xué)習(xí)，已熟悉了電阻、電容和電感元件，它們都是基本無(wú)源二端元件，這些元件（特別是電容和電感）用途廣泛，在模擬電子技術(shù)中起著重要的作用［3］。 所以在教學(xué)過(guò)程中，還需要注意引導(dǎo)學(xué)生將兩門課程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)新知識(shí)，如運(yùn)用電路分析中的基本定理、模型和分析方法等（例如等效電路法、疊加原理、戴維南定理、二端口網(wǎng)絡(luò)、正弦交流電路的求解方法等）來(lái)分析和設(shè)計(jì)各種模擬電路［4］。

圖2 電路分析基礎(chǔ)與模擬電子技術(shù)的知識(shí)銜接關(guān)系

因?yàn)椤澳M電子技術(shù)”課程中接觸到的器件具有非線性的特性，所以分析思路和方法要由原來(lái)的線性思維向非線性思維轉(zhuǎn)換，分析和計(jì)算的電路也由線性電路要向非線性電路過(guò)渡。 相比線性電路的分析，非線性電路的分析更復(fù)雜。 在“模擬電子技術(shù)”課程中，需學(xué)會(huì)從工程的角度思考和處理問(wèn)題，即實(shí)際工程在滿足基本性能指標(biāo)的前提下總是容許存在一定的誤差范圍的，在電子電路的定量分析中也容許存在一定的誤差范圍，因而稱這種計(jì)算為“估算”［5］。 所以分析含有二極管、晶體三極管（以下簡(jiǎn)稱“晶體管”）等這類非線性電路的方法，我們的思路就是根據(jù)實(shí)際情況，在誤差允許的范圍內(nèi)對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和工作條件進(jìn)行合理地近似，也就是在一定條件下將特性線性化，即用線性電路來(lái)描述其非線性特性，建立線性模型（見(jiàn)圖3），然后就可以應(yīng)用“電路分析基礎(chǔ)”課程中學(xué)過(guò)的線性電路的分析方法來(lái)分析二極管或晶體管電路，從而用簡(jiǎn)便的方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果［6］。 同時(shí)，還要注意強(qiáng)調(diào)在用這樣的思路解決問(wèn)題的過(guò)程中，近似分析一定要合理，近似后得到的結(jié)果要在允許的誤差范圍內(nèi)，即一定要注意所選用等效模型的成立條件，只有實(shí)際問(wèn)題符合該等效模型的條件，才能使用該等效模型來(lái)分析和解決問(wèn)題。

圖3 晶體管直流等效模型和交流等效模型

三、豐富授課過(guò)程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

在模擬電路的教學(xué)過(guò)程中，首先要學(xué)習(xí)辨別和使用電子器件。 二極管、晶體管是模擬電子技術(shù)中兩個(gè)基本的器件，一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)二極管、晶體管時(shí)就開(kāi)始發(fā)暈，主要原因是對(duì)模擬電路的器件特性理解不夠。

在授課過(guò)程中，我們選取典型的應(yīng)用電路實(shí)例，分析組成這個(gè)應(yīng)用電路的電路器件如二極管、晶體管和集成運(yùn)放的特性及作用，從而拉近理論與實(shí)際的距離。 比如晶體管是一個(gè)電子電路中最為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件之一，也是學(xué)習(xí)“模擬電子技術(shù)”課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，所以在介紹晶體管的特性及作用時(shí)，先通過(guò)引入“肌電信號(hào)的放大”實(shí)例和耳機(jī)放大器的電路［7］，讓學(xué)生先了解晶體管的一個(gè)典型應(yīng)用就是構(gòu)成放大電路，而在生活、生產(chǎn)許多應(yīng)用中都離不開(kāi)放大電路。 并且列舉出在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以用由晶體管構(gòu)成的各種放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的功能，比如可以放大電壓（肌電信號(hào)的放大和耳機(jī)放大器）、放大電流（小電流控制大電流）或放大功率（音頻功率的放大），從而引起學(xué)生想繼續(xù)探究晶體管的特性以及放大電路工作原理的興趣。

此外，還可以采用類比的方法幫助學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解。 比如在介紹晶體管的電流放大作用時(shí)，將晶體管比喻成一個(gè)水槽，它的三個(gè)極可以分別看作閥門、水箱和出水口，通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉閥門控制水箱水流的過(guò)程，就形象地比喻了晶體管小電流控制大電流的電流放大作用了。

四、搭建隨課實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，貫通理論與實(shí)踐

“模擬電子技術(shù)”課程具有實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，而學(xué)生實(shí)踐能力的提高主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)［8］。 然而，“模擬電子技術(shù)”課程實(shí)驗(yàn)開(kāi)課班級(jí)較多，實(shí)驗(yàn)室需要循環(huán)多次使用，這樣，課程實(shí)驗(yàn)室很難做到開(kāi)放，設(shè)備也無(wú)法外借，學(xué)生無(wú)法在課下進(jìn)行更多的實(shí)踐和創(chuàng)新訓(xùn)練［9］。

近年來(lái)，為了讓學(xué)生能有更多的鍛煉機(jī)會(huì)，能讓學(xué)生擁有自己的一個(gè)便攜式硬軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以便他們可以隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，口袋實(shí)驗(yàn)室逐漸走進(jìn)高校。 口袋實(shí)驗(yàn)室是裝在口袋里的“實(shí)驗(yàn)室”，具有體積小、價(jià)格低、攜帶方便、功能豐富等優(yōu)點(diǎn)［10］。 我們采用口袋實(shí)驗(yàn)套件搭建口袋實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)用口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了“模電小組合作學(xué)習(xí)”的教學(xué)計(jì)劃（見(jiàn)圖4）。 首先選擇課程中重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)相應(yīng)的典型應(yīng)用實(shí)例作為實(shí)驗(yàn)選題，例如對(duì)于難以理解的放大電路的頻率響應(yīng)內(nèi)容，學(xué)生可以通過(guò)自行搭建實(shí)驗(yàn)電路來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅可以直觀地看到頻率響應(yīng)特性曲線（見(jiàn)圖5（a）），而且可以改變頻率參數(shù)直接看到頻率對(duì)輸出波形幅值和相位的影響（見(jiàn)圖5（b）），這樣先讓學(xué)生有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，然后在課堂上就更容易理解理論知識(shí)。 然后，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，還增加了拓展課題供學(xué)生自主發(fā)揮。 此外，還有一個(gè)重要步驟的訓(xùn)練，就是進(jìn)入安裝調(diào)試的階段，完成設(shè)計(jì)電路的接線之后，要使電路達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還必須對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，如調(diào)節(jié)電位器，并保證調(diào)節(jié)過(guò)程中波形不能出現(xiàn)失真等。 總之，從選題確定、電路設(shè)計(jì)、電子器件選型、搭建實(shí)物電路、調(diào)試、改進(jìn)、完善等各個(gè)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力及創(chuàng)新精神。

圖4 “模擬電子技術(shù)”口袋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用

圖5 放大電路頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)舉例

我們將過(guò)程控制的思想引入評(píng)價(jià)體系，建立了相應(yīng)的考核評(píng)價(jià)方式。 學(xué)生在提交探究實(shí)驗(yàn)和實(shí)例設(shè)計(jì)的實(shí)踐成果時(shí)，考核方式有兩種：一種是基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生以視頻文件形式上傳，并且將口袋實(shí)驗(yàn)設(shè)備號(hào)作為第一畫面，保證了學(xué)生隨課實(shí)驗(yàn)的不可復(fù)制，以及教師驗(yàn)收考核的可操作性；另一種是應(yīng)用實(shí)例實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用口試＋現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收方式，要求學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)展示實(shí)驗(yàn)成果，并隨機(jī)抽取問(wèn)題回答。 這種操作性較強(qiáng)的考核評(píng)價(jià)方式，既保證了合作學(xué)習(xí)的效果，又能合理地安排教師驗(yàn)收的工作量。

我們已經(jīng)在測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的課堂開(kāi)展了本項(xiàng)活動(dòng)，取得了良好的教學(xué)實(shí)踐效果和成果，不僅充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生加深了對(duì)課程理論知識(shí)的理解，而且提高了學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。 今后我們將會(huì)繼續(xù)在自動(dòng)化專業(yè)及智能科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)過(guò)程中全面開(kāi)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

“模擬電子技術(shù)”課程工程性和實(shí)踐性強(qiáng)，電路千變?nèi)f化，不同于前面課程的思維方式，入門難，而且新知識(shí)點(diǎn)多、內(nèi)容多、涉及面廣。 本文針對(duì)課程的教學(xué)目的，在深入挖掘課程內(nèi)容（以問(wèn)題為導(dǎo)向提煉課程主線）、重視課程知識(shí)銜接（加強(qiáng)知識(shí)的融會(huì)貫通和應(yīng)用）、豐富授課過(guò)程（激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣）、搭建隨課實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（加強(qiáng)理論與實(shí)踐的良好對(duì)接）等方面進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐，同時(shí)應(yīng)用視頻文件、現(xiàn)場(chǎng)口試驗(yàn)收、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等方式實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模學(xué)生人數(shù)的考核與驗(yàn)收。教學(xué)實(shí)踐表明：（1）教學(xué)內(nèi)容以問(wèn)題為導(dǎo)向的深入挖掘，以及前后知識(shí)的銜接，使學(xué)生掌握課程的精髓并逐步培養(yǎng)學(xué)生高級(jí)思維的能力；（2）通過(guò)課堂引入應(yīng)用實(shí)例和隨課實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，有效調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)的理解和領(lǐng)悟。 同時(shí)通過(guò)學(xué)生及實(shí)驗(yàn)課授課教師的反饋，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力也取得了很大的進(jìn)步。 并且小組成員之間的協(xié)作意識(shí)、溝通能力以及撰寫研究報(bào)告能力等方面也得到了提高；（3）重視過(guò)程學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)考核方式，激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考，從而起到學(xué)生自身能力的培養(yǎng)作用。