虛實(shí)結(jié)合的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革探索

戴 偉 吳曉新 陳 峰 劉 明

南通大學(xué) 江蘇南通 226019

模擬電子技術(shù)作為工科電類專業(yè)的核心課程，主要研究各類放大電路的特性，而靜態(tài)工作點(diǎn)(Q點(diǎn))是否穩(wěn)定是關(guān)系到放大電路能否正常放大的前提，通常列入教學(xué)的核心內(nèi)容[1]；“BJT放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題”作為經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，因內(nèi)容相對抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍反映難以深刻理解。教學(xué)實(shí)踐表明，單純靠理論講解難以達(dá)到理想的教學(xué)效果，但如果對教材內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)編排，采用問題鏈?zhǔn)浇虒W(xué)方法，并結(jié)合“虛實(shí)結(jié)合”的動態(tài)演示，則可以引導(dǎo)學(xué)生逐步深入理解知識點(diǎn)，有利于學(xué)生理論知識與動手能力相融合，提高學(xué)生參與感，為后續(xù)電力電子技術(shù)等專業(yè)課程的學(xué)習(xí)乃至日后任職需要奠定堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在講授“BJT放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題”知識點(diǎn)前，考慮到學(xué)生已經(jīng)掌握了放大電路的靜、動態(tài)分析方法，若仍把教學(xué)偏重于對分壓偏置放大電路的靜、動態(tài)分析上，會導(dǎo)致內(nèi)容的重復(fù)枯燥，影響學(xué)習(xí)興趣。因此把授課定位在理清知識脈絡(luò)，利用實(shí)證手段與理論分析相結(jié)合的方式進(jìn)行知識點(diǎn)的講解。通過“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗演示培養(yǎng)學(xué)生觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題的能力[2,3]；并引導(dǎo)挖掘現(xiàn)象背后的客觀規(guī)律，從而提高學(xué)習(xí)者分析、解決問題的能力。

1 教法與學(xué)法總體設(shè)計目標(biāo)

在本知識點(diǎn)教學(xué)中，目標(biāo)是希望學(xué)生通過課程學(xué)習(xí)能夠?qū)τ绊戩o態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的因素以及穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的措施有深入的理解；學(xué)會將理論分析與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合；進(jìn)而增強(qiáng)其觀察實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)模電知識、模電與技術(shù)聯(lián)系的興趣[4,5]。

1.1 教法設(shè)計

照本宣科式的組織教學(xué)只能讓學(xué)生生硬地學(xué)習(xí)課本上的知識，卻起不到開拓學(xué)生視野、鍛煉學(xué)生能力、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的目的。因此，在課程的教學(xué)方法上通過實(shí)例引入、啟發(fā)漸進(jìn)、對比探究、點(diǎn)面結(jié)合促進(jìn)學(xué)生對知識點(diǎn)的認(rèn)識、理解、記憶和掌握。

1.1.1 注重前后序課程的銜接 以問題作驅(qū)動

前期的知識儲備是后續(xù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。課堂教學(xué)中采用提問回顧電路中與工作點(diǎn)相關(guān)的分析方法，既可以為本次課程學(xué)習(xí)內(nèi)容埋下伏筆，也可以了解學(xué)生對已學(xué)習(xí)知識的掌握程度。在教學(xué)中，利用問題驅(qū)動使學(xué)生關(guān)注實(shí)驗現(xiàn)象、總結(jié)實(shí)驗過程，可以將學(xué)生的思路引導(dǎo)到關(guān)注工作點(diǎn)的變化上來，并提升自己的研究能力。

1.1.2 實(shí)證與理論分析結(jié)合

在教學(xué)中，虛實(shí)手段結(jié)合，層層遞進(jìn)。首先，利用虛擬仿真實(shí)驗引入工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題，樹立直觀的印象；其次，教師利用多媒體演示，通過問題驅(qū)動方式引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析電路特性，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)得出結(jié)論，讓學(xué)生參與知識的獲取過程。得出結(jié)論后再次通過實(shí)物電路來驗證結(jié)論，鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。

1.2 學(xué)法引導(dǎo)

利用教學(xué)過程進(jìn)行學(xué)習(xí)方法的滲透。教學(xué)過程中分析問題時，注意抓住工作點(diǎn)穩(wěn)定的本質(zhì)，比較不同結(jié)構(gòu)電路對工作點(diǎn)穩(wěn)定帶來的影響，注意總結(jié)規(guī)律，舉一反三，促進(jìn)學(xué)生掌握學(xué)習(xí)放大電路的有效方法，培養(yǎng)其自學(xué)能力使其今后能夠有效快速地學(xué)習(xí)其他的模擬電路。

2 基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗教學(xué)過程設(shè)計

2.1 提問式復(fù)習(xí)鋪墊問題

在引入新的知識點(diǎn)前，教師通過提問方式幫助學(xué)生回顧基本放大電路知識點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)歸納。該電路優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)簡單，只要電源和基極固定、偏置電阻確定，基極電流也就確定，對應(yīng)工作點(diǎn)大小也就確定；其缺點(diǎn)集中在電路本身不具備自動調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的能力，Q點(diǎn)極易受溫度或放大原件更換等因素的影響。從而引出工作點(diǎn)穩(wěn)定問題：工程實(shí)踐中使用的放大電路必須能夠自動地實(shí)現(xiàn)Q點(diǎn)的穩(wěn)定，以保證盡可能大的輸出動態(tài)范圍和避免非線性失真。

2.2 “虛實(shí)結(jié)合”的新課講授

在教學(xué)中，教師通過虛實(shí)結(jié)合的手段以問題作為引導(dǎo)可以驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)。

2.2.1 構(gòu)建仿真演示

采用美國NI公司的電路仿真工具M(jìn)ultisim 10，教師可在計算機(jī)中直接構(gòu)建出共射極基本放大仿真實(shí)驗電路(如圖1所示)，通過其提供的分析工具演示溫度變化對于工作點(diǎn)的影響。

圖1 共射極基本放大仿真電路

該電路采用+12 V直流電壓供電，以2N222A作為放大元件。在其當(dāng)前工作點(diǎn)下，輸入10 mV頻率為1 KHz的正弦信號，可以獲得如圖2所示輸出波形。從中可以看到電路輸出無失真現(xiàn)象，且利用輸入輸出波形的幅度可以計算得到放大倍數(shù)約為146倍。對于以上這些參數(shù)的獲得，教師可以通過對學(xué)生的提問實(shí)現(xiàn)，不僅可以鞏固關(guān)于電路參數(shù)的一些基本概念，同時還可以強(qiáng)調(diào)其輸入、輸出之間反相的特性。

圖2 共射極基本放大仿真電路無失真放大波形

利用Multisim的溫度掃描分析模塊，教師可以演示上述電路當(dāng)前靜態(tài)工作狀態(tài)下，其工作溫度從10 ℃到100 ℃(以每10 ℃為間隔)變化這一過程中其集電極直流電位的變動情況，進(jìn)而可以確定集電極電流的大小。

圖3 共射極基本放大仿真電路溫度掃描圖

2.2.2 問題引導(dǎo)思考

教師針對上面的演示結(jié)果，采用提問方式驅(qū)動學(xué)生關(guān)注相關(guān)的實(shí)驗現(xiàn)象：隨著溫度的升高，輸出端的電位從4.8 V逐步下降到2.3 V，這意味著集電極的電流從3.6 mA上升到了4.85 mA，波動達(dá)到了50%以上，同時各個溫度間隔之間的變化梯度也是逐步變小的。此時，引導(dǎo)學(xué)生獲得結(jié)論：電路的工作點(diǎn)會隨著溫度上升產(chǎn)生上移現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上，教師拓展出新的問題“除了溫度外，還有哪些情況可以引起工作點(diǎn)的變化？”通過問題引導(dǎo)學(xué)生思考，得出除了溫度變化，電源電壓波動、元件參數(shù)改變都有可能引起工作點(diǎn)的變動的結(jié)論。同時，教師也可以將這些變化情況對于電路工作點(diǎn)的具體影響情況作為探究式學(xué)習(xí)的內(nèi)容布置給學(xué)生進(jìn)行課外學(xué)習(xí)，加深對其理解[6]。

2.2.3 引入基極分壓式射極偏置電路

在共射極基本放大電路基礎(chǔ)上，教師利用課件以動畫形式補(bǔ)充基極分壓偏置結(jié)構(gòu)，改畫出分壓式偏置放大原理電路圖，引導(dǎo)學(xué)生觀察比較固定偏置和分壓式偏置放大電路的電路異同，并結(jié)合問題“添加的結(jié)構(gòu)作用是什么？”對電路進(jìn)行進(jìn)一步分析。

此時，教師要求學(xué)生結(jié)合估算法自行對電路進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)分析，并邀請同學(xué)到黑板上展示分析結(jié)果。結(jié)合其分析過程，教師順勢引出電路分析中的重要結(jié)論：要使基極電位保持基本不變需要滿足基極電流遠(yuǎn)小于分壓結(jié)構(gòu)中的電流這一前提；分壓偏置結(jié)構(gòu)中的電阻大小不能夠隨便設(shè)定，受到電流大小約束；發(fā)射極電阻構(gòu)成了負(fù)反饋通道，本質(zhì)上是采樣集電極電流的變化，利用歐姆定律轉(zhuǎn)換為電壓變化，通過負(fù)反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，因此在電路中也是不可或缺的。通過上述分析，學(xué)生自然而然就可以獲得前面問題的答案。

在整個過程中，教師通過觀察學(xué)生在分析環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，了解學(xué)生知識點(diǎn)的實(shí)際掌握程度，為把握教學(xué)進(jìn)度提供依據(jù)。引入的“反饋控制”概念為其后《電子電路的反饋》章節(jié)的教學(xué)也做好了知識鋪墊。

2.2.4 “虛實(shí)結(jié)合”比較驗證

在Multisim軟件環(huán)境中，教師同樣構(gòu)建出基極分壓式射極偏置放大仿真電路，并進(jìn)行溫度變化分析，如圖4所示。

圖4 分壓式射極偏置放大仿真電路

利用溫度掃描分析模塊設(shè)置溫度變化范圍(從10 ℃到100 ℃變化，每10 ℃一個間隔)，觀察電路工作點(diǎn)隨溫度的變化情況。從仿真結(jié)果(如圖5所示)可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度從低到高，該電路輸出電位從7.45 V下降到7.1 V，變化幅度比較小。集電極電流相應(yīng)也從2.275 mA上升到2.45 mA，波動幅度從50%下降為4.6%，各溫度間隔之間的變化梯度基本一致。提問學(xué)生比較前后變化，得到結(jié)論：基極分壓式偏置式放大電路確實(shí)能夠自動穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)。

圖5 分壓偏置基本放大電路溫度掃描圖

由于電路仿真畢竟是一種基于數(shù)學(xué)模型的模擬手段，其與實(shí)際系統(tǒng)仍然具有差異性，是在一定范圍內(nèi)的近似。因此，在引入仿真軟件這個虛擬手段的同時，如果配合以實(shí)物實(shí)驗這個實(shí)際手段，可以做到互相印證，增強(qiáng)說服力。為了達(dá)到這個目標(biāo)，課程中設(shè)計了如下的實(shí)物實(shí)驗：按照上述2個仿真電路參數(shù)事先搭好實(shí)物電路并在課堂教學(xué)中展示，并用信號發(fā)生器提供兩路大小一樣的交流輸入信號(10 mV峰-峰值，頻率1 KHz)給上述2個電路。以家用吹風(fēng)機(jī)作為熱源加熱電路，模擬電路工作環(huán)境溫度變化的情況；用測溫槍測量芯片溫度變化；數(shù)字萬用表實(shí)時檢測量集電極靜態(tài)電流，觀察Q點(diǎn)變化；數(shù)字示波器在線監(jiān)測輸出信號波形，觀察是否出現(xiàn)失真。在教學(xué)過程中，為了增加學(xué)生的參與感，邀請學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗操作，從而提高教學(xué)的互動性。在實(shí)驗操作中需要注意加溫前2個電路的輸出均沒有出現(xiàn)失真；2個電路的狀態(tài)要同步測量顯示，需要保證測量儀表各有2個以上的通道；為了保證環(huán)境溫度分布盡量均勻，需要來回擺動吹分機(jī)的風(fēng)口，保證2個電路的受熱基本一致。由于該升溫過程需要一定的時間(特別是氣溫較低時)，如果考慮到學(xué)時限制，也可將該實(shí)物驗證作為課后研究課題布置給學(xué)生，促進(jìn)其實(shí)踐研究能力的培養(yǎng)。

在實(shí)驗完成后，教師通過提問總結(jié)觀察結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生獲得結(jié)論：靜態(tài)工況下隨著環(huán)境溫度上升兩個電路的集電極電流都變大，但是變化的幅度并不相同，差異程度與仿真的結(jié)果一致，但是在具體測量數(shù)據(jù)大小上與仿真結(jié)果有差異，這從一個側(cè)面說明了仿真研究與實(shí)物實(shí)驗之間的區(qū)別；在交流輸入信號作用下隨著溫度上升共射極基本放大電路出現(xiàn)了飽和失真，而基極分壓偏置基本放大電路工作波形保持正常，與仿真實(shí)驗結(jié)論可以相互印證。

3 結(jié)語

靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定問題作為模擬電子技術(shù)課程的經(jīng)典內(nèi)容，比較抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)中普遍缺乏直觀的認(rèn)識。通過將虛擬仿真軟件與實(shí)物電路引入課堂教學(xué)，利用“虛實(shí)結(jié)合”使得學(xué)生從直觀上加深了對學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)識與理解。并通過問題鏈?zhǔn)降膯l(fā)式教學(xué)，從現(xiàn)象到本質(zhì)、層層剖析電路的工作原理，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)問題、探究原因的過程中深化對知識的認(rèn)識與理解，在豐富知識體系的同時，更加完善了學(xué)習(xí)方法。