“高頻電子線路”信息化教學(xué)方法研究

王晨 何林遠(yuǎn) 唐紅 馬時平 高山

摘要：“高頻電子線路”課程具有理論抽象、公式眾多、電路分析復(fù)雜等特點，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難以理解和掌握。因此，文章研究了結(jié)合多種信息化手段的教學(xué)思路和方法，通過虛擬仿真實驗幫助學(xué)生感性地理解課程中抽象的理論分析過程；利用網(wǎng)絡(luò)建立興趣小組，對學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的問題及時反饋并進(jìn)行討論和解決。這些信息化教學(xué)方法的使用，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和電路設(shè)計能力。

關(guān)鍵詞：高頻電子線路；信息化教學(xué)方法；虛擬仿真實驗；興趣小組

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9324（2019）35-0171-03

“高頻電子線路”[1]是一門信息與通信類專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，同時也是許多其他相關(guān)專業(yè)重要的通信類選修課。本課程是在已經(jīng)掌握《電路分析基礎(chǔ)》、《模擬電子線路》和《信號與系統(tǒng)》等課程的基礎(chǔ)上，著眼于學(xué)科專業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代技術(shù)裝備實際，使學(xué)生理解無線通信技術(shù)的基本思想和方法，并能運用這些方法來解決實際問題的一門課程。本課程也可以為學(xué)生后續(xù)專業(yè)理論課程，例如，通信原理、導(dǎo)航原理、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)原理、雷達(dá)原理和微波電子線路等課程的順利完成以及未來新技術(shù)的開發(fā)打下扎實的理論基礎(chǔ)。而在有限的課堂教學(xué)時間內(nèi)，由于學(xué)生人數(shù)眾多，講授內(nèi)容抽象，很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。所以，如何在現(xiàn)有條件下，通過使用多種手段和方法來鞏固和提高學(xué)生對課堂內(nèi)容的理解能力，培養(yǎng)學(xué)生的自主分析能力，是目前本課程教學(xué)中需要探討的問題[2-4]。

本文從教學(xué)對象、課程特點、教學(xué)條件、教學(xué)方式四個方面分析了“高頻電子線路”教學(xué)中出現(xiàn)的難點，并研究結(jié)合多種信息化方法和手段的教學(xué)方法。

一、“高頻電子線路”教學(xué)現(xiàn)狀分析

“高頻電子線路”課程涉及各種LC諧振回路、高頻小信號放大器、混頻器、高頻功率放大器、正弦波振蕩器和調(diào)制解調(diào)等無線通信系統(tǒng)中主要功能模塊的介紹與分析。課程的每個章節(jié)都對應(yīng)無線通信中的一種功能模塊，它們既相互聯(lián)系又相對獨立。由于“高頻電子線路”是一門以實驗為基礎(chǔ)的課程，所以，往往理論分析無法像數(shù)學(xué)分析那樣嚴(yán)絲合縫。另外，知識點多、公式復(fù)雜等也成為學(xué)生學(xué)習(xí)過程中普遍難以掌握的原因。我們將這些難點進(jìn)行如下的總結(jié)與分析：

（一）課程特點分析

“高頻電子線路”屬于非線性電路的研究范疇。電路從線性到非線性，必然會給學(xué)習(xí)者帶來一些難度上的提升，例如，電路分析時誤差大小的選擇、特性方程的獲取、分析方法的選擇以及不同應(yīng)用場合下狀態(tài)的選擇，等等。

（二）教學(xué)條件分析

目前，由于“高頻電子線路”是通信類專業(yè)的必修課，所以學(xué)生人數(shù)眾多。例如，一個120人的教學(xué)班，需要大量的實驗設(shè)備才可以滿足基本的實驗硬件要求。另外，由于課程設(shè)置的原因，課內(nèi)的實驗時間也不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

（三）教學(xué)方式分析

對于“高頻電子線路”的課程教學(xué)，目前大多數(shù)采用的是老師講授和PPT演示的方式。但是，從往年的教學(xué)效果來說，這種灌輸知識的方法會使學(xué)生覺得枯燥，逐漸失去學(xué)習(xí)的興趣。

面對學(xué)生，老師需要采用更為靈活的教學(xué)方法，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改變過去“老師為中心，書本為中心，課堂為中心”的教學(xué)方式，轉(zhuǎn)向以“學(xué)生為主體，老師為主導(dǎo)”的創(chuàng)新教學(xué)方法，實施開放式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的參與意識，提高學(xué)習(xí)的自覺性。

二、“高頻電子線路”信息化教學(xué)方法

目前大學(xué)本科教學(xué)中，“高頻電子線路”課程的教學(xué)對象均為1995年以后出生的年輕人。他們具有接受能力強(qiáng)，收集信息途徑多，自信心較強(qiáng)的明顯優(yōu)勢，對新生事物敏感。但同時也存在動手能力弱，對經(jīng)典課程缺乏學(xué)習(xí)動力，交流能力有限的一些不足。如何有效提高他們對課程的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)動力是目前亟待解決的問題。

我們通過虛擬實驗+興趣小組的方式對傳統(tǒng)的課堂教學(xué)進(jìn)行有效的補充和改進(jìn)，并取得了較為理想的教學(xué)效果，學(xué)生們之間的探討和研究熱情日趨高漲。

（一）虛擬實驗仿真

1.Multisim電路仿真。Multisim[4]是由美國推出的一種電路仿真軟件，非常適用于模擬和數(shù)字電路的設(shè)計和仿真實驗。人們可以使用Multisim交互式地進(jìn)行各種電路原理圖的設(shè)計并得到相應(yīng)的電路測試結(jié)果。由于這種虛擬工具使用方便，人們只需要在個人計算機(jī)上安裝一下就可以使用，所以它被越來越多的老師作為彌補實驗資源不足的有效手段。

利用Multisim這種虛擬仿真軟件，學(xué)生們可以用一種新的更感性的方式鞏固已經(jīng)學(xué)習(xí)的電路設(shè)備及其性能，也可以自己動手開發(fā)一些感興趣的功能模塊，有效縮短理論與實踐之間的距離，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于學(xué)生對課程內(nèi)容的鞏固和掌握。

本節(jié)以混頻器為例，給出虛擬實驗的實際應(yīng)用。利用Multisim進(jìn)行虛擬實驗，可以使學(xué)生直觀地看到混頻的過程，其效果是傳統(tǒng)教學(xué)難以比擬的。

二極管環(huán)形混頻器具有噪聲小、動態(tài)范圍大、組合頻率少等特點。其濾波之前的波形可以表示為：

i=■v■s（t）（1）

其中，R■為負(fù)載，v■為輸入信號，S（t）為開關(guān)函數(shù)，它受本振信號的控制周期變化。

根據(jù)環(huán)形混頻器的課堂分析可知，環(huán)形混頻器是由4個二極管組成，相當(dāng)于2個平衡混頻器。圖1給出了Multisim的仿真電路，其中二極管D2與D3是一組，D1和D4是另外一組，它們分別在高頻交流大信號，即本振信號v3的正負(fù)半周導(dǎo)通。

圖2中我們給出了如圖1所示的環(huán)形混頻器的測試結(jié)果。圖中我們使用雙通道示波器觀察環(huán)形電路單輸出端和差動輸出端的不同結(jié)果。通過這種方式，學(xué)生可以很直觀地了解環(huán)形混頻器的基本結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)果的特點。

2.Matlab仿真。Matlab[5]也是美國開發(fā)的一款商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，它成功地用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算，是應(yīng)用非常廣的一種仿真軟件。

在高頻的教學(xué)過程中，有一些信號特性分析可以利用Matlab軟件進(jìn)行有效的模擬和仿真。如圖3所示，以調(diào)頻信號的特性為例，我們可以容易地畫出不同調(diào)制信號強(qiáng)度水平下的信號頻譜，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)直觀的頻譜圖自主分析得出調(diào)制信號強(qiáng)度變化對調(diào)頻信號頻譜的影響。[6]

當(dāng)然，學(xué)生剛開始進(jìn)行仿真設(shè)計時不會一帆風(fēng)順，他們會遇到各種各樣的問題和困難。我們需要一種方式幫助學(xué)生之間有效地進(jìn)行同類問題的討論，加強(qiáng)他們對問題的深入研究，同時也需要一種更便捷的方式拉近老師與學(xué)生之間的距離，讓師生之間的交流和溝通不止于課堂上。

（二）興趣小組

為了更好地解決在“高頻電子線路”課程學(xué)習(xí)過程中的問題，加強(qiáng)學(xué)生之間以及學(xué)生與老師之間的交流，我們利用網(wǎng)絡(luò)建立了不同類型的興趣小組。每一個興趣小組會針對一類核心問題，例如，高頻功放中失真的解決方法，以及它所衍生出來的通信中的線性化問題，等等。每個問題的提出以學(xué)生為主體，老師可以參與興趣小組的討論，也可以引導(dǎo)學(xué)生提出相關(guān)新的問題，并均衡每個興趣小組之間的聯(lián)系，適時對相同或相近的興趣小組進(jìn)行并組等指導(dǎo)。

1.組織方法。在興趣小組的建立體系中，學(xué)生是主體，他們根據(jù)興趣自由組合，同時在微信中建立以主旨問題命名的聊天群，方便組員之間以及小組成員與老師的隨時交流。對于個別沒有通過和別人自由組合進(jìn)入興趣小組的同學(xué)，老師需要引導(dǎo)幫助他們順利進(jìn)入合適的興趣小組。興趣小組需要階段性向老師匯報學(xué)習(xí)和研究進(jìn)展。

2.研究手段。在興趣小組中，學(xué)生們可以利用一切可以利用的資源進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究。比如，如果相關(guān)理論沒有很好地掌握，可以選擇和老師交流，也可以找知名學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)課程進(jìn)行在線學(xué)習(xí)；若不了解有些問題的研究現(xiàn)狀，可以下載相關(guān)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行研究?？傊谌缃襁@個信息共享的時代，老師需要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮主觀能動性，充分利用共享的學(xué)習(xí)資源進(jìn)行有效的學(xué)習(xí)和研究。

3.成果展示。課程學(xué)習(xí)過程中，可以利用課余時間安排每個興趣小組就研究內(nèi)容或研究成果向全體同學(xué)進(jìn)行介紹和匯報，并接受大家的質(zhì)疑。通過這種方式不但可以督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，還可以鍛煉他們的表達(dá)能力、應(yīng)變能力等綜合素質(zhì)。

三、結(jié)語

“高頻電子線路”作為電子類和通信類專業(yè)的必修課，對于學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)具有重要意義。在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，由于該課程概念抽象、公式繁多、電路復(fù)雜等特點，使得教學(xué)效果并不理想。通過對傳統(tǒng)教學(xué)理念和方式不斷改進(jìn)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)他們的學(xué)習(xí)興趣。我們在傳統(tǒng)授課的基礎(chǔ)上，引入開放式教學(xué)理念，充分利用信息化手段，讓教學(xué)不只停留在課堂上，使抽象的理論變得一目了然，有效提高學(xué)生的自主分析與設(shè)計能力，為學(xué)生進(jìn)行更深入的專業(yè)學(xué)習(xí)和研究奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張肅文.高頻電子線路[M].第5版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]周梓發(fā)，吳波，李超英.《高頻電子線路》教學(xué)改革探討[J].教育教學(xué)論壇，2018，6（24）：136-137.

[3]劉玉龍，李曉輝，劉乃安，徐征.“高頻電子線路”可視化教學(xué)方法研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2016，38（2）：102-105.

[4]謝晶.《高頻電子線路》課程教學(xué)改革的研究與探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，2（5）：62-63.

[5]聶典，李北雁，聶夢晨，宿瀟鵬.Multisim12仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

[6]沈再陽.Matlab信號處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.