新工科背景下模擬電子技術(shù)課程教學(xué)設(shè)計研究

劉曉娣 張靜 孫艷麗

摘要：在新工科教育背景下，針對傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，從模擬電子技術(shù)課程特點出發(fā)，將理論教學(xué)與工程應(yīng)用相結(jié)合，將課堂講授與虛擬仿真相結(jié)合，以減法運算電路為例，開展層進式課程教學(xué)設(shè)計研究。教學(xué)實踐表明，文章提出的教學(xué)設(shè)計能夠有效促進教學(xué)互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的技術(shù)底蘊和工程素養(yǎng)，具有良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù);教學(xué)設(shè)計;層進式

中圖分類號：G642.41? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）40-0193-02

一、教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

傳統(tǒng)的課程教學(xué)，在教學(xué)目標(biāo)描述中多采用了解、熟悉、理解和掌握等動詞，這樣的描述可操作性差，不易評價。布魯姆教育目標(biāo)分類模型將認知維度分為記憶、理解、應(yīng)用、分析、評估和創(chuàng)新六個層次，每個層次都有具體的動詞與之對應(yīng)。

為提高教學(xué)目標(biāo)的科學(xué)性、有效性，根據(jù)布魯姆教育目標(biāo)分類模型，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，分析減法運算電路的內(nèi)容特點，以及需要學(xué)生在知識、能力、情感方面達到的目標(biāo)，制定如下三個教學(xué)目標(biāo)。

1.能識別減法運算電路結(jié)構(gòu)。

2.會運用兩種方法分析減法運算電路輸入輸出電壓的運算關(guān)系。

3.能根據(jù)工程需求、電路功能特點，選用合適的運算電路。

二、層進式教學(xué)過程設(shè)計

為達成教學(xué)目標(biāo)，采用已有知識回顧、工程案例引入、典型電路剖析、功能特點分析和工程應(yīng)用研討五個階段層進式設(shè)計教學(xué)過程，使學(xué)員逐步建立關(guān)于減法運算的分析依據(jù)、結(jié)構(gòu)、方法、功能、應(yīng)用的綜合知識體系。

1.知識回顧，奠定基礎(chǔ)。在減法運算電路之前，已學(xué)習(xí)反相比例和同相比例兩種最基本的線性運放電路。實現(xiàn)信號運算，運算放大器應(yīng)工作在線性區(qū)，電路通常引入深度負反饋，滿足“虛短”、“虛斷”，這是分析運算電路輸出電壓與輸入電壓運算關(guān)系的依據(jù)。在分析比例運算電路時，采用的方法是節(jié)點電流法。這些已學(xué)知識，是分析減法運算電路的基礎(chǔ)。

2.工程案例引入，激發(fā)興趣。模擬電子技術(shù)課程內(nèi)容在工業(yè)、軍事、生活中應(yīng)用非常廣泛，課堂教學(xué)中可選取的工程案例較多，如測溫電路、體重測量電路等，但這些案例缺少專業(yè)特色。因此，在教學(xué)中遵循以“學(xué)員為中心”的教學(xué)理念，面向航空專業(yè)特點，選取飛機氣壓高度表的高度測量案例，拋出問題，引出教學(xué)內(nèi)容，一方面培養(yǎng)學(xué)員的問題意識，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，另一方面突顯模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的專業(yè)特色。

3.典型電路剖析，傳授要領(lǐng)。選取減法運算的典型電路，如圖1所示。在電路剖析時采用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)員積極參與，主動探索，從真正意義上完成知識的自我建構(gòu)。

首先，識別電路結(jié)構(gòu)。對照比例運算電路，減法運算電路結(jié)構(gòu)特點：（1）引入電壓負反饋;（2）在運算放大器的兩個輸入端皆有信號輸入。

然后，分析運算關(guān)系。采用節(jié)點電流法，基本步驟如下：（1）找關(guān)鍵節(jié)點，列電流方程;（2）根據(jù)“虛斷”原則，推導(dǎo)出同相輸入端與反相輸入端的電壓;（3）根據(jù)“虛短”原則，推導(dǎo)出輸出電壓與輸入電壓的運算關(guān)系。

遵循“精講多練”的教學(xué)思路，引導(dǎo)學(xué)員按照步驟采用節(jié)點電流法分析圖1所示減法運算典型電路的輸出電壓與輸入電壓的運算關(guān)系：

u=-u+

1+u（1）

該電路還有其他的分析方法嗎？拋出問題，引導(dǎo)分析，發(fā)現(xiàn)第二種分析方法——疊加定理。先分別求出每個輸入電壓單獨作用時的輸出電壓，然后將它們相加，便得到所有信號同時作用時的輸出電壓。經(jīng)學(xué)生自行求解，得到如上述公式所示的運算關(guān)系。由此可以說明，減法運算電路分析有兩種方法：節(jié)點電流法、疊加定理。

4.功能特點分析，歸納總結(jié)。從運算關(guān)系、輸入電阻、輸出電阻、共模輸入電壓等方面，分析減法運算電路功能，具有以下特點：（1）運算關(guān)系僅與外部電阻有關(guān)，與運放本身參數(shù)無關(guān);（2）輸出電阻低;（3）對每個信號源來說，輸入電阻都較低;（4）存在“虛短”，但不存在“虛地”，有共模輸入電壓;（5）如果電路結(jié)構(gòu)滿足對稱性，即即R=R、R=R，則

u=

u

-u，這便是差分比例運算電路，也稱為差分放大器。

5.工程應(yīng)用研討，深化拓展。

（1）案例應(yīng)用，層進深化?；乜壅n堂開始的工程案例，利用所學(xué)知識分析氣壓高度表的壓力檢測電路，如圖2所示，并利用Multisim軟件進行虛擬仿真驗證，如圖3所示，達到學(xué)以致用、理實一體。

在實用測量系統(tǒng)中，傳感器所獲得的電信號往往非常微弱，并含有較大的共模信號。為了提高系統(tǒng)精度，傳感器后面的放大器，要具有足夠大的差模增益、高共模抑制比、高輸入電阻，此時該減法電路還適用嗎？

經(jīng)討論，圖2中的減法運算電路已不適用，如何改進呢？引出應(yīng)用比較廣泛的電路之一——三運放構(gòu)成的儀表放大器，如圖3所示。

電路結(jié)構(gòu)分析：圖3所示的三運放儀表放大器包括兩級運放，A1、A2組成第一級，二者均接成同相輸入方式，因此輸入電阻高。A3組成差分放大級，作為第二級，對第一級輸出的差模信號放大且將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。由于電路結(jié)構(gòu)對稱，具有高共模抑制比。

運算關(guān)系分析：

A1、A2組成第一級的差值電壓輸出為：

u-u=

1+

u

-u

A3組成差分放大級，可得輸出電壓與輸入電壓的運算關(guān)系：u=-

1+

u

-u

由運算關(guān)系可知，圖3所示的三運放儀表放大器由兩級放大電路組成，增益提高，而且可以由R連續(xù)調(diào)節(jié)。相比于單運放構(gòu)成的減法運算電路，三運放儀表放大器更適用于實用測量系統(tǒng)。

（2）由典型到一般，推廣擴展。在如圖1所示的典型減法運算電路中，集成運放的同相輸入端和反相輸入端皆只有1個輸入信號。當(dāng)集成運放的同相輸入端和反相輸入端有多個輸入信號時（如圖4所示電路），應(yīng)該如何分析輸出電壓與輸入電壓的運算關(guān)系呢？在課堂最后，設(shè)置練習(xí)環(huán)節(jié)，由典型到一般推廣擴展，由學(xué)員運用已學(xué)知識，自行分析完成，以促進從理論學(xué)習(xí)向知識運用層面的深化。

三、結(jié)語

針對傳統(tǒng)工科教學(xué)中模擬電子技術(shù)課程存在的不足，以減法運算電路為例，從科學(xué)有效的教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，采用五階段層進式教學(xué)設(shè)計，使學(xué)員由已有知識，到典型電路，再到改進電路與一般實用電路，逐步理解減法運算的組成、分析方法與功能特點，并將理論與工程案例相結(jié)合，提高技術(shù)底蘊和工程素養(yǎng)。經(jīng)過多年的教學(xué)實踐證明，該教學(xué)設(shè)計能夠有效引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，主動思考，促進教學(xué)互動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而取得良好的教學(xué)效果。

參考文獻：

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[2]康亮.CDIO教學(xué)法在模電課程中的應(yīng)用與探討[J].教育教學(xué)論壇，2018，9（2）：154-155