模擬電路實(shí)訓(xùn)課程的創(chuàng)新與實(shí)踐

敬奕艷

（深圳技術(shù)大學(xué)新材料與新能源學(xué)院 廣東·深圳 518118）

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是電子信息、計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化等工科專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課，是一門(mén)公認(rèn)的比較難學(xué)的課程。[1-3]它的難主要體現(xiàn)在兩方面：一是學(xué)生在理論學(xué)習(xí)時(shí)覺(jué)得知識(shí)點(diǎn)多，雜，難以理解；二是學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐時(shí)，不知從何入手，不能將理論知識(shí)運(yùn)用起來(lái)。[4-6]學(xué)生學(xué)完課程，通過(guò)了考試，很快就忘記了大部分所學(xué)內(nèi)容，沒(méi)有真正弄明白知識(shí)的用途，更談不上進(jìn)行實(shí)際的電路設(shè)計(jì)。[7-8]

為了改善這種狀況，很多大學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了多種嘗試，比如提高“模擬電子技術(shù)”配套實(shí)驗(yàn)課的學(xué)時(shí)，豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，適當(dāng)提高實(shí)驗(yàn)難度；或?qū)⒁徊糠謱?shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)用于電路仿真軟件的學(xué)習(xí)和使用，希望學(xué)生通過(guò)電路仿真來(lái)幫助理解枯燥的理論知識(shí)。這些嘗試都有一定的好處，但距離真正利用模電知識(shí)去設(shè)計(jì)調(diào)試簡(jiǎn)單電路，還有一些差距。我們希望學(xué)生在學(xué)習(xí)完模電知識(shí)后，能真正運(yùn)用起來(lái)，或者部分學(xué)生有志于以后參加一些電子類(lèi)競(jìng)賽，針對(duì)這些需求，我們需要開(kāi)設(shè)一門(mén)模擬電路實(shí)訓(xùn)課程。

本文進(jìn)行一種模擬電路實(shí)訓(xùn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)、內(nèi)容設(shè)置和開(kāi)展形式等方面的探索與研究，力求形成一個(gè)可操作性強(qiáng)、與實(shí)際電子工程師工作密切相關(guān)、與“模擬電子技術(shù)”課程密切相關(guān)、能讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解、能補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)課不足、難易程度適中的模擬電路實(shí)訓(xùn)課程。將常用電子儀器的操作，常用電子元件的辨識(shí)，一些簡(jiǎn)單電路模塊的理解運(yùn)用，工程師應(yīng)具備的細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，根據(jù)故障分析和解決問(wèn)題等內(nèi)容，有機(jī)地融入到一個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中，以企業(yè)里電子工程師的工作步驟來(lái)進(jìn)行一個(gè)實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生收獲一種“啟蒙”的效果。

1 實(shí)訓(xùn)電路板設(shè)計(jì)

本模擬電路實(shí)訓(xùn)課程的培養(yǎng)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握小型電子產(chǎn)品中一些常見(jiàn)的電路單元和模塊的組成、原理、測(cè)試和調(diào)試方法，學(xué)習(xí)運(yùn)用示波器、萬(wàn)用表排除簡(jiǎn)單故障，以后能夠?qū)⑦@些電路單元靈活地運(yùn)用于自己的電路設(shè)計(jì)中。

結(jié)合實(shí)訓(xùn)目標(biāo)、難度和學(xué)生的參與興趣，我們選取了“音頻功率放大”和“耳機(jī)功率放大”作為主要電路模塊，設(shè)計(jì)了一塊實(shí)訓(xùn)電路板，包含：直流電壓轉(zhuǎn)換（線(xiàn)性方式和開(kāi)關(guān)方式）、場(chǎng)效應(yīng)管、三極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管、運(yùn)算放大器、LC濾波、RC濾波等電路模塊和單元。原理圖和印制電路板的設(shè)計(jì)都非常規(guī)范，因?yàn)樵O(shè)計(jì)文檔在實(shí)訓(xùn)中會(huì)提供給學(xué)生，力求讓學(xué)生感受到一種嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確、美觀的工作要求，也便于將來(lái)學(xué)生在自主設(shè)計(jì)電路時(shí)作為參考。電路板主要采用貼片元件，阻容之類(lèi)的元件主要采用0603封裝，既貼近實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，也考慮到學(xué)生初次接觸焊接的接受能力。元件和位號(hào)排布非常整齊，元件之間留有間隔，便于學(xué)生練習(xí)焊接和拆焊。電路關(guān)鍵處留有測(cè)試點(diǎn)，便于學(xué)生按要求測(cè)試相關(guān)點(diǎn)。各功能模塊處印有絲印，指明其功能。

2 教學(xué)內(nèi)容安排

本實(shí)訓(xùn)課程采用了“逆向”的教學(xué)安排，不同于其它實(shí)訓(xùn)提供一塊空電路板給學(xué)生，而是直接將貼好元件的完整電路板發(fā)給學(xué)生，每個(gè)學(xué)生一塊電路板，獨(dú)立完成實(shí)訓(xùn)。整個(gè)課程時(shí)間為連續(xù)的4天，每天8學(xué)時(shí)。教師的講解用PPT和板書(shū)相結(jié)合的方式。

2.1 認(rèn)識(shí)電路板和元器件（2學(xué)時(shí)）

教師下發(fā)完好的電路板和紙質(zhì)電路原理圖，讓學(xué)生進(jìn)行對(duì)照，然后教師講解印制電路板知識(shí)、電子元件封裝、讀值和基本作用等內(nèi)容，然后再讓學(xué)生對(duì)照電路板和原理圖，在此基礎(chǔ)上，教師講解如何去看一張電路圖，以及畫(huà)電路圖的一些規(guī)范和注意事項(xiàng)。

2.2 電路板上電前檢查和常用測(cè)量?jī)x器的使用（2學(xué)時(shí)）

教師講解和演示數(shù)字示波器、萬(wàn)用表、直流穩(wěn)壓電源等儀器的基本使用方法，主要講解實(shí)訓(xùn)中需要用到的基本操作。教師講解電路板通電前需要做的準(zhǔn)備工作，包括大致了解電路功能，檢查關(guān)鍵供電是否對(duì)地短路，觀察電路板是否有損壞痕跡，工作臺(tái)面是否清潔等。學(xué)生經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢測(cè)后，將電路板通電，首先測(cè)量幾處關(guān)鍵點(diǎn)電壓，確定電路基本正常工作，然后接上音頻輸入信號(hào)和喇叭，直觀感受放大后的聲音。按要求測(cè)試和保存若干關(guān)鍵點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)和波形。待學(xué)生完成測(cè)試后，教師下發(fā)一份正確的電壓數(shù)據(jù)和波形表，學(xué)生將二者進(jìn)行對(duì)照，看自己測(cè)試是否有誤，波形的數(shù)據(jù)標(biāo)注和展示是否合適。

2.3 學(xué)習(xí)和練習(xí)拆焊（4學(xué)時(shí)）

教師介紹焊接工具和材料的使用方法。著重講解和示范如何焊接和拆焊一個(gè)0603封裝的元件和一個(gè)SOP封裝的芯片。先發(fā)練習(xí)板和元件給學(xué)生練習(xí)，待較為熟練后，學(xué)生開(kāi)始拆焊實(shí)訓(xùn)電路板。除了0603封裝的小元件外，要求學(xué)生逐個(gè)記錄和保存拆下來(lái)的元件，這些元件原則上不再提供，而0603封裝的元件后續(xù)需要學(xué)生從料盒取料。學(xué)生要注意保護(hù)焊盤(pán)和銅箔，全部拆除后，用洗板水清洗空板，并將空板和元件交給教師檢查和記錄，教師要檢查焊盤(pán)和銅箔是否有損壞，還能否補(bǔ)救。

2.4 練習(xí)焊接（6學(xué)時(shí)）

教師下發(fā)一份實(shí)訓(xùn)電路板物料清單（BOM），學(xué)生需要復(fù)原整塊電路板。整個(gè)過(guò)程要求學(xué)生細(xì)致，有耐心。復(fù)原后，學(xué)生將電路板交給老師檢查和記錄。

2.5 講解電路原理和調(diào)試方法（8學(xué)時(shí)）

這個(gè)部分是整個(gè)課程的重點(diǎn)，主要是教師講解加學(xué)生提問(wèn)。在此前的環(huán)節(jié)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)電子元件和一些關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)和波形有了一定了解，在這個(gè)講解部分，會(huì)較多地結(jié)合這些“表象”來(lái)說(shuō)明內(nèi)在的原理，讓學(xué)生加深理解。講電路原理是將實(shí)訓(xùn)電路板電原理圖與模擬電路相關(guān)知識(shí)點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)，從原理到應(yīng)用，讓學(xué)生掌握一些常用電路單元，學(xué)習(xí)根據(jù)需求設(shè)計(jì)電路。講電路調(diào)試方法，電路調(diào)試是前面幾個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)和練習(xí)的全部?jī)?nèi)容的一個(gè)綜合，讓學(xué)生了解一般電路調(diào)試的方向：順著供電從主干到支路的走向，順著信號(hào)從輸入到輸出的走向，找到問(wèn)題所在。進(jìn)行電路調(diào)試需要先對(duì)電路的原理有一定了解，通過(guò)主觀地觀察現(xiàn)象，客觀地測(cè)量電壓、測(cè)試波形，運(yùn)用焊接和拆焊工具，對(duì)電路連接關(guān)系、元件取值進(jìn)行修改和調(diào)整，最終達(dá)到所需實(shí)現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)。

2.6 電路板重新上電、檢測(cè)和調(diào)試（8學(xué)時(shí)）

在學(xué)習(xí)了電路板各部分原理和電路調(diào)試方法后，學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)電路板再做一次上電前檢測(cè)，如未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可上電，重復(fù)第二部分上電后的所有操作，從直觀感受和測(cè)試兩方面來(lái)檢驗(yàn)電路是否正常工作。如有發(fā)現(xiàn)不正常的地方，學(xué)生需利用所學(xué)到的知識(shí)來(lái)調(diào)試電路；如果上電前檢測(cè)有問(wèn)題，需要先排除問(wèn)題，再通電。在這個(gè)部分，教師可給予部分有需要的學(xué)生一些指導(dǎo)。學(xué)生也可根據(jù)自己對(duì)電路的學(xué)習(xí)理解，改動(dòng)電路參數(shù)，來(lái)觀察或測(cè)試電路發(fā)生的變化。因?yàn)閷W(xué)生都是初次焊接和調(diào)試電路，這塊實(shí)訓(xùn)電路板的電路模塊較多，學(xué)生在拆焊和復(fù)原的過(guò)程中，幾乎沒(méi)有可能做到無(wú)故障，而且少數(shù)學(xué)生會(huì)出現(xiàn)較多錯(cuò)漏，需要排查的問(wèn)題很多。

最后，教師要逐個(gè)檢查電路板，記錄最終狀態(tài)，作為學(xué)生實(shí)訓(xùn)成績(jī)的一個(gè)重要部分。

2.7 師生共同總結(jié)（2學(xué)時(shí)）

教師提前在課下做好實(shí)訓(xùn)總結(jié)，將整個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生操作不當(dāng)、失誤等共性問(wèn)題提出來(lái)，給學(xué)生加深印象；對(duì)于電路板調(diào)試過(guò)程中的一些典型現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)，給出解決思路。學(xué)生可以提出疑問(wèn)，給出意見(jiàn)和建議等。

2.8 學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)訓(xùn)總結(jié)報(bào)告（課外）

實(shí)訓(xùn)報(bào)告的重點(diǎn)內(nèi)容是兩次上電測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)和波形以及二者的對(duì)比說(shuō)明，實(shí)訓(xùn)中遇到和解決的問(wèn)題，要求學(xué)生著重?cái)⑹鲈趯?shí)訓(xùn)中的具體收獲，并對(duì)教學(xué)內(nèi)容難度、教授方式等提出自己的意見(jiàn)和建議。

3 實(shí)訓(xùn)效果總結(jié)和后續(xù)改進(jìn)

從實(shí)訓(xùn)課的信息反饋來(lái)看，絕大部分學(xué)生能很好地理解和完成實(shí)訓(xùn)任務(wù)，學(xué)會(huì)了數(shù)字示波器等儀器的基本操作，掌握了焊接和拆焊的要領(lǐng)，通過(guò)數(shù)據(jù)和波形的比較能排除一些簡(jiǎn)單故障。有少數(shù)學(xué)生因?yàn)榇中拇笠饣蚝附硬涣?，?dǎo)致復(fù)原后的電路板有很多問(wèn)題，以致調(diào)試難度非常大，他們很深刻地認(rèn)識(shí)到了工作中需要細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，否則給自己帶來(lái)意想不到的麻煩。

學(xué)生反饋的總體難點(diǎn)在于部分電路單元的原理不好理解，這需要教師從內(nèi)容組織上著手，加強(qiáng)困難部分的講解力度，增加對(duì)波形和數(shù)據(jù)的分析和對(duì)直觀現(xiàn)象的解讀，多利用板書(shū)，讓學(xué)生的思路容易跟上老師的講解。在第一次實(shí)訓(xùn)完成后，本人結(jié)合學(xué)生的實(shí)際表現(xiàn)和實(shí)訓(xùn)總結(jié)報(bào)告中提出的意見(jiàn)和建議，對(duì)實(shí)訓(xùn)操作指引，配套的PPT教學(xué)材料和課時(shí)安排都進(jìn)行了修改和優(yōu)化，今后也將不斷地根據(jù)教學(xué)情況進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)實(shí)訓(xùn)電路板本身也是如此。

本實(shí)訓(xùn)課采用“逆向”的教學(xué)安排，是受到電子工程師實(shí)際工作過(guò)程的啟發(fā)，尤其是初入門(mén)的工程師，他們往往經(jīng)驗(yàn)尚淺，排查故障主要依靠好板與壞板的對(duì)比，比較現(xiàn)象、電壓值和波形等?！澳嫦颉狈绞娇梢詫?shí)際電路調(diào)試需要掌握的各種技能很好地安排到實(shí)訓(xùn)中，從拆除到復(fù)原的過(guò)程中，如果學(xué)生粗心大意，就可能出現(xiàn)很多問(wèn)題，這能讓學(xué)生深刻體會(huì)認(rèn)真細(xì)致的重要性，也正好讓學(xué)生有分析解決問(wèn)題的機(jī)會(huì)，在這個(gè)過(guò)程中學(xué)習(xí)，知識(shí)會(huì)掌握得更牢固。

本實(shí)訓(xùn)課程還可以擴(kuò)展內(nèi)容，增加基礎(chǔ)的電路原理圖和印制電路板繪制內(nèi)容。在實(shí)訓(xùn)課結(jié)束之后，給學(xué)生布置小的電路設(shè)計(jì)任務(wù)，在課余時(shí)間完成設(shè)計(jì)和實(shí)物調(diào)試。