基于信號鏈下的模擬電子技術(shù)課程改革

薛玉峰

基于信號鏈下的模擬電子技術(shù)課程改革

薛玉峰

（隴南師范高等?？茖W(xué)校 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 成縣 742500）

在分析現(xiàn)有機(jī)電一體化專業(yè)模擬電子技術(shù)課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，基于模擬信號鏈這一線索，圍繞傳感器調(diào)理電路，精簡原有課程理論知識體系，增加仿真與實(shí)訓(xùn)電路內(nèi)容．這不僅加強(qiáng)了對學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，而且在課程中融入智能制造的概念，使得課程教學(xué)效果大為改觀．

智能制造；模擬電子技術(shù)；傳感器；信號鏈

模擬電子技術(shù)是電類、非電類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，不同專業(yè)中，知識點(diǎn)的要求并不相同．在有限的課時(shí)下，教師一般會(huì)依據(jù)自身的知識背景和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，在教學(xué)過程中適當(dāng)取舍，隨意性較大．模擬電子技術(shù)課程概念多、理論多、電路多、實(shí)驗(yàn)多、工程實(shí)踐性強(qiáng)，且其定量計(jì)算中常常用到工程近似、圖像法、經(jīng)驗(yàn)法等估算方法．這對于不善理論學(xué)習(xí)的高職學(xué)生來說，很容易喪失學(xué)習(xí)的信心和興趣[1]．教學(xué)中如何合理組織課程，凸顯模擬電子技術(shù)的重點(diǎn)內(nèi)容和發(fā)展方向，了解模擬電子技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是教學(xué)過程中急需解決的問題．從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)角度理解電路，強(qiáng)調(diào)通過仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)研究電路，是模擬電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)的可行方法[2]．本文以機(jī)電一體化專業(yè)基礎(chǔ)課程模擬電子技術(shù)為例，從溫度/重量傳感器信號檢測調(diào)理的２種典型電路入手分析，圍繞模擬電子技術(shù)課程的核心內(nèi)容與發(fā)展方向，從信號采集到處理的完整過程分析歸納，確立課程改革的邏輯思路，為課程內(nèi)容的再組織與安排找到合理的參考依據(jù)．

1 現(xiàn)有的課程教學(xué)分析

現(xiàn)有的課程教學(xué)方式有項(xiàng)目化教學(xué)和理實(shí)一體２種方式．項(xiàng)目化教學(xué)方式過多注重學(xué)生技能的培養(yǎng)，卻忽略知識的傳承與內(nèi)在邏輯，知識的碎片化嚴(yán)重．這種方式?jīng)]有把學(xué)生當(dāng)作完整的受教育對象培養(yǎng)，僅僅是當(dāng)作工具人訓(xùn)練，這樣非常不利于培養(yǎng)學(xué)生的心智技能、策略能力、遷移能力和可持續(xù)發(fā)展能力[3]，學(xué)生在后續(xù)的職業(yè)能力提升時(shí)瓶頸很嚴(yán)重．理實(shí)一體的教學(xué)方式中理論一般都沿用本科教材知識體系，學(xué)科體系完整，邏輯嚴(yán)密，學(xué)生不僅能了解模擬電子技術(shù)的全貌，而且能建構(gòu)完整的知識網(wǎng)絡(luò)．但由于課程理論知識系統(tǒng)而全面，其專業(yè)針對性模糊，配套實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性的內(nèi)容過多，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容過于陳舊落后．教學(xué)中若能恰當(dāng)篩選課程內(nèi)容，合理改變實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，就能大大改善現(xiàn)有的教學(xué)現(xiàn)狀．具體表現(xiàn)為：

（1）現(xiàn)有課程教學(xué)一般是從半導(dǎo)體器件、單管放大、多級放大、功率放大電路開始建立放大的基本概念，再講解集成運(yùn)算放大器（后面簡寫為集成運(yùn)放）、信號運(yùn)算和處理，最后講解波形發(fā)生與直流電源[4]．這種依照知識點(diǎn)漸進(jìn)式的學(xué)習(xí)方式對于高職學(xué)生沒有明顯的吸引力，且模擬電子的核心應(yīng)用知識在教學(xué)中沒有顯現(xiàn)出來．

（2）實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證性的項(xiàng)目過多，這些項(xiàng)目大都提前設(shè)計(jì)好，學(xué)生只需按照步驟搭建電路、測量數(shù)據(jù)、完成報(bào)告即可，其學(xué)習(xí)形式過于單一，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間有限，學(xué)習(xí)過于被動(dòng)和封閉．

（3）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容一般為焊接助聽器電路、音頻放大電路、收音機(jī)散件組裝焊接調(diào)試等電路[5]，這種內(nèi)容與專業(yè)后續(xù)課程傳感器與檢測技術(shù)、單片機(jī)等銜接出現(xiàn)嚴(yán)重的脫離，不利于提升學(xué)生的專業(yè)實(shí)踐技能，更沒有涉及智能機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要的電子技術(shù)知識．

2 課程改革的思路與邏輯

要改變原有的課程內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，首先，應(yīng)以模擬電子技術(shù)的核心內(nèi)容為中心，對課程教學(xué)內(nèi)容取舍，選擇出專業(yè)最需要的知識內(nèi)容．其次，應(yīng)該從模擬電子的發(fā)展方向分析，整合原有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目．最后，應(yīng)以智能機(jī)電產(chǎn)品為邏輯線索，找出相應(yīng)的模擬電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐知識．

2.1 簡化原有的課程內(nèi)容體系

2.1.1 信號放大電路 信號放大電路是模擬電子的核心內(nèi)容．深刻理解放大電路是必須的，圍繞放大電路課程內(nèi)容有單管放大電路、多級放大電路、功率放大電路、集成運(yùn)放電路等．對于高職學(xué)生，掌握放大電路的概念實(shí)質(zhì)，前期的理論知識鋪墊太多，講授和學(xué)習(xí)中往往花費(fèi)很多的時(shí)間與精力，效果并不好，把這部分內(nèi)容做一些簡化重整是適當(dāng)?shù)模纾河捎诩晒に嚨倪M(jìn)步，MOSFET在模擬電子集成化中取代BJT逐漸成為主流，因此教學(xué)中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)講授此部分內(nèi)容．但高職學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理基礎(chǔ)知識的儲(chǔ)備很差，尤其是電磁學(xué)中電場知識概念了解不深，理解CMOS管及放大電路時(shí)普遍很困難．因此，教學(xué)中應(yīng)以雙極型三極管來學(xué)習(xí)放大電路的概念、原理，建立交直流信號共存的微變信號放大的特點(diǎn)，再用類比的方式定性地學(xué)習(xí)CMOS管放大電路．在學(xué)完單管放大電路理論和實(shí)驗(yàn)后，可將多級放大電路通過仿真的形式來學(xué)習(xí)，而功率放大電路可以在仿真和課外制作中學(xué)習(xí)．

直流穩(wěn)壓電源在現(xiàn)有的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中極為重要，其性能要求也越來越高．而有限的課時(shí)中幾乎不可能深入講解，與其蜻蜓點(diǎn)水式的講授，不如要求學(xué)生調(diào)查統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有的電源產(chǎn)品，通過基本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，再經(jīng)仿真實(shí)訓(xùn)的方式進(jìn)行漸進(jìn)式學(xué)習(xí)．由于直流穩(wěn)壓電源這部分內(nèi)容工程實(shí)踐性極強(qiáng)，也可以要求學(xué)生制作焊接一些簡單的直流電源直觀理解理論知識．

2.1.2 模擬電路的集成化 盡管模擬電子技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)不如數(shù)字電子技術(shù)那樣快，但是它從來沒有停止過，其重要表現(xiàn)就是集成電路的發(fā)展[6]． 集成運(yùn)放是模擬電子技術(shù)集成化發(fā)展中的典型代表器件，在模擬電子領(lǐng)域應(yīng)用的越來越廣泛，尤其對于微弱信號放大與檢測處理中有著非常普遍的應(yīng)用．因此，將集成運(yùn)放作為模擬電子教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容學(xué)習(xí)是必要的．例如：集成運(yùn)放的內(nèi)容可以通過理論講授、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真擴(kuò)展多管齊下的方式深入地理解和學(xué)習(xí)，為后續(xù)實(shí)訓(xùn)電路制作做好充足的準(zhǔn)備．

2.2 課程改革中融入智能制造的概念

2.2.1 傳感器在工業(yè)制造中的廣泛應(yīng)用從智能制造需求人才分析，未來需要大量的復(fù)合型人才，尤其是那些對于智能制造有深刻理解的技能型人才需求量將大大增加．機(jī)電產(chǎn)品操作人員不僅要有豐富的專業(yè)知識，同時(shí)還要具有熟練的動(dòng)手操作能力和解決復(fù)雜問題的創(chuàng)新能力[7]．機(jī)器智能的實(shí)質(zhì)是機(jī)器對于信息的感知、反饋、控制的能力，而要達(dá)到這些能力就必須給機(jī)器安裝大量的傳感器．作為傳感器信號檢測的前端電路，集成運(yùn)放被大量的應(yīng)用．例如：在智能吸塵器中有超聲波、紅外、溫度、光敏傳感器等數(shù)十種類型，每一種傳感器的信號都需要前端電路對信號放大與處理，這些電路都是需要模擬電路的知識，而現(xiàn)行的模擬電子技術(shù)課程內(nèi)容中典型的傳感器信號檢測電路幾乎很少提及．因此，在模擬電子教學(xué)中將后續(xù)課程傳感器檢測與技術(shù)中的基本概念提前引入模擬電子課程教學(xué)中是必要的．

2.2.2 模擬信號檢測電路的集成化發(fā)展 從傳感器信號感知、檢測、處理、A/D轉(zhuǎn)換、控制、顯示信號的輸入到輸出完整過程，簡稱為信號鏈（見圖1）．信號鏈中最重要的電路是模擬前端信號檢測部分，這部分電路中，集成運(yùn)放被廣泛應(yīng)用，在模擬電子技術(shù)課程改革教學(xué)中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)．

圖1 信號鏈典型結(jié)構(gòu)

SoC是芯片集成的一種發(fā)展方向，在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制作實(shí)踐中也可以滲透進(jìn)來．MCU是后續(xù)單片機(jī)課程的知識，這部分的基本概念也可以提前引入到模擬電子技術(shù)的課程教學(xué)中，這樣就形成了一條完整的信號鏈的圖像．讓學(xué)生在學(xué)習(xí)模擬電子基礎(chǔ)課的同時(shí)引入信號鏈的知識內(nèi)容可以拓寬視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，了解信號傳輸鏈的完整過程．

綜上分析，在高職機(jī)電一體化專業(yè)模擬電子教學(xué)中，以典型的智能機(jī)電產(chǎn)品為例，圍繞集成運(yùn)放建立傳感器信號調(diào)理電路，并在基礎(chǔ)知識教學(xué)中體現(xiàn)模擬電路集成化的新方向是一條可行的邏輯線索．

3 新的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與教學(xué)分析

改革后的課程內(nèi)容劃分為理論知識、基本實(shí)驗(yàn)、仿真與實(shí)訓(xùn)、課外制作4個(gè)模塊（見表1）．

表1 改革后課程內(nèi)容模塊結(jié)構(gòu)與教學(xué)形式

3.1 基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)知識

第1，2個(gè)模塊為基礎(chǔ)理論知識和基本實(shí)驗(yàn)，這部分可以采用理實(shí)一體的教學(xué)模式．理論學(xué)習(xí)中初步掌握晶體管基本概念、基本參數(shù)、基本放大電路和電路近似分析方法．基本實(shí)驗(yàn)操作中對照元件型號，查閱二極管、三極管、集成運(yùn)算放大器等元器件的數(shù)據(jù)手冊，了解元器件的封裝規(guī)范、主要特點(diǎn)、實(shí)際參數(shù)，再按照實(shí)驗(yàn)要求學(xué)習(xí)基本儀器的使用方法與規(guī)范、數(shù)據(jù)的測量要求、實(shí)際電路中參數(shù)表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫等．理論講授和實(shí)驗(yàn)操作可同步或交叉進(jìn)行，這樣既可以比較理想元器件與實(shí)際元器件的差異，又能加深對元器件的理解．

3.2 仿真與實(shí)訓(xùn)

第2個(gè)模塊是仿真與實(shí)訓(xùn)，這部分可以采用理論講授、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、仿真調(diào)試、電路制作多種方式混合教學(xué)的形式教學(xué)，這種靈活的形式可以適應(yīng)不同基礎(chǔ)的學(xué)生學(xué)習(xí)理解電路．在模擬電子技術(shù)課程中采用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，拉近課程教學(xué)目標(biāo)，提高課堂教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8]．整個(gè)過程按照一個(gè)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)調(diào)試過程，調(diào)動(dòng)了學(xué)生仿真與實(shí)訓(xùn)中的積極性，從而提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力[9]．按照選用的PT100測溫電路和2 kg稱重傳感器調(diào)理電路的要求，分解出若干子電路模塊．子電路分別為基準(zhǔn)電壓電路、差分電路、濾波電路等．先仿真調(diào)試所有子電路模塊，再聯(lián)調(diào)完整的信號檢測電路．對電路中涉及的電路幅頻特性、有源濾波電路等較難的知識點(diǎn)，可以通過電路仿真定性直觀地了解學(xué)習(xí)．測溫和稱重電路2種傳感器分別是熱阻型和壓阻型，其模擬信號的檢測方法有一定的相似性，這種電路在智能機(jī)電產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，電路特征非常典型，電路結(jié)構(gòu)也簡單，學(xué)生容易理解．因此，具有一定的代表性，教學(xué)中引入課程中是合理的．其調(diào)理電路通常采用惠斯通電橋和恒流源2種結(jié)構(gòu)方式，學(xué)生容易理解，這一部分可采用仿真與實(shí)訓(xùn)結(jié)合的方式進(jìn)行．由于Multisim軟件中的元器件豐富，選擇靈活，軟件易用，可以作為仿真首選軟件[10]，它的應(yīng)用拓展可結(jié)合慕課中電路仿真設(shè)計(jì)課程資源進(jìn)一步學(xué)習(xí)．對于學(xué)習(xí)中碰到的疑難問題可以和任課教師通過QQ、微信等社交軟件溝通解決．這樣的處理不僅提高了學(xué)生自學(xué)的能力，又使學(xué)生拓寬了學(xué)習(xí)的途徑和方法．電路的制作可以先期制作模擬信號鏈部分，后續(xù)的D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)控制與顯示部分教師可以提供相應(yīng)的仿真電路或制作實(shí)物，這樣既可以降低制作難度，又可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣．

3.3 課外焊接制作

第４個(gè)模塊是課外制作，學(xué)生可以在開放實(shí)驗(yàn)室中利用課余時(shí)間，通過網(wǎng)絡(luò)資源自學(xué)音頻放大、直流電源的電路知識，經(jīng)仿真調(diào)試后，再焊接制作電路，完成課外作品．為了督促學(xué)習(xí)效果，教師可在課程評價(jià)中對課外完成作品的學(xué)生給予適當(dāng)?shù)募臃知?jiǎng)勵(lì)．對于有創(chuàng)新的學(xué)生作品，除鼓勵(lì)作品參加大學(xué)生挑戰(zhàn)杯，推薦學(xué)生參加全國電子設(shè)計(jì)大賽之外，對學(xué)生完成的優(yōu)秀電路作品可在課程評價(jià)中直接評定為優(yōu)秀，這樣就會(huì)進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和潛力．

4 結(jié)語

以溫度/重量傳感器信號檢測調(diào)理電路為主線的課程改革思路，通過模擬信號鏈這一邏輯線索，圍繞傳感器調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與制作，精簡了模擬電子技術(shù)課程理論知識體系，分散了知識重難點(diǎn)，使課程的指向性、應(yīng)用性更加明確．并在原有的理實(shí)一體的基礎(chǔ)上融入了仿真與實(shí)訓(xùn)和課外焊接制作這２個(gè)模塊，這樣的課程設(shè)計(jì)處理在保證知識體系完整的同時(shí)，豐富了教學(xué)學(xué)習(xí)方式，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)模式，改善了學(xué)習(xí)效果評價(jià)體系．課程內(nèi)容中不僅加強(qiáng)了工程實(shí)踐內(nèi)容，又提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，使模擬電子技術(shù)的課程教學(xué)效果大為改觀．當(dāng)然課程改革還有極大的提升空間，如何將電子技術(shù)、傳感器檢測、單片機(jī)３門課程融合在一起構(gòu)建一個(gè)課程群，使學(xué)生更容易完整理解智能機(jī)電產(chǎn)品中的電器控制部分，從而獲得產(chǎn)品的開發(fā)調(diào)試、故障診斷和維修檢測等專業(yè)核心能力就是未來課程改革的方向之一．

[1] 賈寧，吳弋旻，彭斐．高職學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)激發(fā)策略研究——以《模擬電子技術(shù)》課程為例[J]．職教論壇，2013（35）：34-36

[2] 葉朝輝，華成英，閻捷，等．模擬電子技術(shù)實(shí)踐能力創(chuàng)新的探索[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017（1）：29-32

[3] 劉冰，閆智勇，吳全全．職業(yè)教育課程開發(fā)模式的源流與趨勢[J]．中國職業(yè)技術(shù)教育，2018（33）：5-11

[4] 童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．3版．北京：高等教育出版社，2001：1-9

[5] 蘇士美．模擬電子技術(shù)[M]．2版．北京：人民郵電出版社，2010：1-3，233-236，241-246

[6] 張林，鄧天平．“模擬電子技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容改革探討[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015（2）：14-16，80

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[8] 任英玉，王萍．李斌，等．“模擬電子技術(shù)”課程質(zhì)量提升探討[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016（2）：36-38

[9] 段福斌，朱建華．模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目化教學(xué)改革[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2017（6）：223-226

[10] 付揚(yáng)．基于Multisim技術(shù)的電子電路綜合設(shè)計(jì)改革[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017（4）：112-114，198

Reform of analog electronic technology course based on signal chain

XUE Yufeng

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Longnan Teachers′ College，Chengxian County 742500，China）

It is based on the analysis of the teaching of analog electronic technology course for the major of mechatronics，based on the clue of analog signal chain，around the sensor conditioning circuit，the original curriculum theory knowledge system is simplified，and the contents of simulation and training circuit are increased．This not only strengthens the content of engineering practice，but also integrates the concept of intelligent manufacturing，which greatly improves the teaching effect．

intelligent manufacturing；analog electronics technology；sensor；signal chain

TN710∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.020

1007-9831（2020）04-0090-04

2019-10-29

2017年隴南師范高等?？茖W(xué)校教改項(xiàng)目（JXGG201718）

薛玉峰（1978-），男，甘肅禮縣人，講師，從事普通物理、電子技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究．E-mail：lnszxyf@163.com