以教學(xué)分析促進(jìn)新工科物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)《模擬電子技術(shù)》教材更新*

李峻靈，李世明，倪蘊(yùn)濤

（哈爾濱師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引 言

2017年，教育部發(fā)布《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，其中明確指出，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)是新工科建設(shè)的主要方向之一.明確新工科的培養(yǎng)和建設(shè)目標(biāo)是為未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要提供實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才.在新的人才培養(yǎng)定位的前提下，相當(dāng)一部分雙非院校和省屬及地方院校把培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才作為專業(yè)培養(yǎng)方向.

按照現(xiàn)在的培養(yǎng)計劃，大多數(shù)學(xué)校所開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典硬件課程體系主要包括模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計算機(jī)組成原理、微機(jī)原理、計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及體系結(jié)構(gòu)等課程，有些學(xué)校根據(jù)自己的專業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢和專業(yè)特色，甚至開設(shè)包含控制類及通信類課程，如通信原理、信號與系統(tǒng)等.

對于將要從事學(xué)習(xí)和研究物聯(lián)網(wǎng)硬件知識的學(xué)生來說，有關(guān)電學(xué)知識儲備基本停留在高中階段的水平.進(jìn)入到專業(yè)學(xué)習(xí)階段，部分高校由于適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要及專業(yè)培養(yǎng)方案的改革等各種客觀因素的限制，從課程體系的安排上，經(jīng)典專業(yè)基礎(chǔ)類課程被削減課時，甚至被熱門學(xué)科替換.造成課程微觀知識點(diǎn)間的銜接不連貫，宏觀知識體系的不合理的現(xiàn)象.

對于遵照執(zhí)行新工科培養(yǎng)方向所修訂的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)培養(yǎng)計劃，所開設(shè)的課程體系中，大學(xué)物理等經(jīng)典理論課程已被列為公共選修課程，電路基礎(chǔ)課程在很多學(xué)校被取消.在物聯(lián)網(wǎng)硬件知識體系中，學(xué)生僅憑高中物理的知識直接學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)等硬件專業(yè)課程，很難達(dá)到該課程的基本要求［1］.

以經(jīng)典基礎(chǔ)類課程知識為依托的專業(yè)課程，在教學(xué)活動和專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，出現(xiàn)前期的專業(yè)基礎(chǔ)知識儲備不足，造成本門課程在現(xiàn)有課時量不變的前提下，處于無法完成課程教學(xué)任務(wù)的矛盾當(dāng)中.

現(xiàn)代電子電路中，模擬電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ)是以三極管為核心的放大電路基本理論體系，而現(xiàn)代電子電路分析仍然遵循經(jīng)典電路的基本理論和分析方法.本文在模擬電子技術(shù)授課過程中，以知識點(diǎn)銜接問題而出現(xiàn)的一個比較集中的教學(xué)瓶頸問題為例，分析教學(xué)現(xiàn)象，提出解決問題的建議.

1 問題實(shí)例

通常，教材給出的三極管對應(yīng)的h參數(shù)等效變換電路如圖1所示.在分析基本共射極放大電路時，學(xué)生還能夠基本理解.相當(dāng)一部分學(xué)生靠直觀分析去理解，而不是科學(xué)的理論依據(jù).學(xué)生在學(xué)習(xí)共射極放大電路的分析中，最常提出2個問題：發(fā)射極區(qū)分不清；輸入回路和輸出回路似乎不相關(guān).

當(dāng)用此h參數(shù)等效變換模型分析，除基本共射極放大電路之外的復(fù)雜電路時，學(xué)生無從入手，甚至不能合理畫出電路圖.即使給出h參數(shù)等效電路（圖2），如基本共集電極放大電路.也存在相當(dāng)一部分學(xué)生不能獨(dú)立分析，甚至不會分析.

圖1 三極管h參數(shù)等效電路模型

這是因?yàn)楣布姌O電路中的三極管h參數(shù)等效電路模型與圖1中所提供的等效電路模型從直觀上根本不一致.若繼續(xù)把三極管h參數(shù)等效變換模型結(jié)合到以三極管為核心的復(fù)雜放大電路中，再進(jìn)行總體放大電路的分析，則因?yàn)楹诵膯栴}沒有得到徹底的解決而使整個放大電路分析變得更加費(fèi)解和困惑.

圖2 共集電極放大電路h參數(shù)等效電路

2 問題分析

以上是模擬電路學(xué)習(xí)中的三極管h參數(shù)等效變換的經(jīng)典實(shí)例，此電路模型理解程度，很大程度上決定了學(xué)生個體對模擬電路后續(xù)知識體系的學(xué)習(xí)和理解程度.通過大量學(xué)生的反饋信息，出現(xiàn)此種問題的核心是缺乏前期的電路基礎(chǔ)知識的儲備.因此，學(xué)生知識儲備不足可概括為：節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)、受控源、經(jīng)典電學(xué)知識.

2.1 節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)

電路中3或3條以上的支路相連接的點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，廣義的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的科學(xué)擴(kuò)展.對于電路中任意一個閉合面，可稱為電路中的廣義節(jié)點(diǎn).

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)這個知識環(huán)節(jié)過程中，因沒有節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)的概念，導(dǎo)致部分學(xué)生無法區(qū)分三極管h參數(shù)表達(dá)形式在圖1與圖2中的差別.造成在教學(xué)中存在用學(xué)生不知道的理論去解釋和說明另一個學(xué)生不知道的關(guān)聯(lián)理論的現(xiàn)象.

2.2 受控源

受控源是指此支路中的參數(shù)，即電壓或電流會隨其他部分的電壓或電流的改變而改變，或者說該參數(shù)不僅從數(shù)值上受已知參數(shù)的制約，并且其存在與否也取決于該已知參數(shù).

圖1和2中，小的菱形標(biāo)志，學(xué)生在此之前的學(xué)習(xí)中根本沒有接觸過.在模擬電路中雖然只是一個電路元件標(biāo)識符號，但該受控源代表了此支路中的某一電路參數(shù)和其他已知電路參數(shù)之間的電特性的數(shù)學(xué)表達(dá).其中包含大量的數(shù)學(xué)信息和電學(xué)信息，而且是相互關(guān)聯(lián)的，即存在相關(guān)度，并且其受另一方的控制.也就是包含物理信息的復(fù)雜數(shù)學(xué)信息在電路分析中的結(jié)構(gòu)化表示.

在電路元件的定義中不包含受控源，該受控源在實(shí)際電路中是不存在的，即沒有相對應(yīng)的實(shí)在電路元件，但該支路中的參數(shù)必須也只能通過另外的已知參數(shù)間接標(biāo)定.

在不清楚電路中的元件和電路參數(shù)性質(zhì)的情況下，電路分析的教學(xué)難以開展.以上僅是新工科培養(yǎng)方案改革后，模擬電子技術(shù)教學(xué)進(jìn)程中出現(xiàn)的一個比較集中的問題，類似問題在該課程中不止一處，這些瓶頸問題恰恰是模擬電子技術(shù)課程知識體系的重點(diǎn)與核心問題.

3 問題產(chǎn)生的根源

以上僅從問題的一點(diǎn)或一個方面進(jìn)行原因分析.而問題產(chǎn)生的根本原因在于經(jīng)典電學(xué)知識對整個電路知識體系掌握和理解的宏觀作用.

電路分析的綜合理論知識，包括最基本的定理，如基爾霍夫定律、戴維南定理和諾頓定理.常用的基本電路分析方法包括支路電流法和節(jié)點(diǎn)電位法等.電路基礎(chǔ)知識中的電路參數(shù)概念、名詞和基本電路分析方法等，是模擬電路的學(xué)習(xí)和研究過程的重要理論依據(jù).電路分析需要正確、嚴(yán)密、開放的邏輯思維.因此，在進(jìn)行電路分析過程中，缺乏系統(tǒng)的電路分析理論工具，沒有理論支持作為導(dǎo)向，導(dǎo)致面對相對復(fù)雜的現(xiàn)代電子電路分析無從入手，電路分析片面化、直觀化，達(dá)不到模擬電路知識的教與學(xué)的根本目的.

4 問題的解決

當(dāng)問題產(chǎn)生的根源解決，即基本電學(xué)知識掌握之后，再回到前面的實(shí)例分析.學(xué)生可以獨(dú)立將三極管的h參數(shù)等效變換模型總結(jié)成應(yīng)對不同電路環(huán)境下的等效變換形式，得到三極管的h參數(shù)等效變換模型，如圖3所示.將圖3（a）的虛線框看作廣義節(jié)點(diǎn)，從而衍生到圖3（b）；再將該圖的虛線框作為一個點(diǎn)，各支路取直后即得到圖3（c），得到三極管h參數(shù)等效電路的科學(xué)和通俗描述.因此，3種表達(dá)形式完全等效，這是一個知識進(jìn)化過程.同時在實(shí)例分析中，解決此知識難點(diǎn).

圖3 三極管h參數(shù)等效變換模型

現(xiàn)代電子電路中，模擬電子技術(shù)研究以三極管為核心的各種放大電路的工作原理，一個不算復(fù)雜的電路至少存在2個以上的電源，甚至更多不同類型的電壓源和電流源，以及受控源同時在一個復(fù)雜電路中.隨著課程內(nèi)容的深入，知識內(nèi)容復(fù)雜度及難度的增加，在集成電路的學(xué)習(xí)中，因?yàn)榻?jīng)典電路知識不足而表現(xiàn)出來的問題會更加明顯和突出［2］.

后續(xù)課程中學(xué)習(xí)的三極管的交流π參數(shù)的等效變換，如圖4所示.因?yàn)槿龢O管的π參數(shù)等效變換中存在著多個等效的電容，并且電路中的電容在交流小信號條件下Cb，e串并聯(lián)關(guān)系復(fù)雜.若學(xué)生沒有學(xué)習(xí)和掌握電路基礎(chǔ)知識，則對電容在交流小信號狀態(tài)下的串聯(lián)和并聯(lián)分析的原則都不清楚.與第一個實(shí)例作比較，則更加難以理解.對于已經(jīng)具有電路基礎(chǔ)知識儲備且掌握電路基礎(chǔ)知識的學(xué)生，該問題的分析則迎刃而解.

圖4 三極管的π參數(shù)等效模型

5 問題的深度思考

任何一個知識體系的學(xué)習(xí)和掌握都是系統(tǒng)性的，缺少了某些環(huán)節(jié)，勢必會為后續(xù)的學(xué)習(xí)帶來困難，造成知識學(xué)習(xí)過程中的離散化和知識孤島現(xiàn)象，這種情況在教學(xué)活動中應(yīng)盡量避免和解決.否則，以上問題帶來的直接結(jié)果是學(xué)生對整個知識體系理解和接受不通透，始終帶著“問號”學(xué)習(xí)未知的“問號”.累積下來，學(xué)生出現(xiàn)明顯的求知欲下降，甚至產(chǎn)生放棄此方向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的想法.連續(xù)的結(jié)果是后續(xù)相關(guān)專業(yè)知識碎片化，不成體系.直接影響學(xué)生專業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量，不符合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的基本要求.

6 方案調(diào)整及效果

6.1 方案調(diào)整

針對這些問題，需要對教材選擇和授課內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在重點(diǎn)學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)知識之前，科學(xué)補(bǔ)充經(jīng)典電路部分基礎(chǔ)知識.同時選用《電路與電子學(xué)》作為參考教材，并且增加經(jīng)典電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時.目前新的方案已經(jīng)實(shí)施超過2個學(xué)年度［3］.

從課時方面，經(jīng)典電路基礎(chǔ)知識部分確實(shí)占用一定的課時，但是從整體教學(xué)效果來看，學(xué)生對模擬電路部分內(nèi)容的理解和領(lǐng)悟能力以及學(xué)習(xí)深度得到了明顯的改善，并沒有因?yàn)榻?jīng)典電路知識內(nèi)容的增加和課時分配的因素，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，相反，卻使得學(xué)生的總體學(xué)習(xí)效果得到了質(zhì)的提升［4］.

6.2 整體效果

課程的整體效果評價首先是知識體系的合理性，可從課程全程教學(xué)效果以及關(guān)鍵知識點(diǎn)的師生互動情景反映.

客觀上，從條件和研究方向相近的2個專業(yè)進(jìn)行比對.同一個知識點(diǎn)，如基本共集電極電路分析課堂學(xué)習(xí)中，相較于只開設(shè)模擬電子技術(shù)而沒有將電路基礎(chǔ)知識調(diào)整到授課方案中的其他平行專業(yè)方向，現(xiàn)場調(diào)查和課后反饋顯示：學(xué)習(xí)過電路基礎(chǔ)知識的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)生表示，一次性學(xué)會或聽懂的比例將近75%；而直接使用《模擬電子技術(shù)》教材作為學(xué)習(xí)起點(diǎn)的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生學(xué)會或聽懂的比例明顯低于前者.并且針對不同關(guān)鍵知識點(diǎn)進(jìn)行多次調(diào)查結(jié)果顯示，同樣對多個關(guān)鍵的關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)進(jìn)行的多次教學(xué)評價和學(xué)生對關(guān)鍵知識點(diǎn)問題獨(dú)立分析測試，得出相近的結(jié)論.調(diào)查采樣的關(guān)鍵的關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)列于表1.并且在跟蹤學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中，學(xué)過電路基礎(chǔ)知識的學(xué)生具有明顯的專業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢.

表1 典型關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)采樣列表

7 基礎(chǔ)知識的重要性

經(jīng)典電路基礎(chǔ)知識儲備的深度很大程度上影響著模擬電路知識學(xué)習(xí)的理解和掌握，并且影響著物聯(lián)網(wǎng)硬件知識體系學(xué)習(xí)和研究的深入程度，以及在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)新程度.在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)硬件課程的某些關(guān)鍵知識節(jié)點(diǎn)能否突破，從而進(jìn)行繼續(xù)研究和學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素，只有足夠的電路基礎(chǔ)知識作為積淀，才能在后續(xù)的模擬電路學(xué)習(xí)中得心應(yīng)手，甚至是發(fā)展和創(chuàng)造，以至于后續(xù)可期待的硬件知識體系的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新.這樣的描述絕不是夸張和渲染，而是通過多年的專業(yè)教學(xué)探索和總結(jié)而得出的結(jié)論.

8 建 議

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)普遍采用的《模擬電子技術(shù)》教材，絕大部分是適用于電子類專業(yè)，或者前期有電路基礎(chǔ)知識儲備的相關(guān)專業(yè).而對于新工科方向下的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，由于整體培養(yǎng)方案的要求和課程體系的總體安排及學(xué)時的限制，有些學(xué)校沒有開設(shè)電路基礎(chǔ)課程.但應(yīng)該考慮到專業(yè)情況和課程開設(shè)情況，選用或編寫《模擬電子技術(shù)》教材時，適當(dāng)加入電路基礎(chǔ)知識概論部分知識體系核心內(nèi)容，整合教材內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，使教材更加具有專業(yè)教學(xué)的科學(xué)性與專業(yè)學(xué)習(xí)的合理性及知識體系的連貫性.