“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)改革

凱里學(xué)院大數(shù)據(jù)工程學(xué)院 曾凡菊 譚永前 王 凱

針對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)中存在的問題，提出了基于項(xiàng)目需求的“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)模式。以“風(fēng)力發(fā)電模擬裝置”項(xiàng)目為教學(xué)案例，把項(xiàng)目實(shí)施過程中各個(gè)模塊與模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教材中相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行對應(yīng)，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐過程中逐漸掌握教材中相應(yīng)的理論知識。教學(xué)實(shí)踐表明，改進(jìn)后的教學(xué)方法在提高學(xué)生動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)熱情、主動(dòng)性方面取得了一定的成效。

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程是高校信息工程、物聯(lián)網(wǎng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等工科電子信息類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。該課程致力于研究各種不同半導(dǎo)體器件的性能、電路的工作原理及其實(shí)際應(yīng)用，通過對常用半導(dǎo)體器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電子技術(shù)方面的基本知識、基本理論和基本技能，學(xué)好該門課程可為后續(xù)的電路分析、數(shù)字電子技術(shù)、信號與系統(tǒng)、高頻電子線路等專業(yè)課課程打好堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但模擬電子技術(shù)的課程內(nèi)容較多、內(nèi)容抽象、難度大，學(xué)生不能很好的理解和掌握，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)情緒，最終影響該門課程的教學(xué)效果。在傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)過程中，大部分高校教師仍然采用教師在課堂上講授，學(xué)生被動(dòng)接收的“灌輸”式教學(xué)方式，理論與實(shí)踐相分離，學(xué)生擁有較少的主動(dòng)權(quán)，因此缺乏學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性、獨(dú)立思考能力弱、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力差，不能很好地實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的效果。

鑒于“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程在高校教學(xué)中存在的諸多問題，很多高校教師積極投入到模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的教學(xué)改革中，取得了很多令人滿意的效果，例如盧文娟等提出的“模擬電子技術(shù)”混合式教學(xué)改革與實(shí)踐，充分利用在線課程優(yōu)勢，將“線上+線下”有機(jī)融合，取得了很好的教學(xué)效果。陳靜等在教學(xué)過程中通過引入應(yīng)用實(shí)例和隨課實(shí)驗(yàn)的開展，有效調(diào)動(dòng)起學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，進(jìn)一步加深學(xué)生對重要知識點(diǎn)的理解和領(lǐng)悟，使得教學(xué)效果得到有效提升。

本文針對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中出現(xiàn)的學(xué)生學(xué)習(xí)熱情不高、缺乏主動(dòng)性、創(chuàng)新能力差等問題，提出基于項(xiàng)目需求的模擬電子技術(shù)教學(xué)模式，通過項(xiàng)目實(shí)踐的形式引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)提出問題并解決問題，進(jìn)一步提升學(xué)生對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程的興趣。

1 基于項(xiàng)目需求的教學(xué)模式總體方案

選取“風(fēng)力發(fā)電模擬裝置”項(xiàng)目作為切入點(diǎn)，設(shè)置項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的框圖和教學(xué)總體方案。

1.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)風(fēng)力發(fā)電模擬裝置，能夠采集風(fēng)速信息，并對風(fēng)向有一個(gè)明確的方向指示，能通過風(fēng)力發(fā)電點(diǎn)亮LED燈，實(shí)時(shí)顯示發(fā)電的功率。

1.2 設(shè)計(jì)要求

（1）利用家用電風(fēng)扇給風(fēng)，根據(jù)速度變化，顯示的風(fēng)速要實(shí)時(shí)變化。

（2）對風(fēng)向有明確的方向指示，可以準(zhǔn)確的顯示“東南西北”四個(gè)方向。顯示用顯示屏。

（3）能通過風(fēng)力發(fā)電點(diǎn)亮LED燈，LED燈的工作電流約2mA，能讓LED穩(wěn)定發(fā)光。實(shí)時(shí)顯示發(fā)電的功率。

1.3 項(xiàng)目說明

（1）風(fēng)速測量用風(fēng)速計(jì)校準(zhǔn)，風(fēng)速計(jì)自備。

（2）LED燈可用選擇開關(guān)接入。注意根據(jù)情況設(shè)計(jì)保護(hù)LED燈的保護(hù)電路。

（3）電風(fēng)扇的標(biāo)準(zhǔn)為30W，裝置與電風(fēng)扇的距離為1至2m以內(nèi)。風(fēng)向測量以家用電風(fēng)扇出風(fēng)朝向?yàn)闃?biāo)識方向。用指南針校準(zhǔn)。

1.4 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)框圖

設(shè)計(jì)主要電機(jī)模塊、風(fēng)速傳感器模塊、風(fēng)向傳感器模塊、Arduino Uno單片機(jī)控制模塊以及顯示模塊組成。給發(fā)電機(jī)扇葉受風(fēng)，發(fā)電模塊將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電點(diǎn)亮LED燈，風(fēng)速與風(fēng)向傳感模塊監(jiān)測受風(fēng)方向并實(shí)時(shí)采集風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)，然后傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理后通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)框圖

2 教學(xué)模式總體方案

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)框圖來設(shè)計(jì)教學(xué)過程和內(nèi)容，框圖中每個(gè)部分對應(yīng)“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”中相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，具體如下：

電機(jī)模塊：該部分主要講授風(fēng)力發(fā)電的原理。利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。

傳感器模塊：通過傳感器模塊電路，給學(xué)生講授相應(yīng)傳感器電路的基本原理及工作過程，結(jié)合“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教材內(nèi)容，讓學(xué)生把課本里的內(nèi)容應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

顯示與報(bào)警系統(tǒng)模塊：該模塊主要由以下電路組成：控制模塊、降電壓模塊、LCD顯示模塊以及蜂鳴報(bào)警模塊組成，如圖2所示。

圖2 總體電路

由于風(fēng)向傳感需要12V的電源供電，而Arduino Uno單片機(jī)則只需要5V，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)電壓降壓電路來實(shí)現(xiàn)了一組電池供雙壓的功能。首先運(yùn)用12V的電池給風(fēng)向傳感模塊供電，然后再經(jīng)過降壓電路后給Arduino Uno單片機(jī)提供5V的電壓。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 降壓電路

該部分涉及到的電路較復(fù)雜，主要對應(yīng)講解教材中對應(yīng)的電子元器件的功能、串并聯(lián)電路的原理、蜂鳴報(bào)警電路以及集成芯片、芯片參數(shù)和實(shí)踐應(yīng)用電路的基本原理。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果及教改取得的成效

通過項(xiàng)目需求的模式來帶動(dòng)和講解“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程中對應(yīng)的內(nèi)容，讓學(xué)生很直觀的了解教材中對應(yīng)的內(nèi)容在實(shí)際中的應(yīng)用，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)知識的積極性和主動(dòng)性。同時(shí)，通過項(xiàng)目的實(shí)踐，學(xué)生也真正參與到項(xiàng)目的實(shí)施過程中來，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

3.1 項(xiàng)目測試結(jié)果

表1、表2為風(fēng)力發(fā)電模擬裝置相關(guān)參數(shù)的測試數(shù)據(jù)。

表1 基本要求檢測

表2 發(fā)揮部分測試

3.2 教改取得的成效

“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)組組織學(xué)生參加各種物聯(lián)網(wǎng)競賽，參加各種科技競賽是提高學(xué)生動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣的重要途徑，也是教師提高自身業(yè)務(wù)水平的途徑，通過比賽既鍛煉了學(xué)生也鍛煉了教師。課程教學(xué)組堅(jiān)持“以賽促學(xué)，教學(xué)相長”的理念，以電子設(shè)計(jì)競賽等各種學(xué)科競賽為牽引，讓學(xué)生通過參與競賽，將理論和實(shí)踐融會貫通，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作和拼搏精神以及解決復(fù)雜工程問題的能力。課程教學(xué)組成員組織18級、19級物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)生參與了多項(xiàng)科技創(chuàng)新競賽與技能培訓(xùn)，并取得了可喜的成績。在2021年十二屆”藍(lán)橋杯”全國電子專業(yè)人才設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)大賽中獲國家二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，在2020年（第13屆）中國大學(xué)生計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大賽中獲省級一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、全國賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；獲第十二屆全國大學(xué)生數(shù)學(xué)競賽全國賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，獲2020年“傳智杯”程序設(shè)計(jì)全國區(qū)域賽一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。2020年“欣源杯”貴州省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中獲一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)；2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽貴州省省級決賽獲一等獎(jiǎng)1項(xiàng)；2021網(wǎng)絡(luò)技術(shù)挑戰(zhàn)賽西南賽區(qū)獲三等獎(jiǎng)1項(xiàng)；第十屆全國大學(xué)生電子商務(wù)“創(chuàng)新、創(chuàng)意及創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽貴州省省級三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。2021年獲省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目立項(xiàng)6項(xiàng)。

針對“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程傳統(tǒng)教學(xué)方法中存在的各種問題，本文提出了基于項(xiàng)目需求的“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)模式。以“風(fēng)力發(fā)電模擬裝置”項(xiàng)目為案例講解了該項(xiàng)目實(shí)施過程中與教材相關(guān)內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系，通過學(xué)生實(shí)踐設(shè)計(jì)項(xiàng)目過程中遇到的各個(gè)模塊工作原理，把項(xiàng)目設(shè)計(jì)與教材相關(guān)內(nèi)容聯(lián)系起來講解。讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，又提高了學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識的積極性和主動(dòng)性。課程教學(xué)組通過對18級、19級物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐表明，基于項(xiàng)目需求的“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)模式取得了一些成效的同時(shí)也存在一些不足：（1）在教學(xué)過程中教學(xué)項(xiàng)目案例的選擇仍需更準(zhǔn)確的把握，項(xiàng)目實(shí)施過程中所對應(yīng)的教材內(nèi)容仍需準(zhǔn)確的銜接。（2）班級中仍有部分基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生無法很好的適應(yīng)該教學(xué)模式，如何幫助這部分學(xué)生很好的適應(yīng)該教學(xué)模式，仍是課程教學(xué)組需要解決的問題。（3）課程考核的方式和方法仍需教學(xué)組不斷優(yōu)化。