新工科背景下重塑電子技術教學體系實踐研究

丁國強，王延峰，周衛(wèi)東

摘? 要：面向新工科高素質專業(yè)人才培養(yǎng)目標要求，在電子技術教學中切實踐行 “教育強國”理念，通過對電子技術教學內容組織、教學主線與關鍵點梳理、教學運行實踐等方面研究，提出了電子技術教育教學重塑觀點，經(jīng)由電子技術教學內容重塑性分析，提出電子技術以電子器件為基礎，以反饋分析法貫穿電子電路教學思路，以技術創(chuàng)新為引導，注重電子電路近似化模型教學，電子技術數(shù)學建模思維培養(yǎng)的教學理念和教學思路。經(jīng)由電子技術課程組近幾年的教學實踐與總結，文章提出的創(chuàng)新性教學理念與教學設計是有成效的，取得較好的教學效果。

關鍵詞：電子技術;教育教學;創(chuàng)新性重塑教學;近似化數(shù)學模型設計;數(shù)學思維教學

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0098-04

Abstract： To meet the requirements of training high-quality professionals in new engineering， the? study practices the idea of "Powerful Educational Country" in the teaching of Electronic Technology Course， and through the organization of electronic technology teaching content， the main line and key points of teaching， teaching practice and other aspects of research， it puts forward the viewpoint of teaching remodeling of the electronic technology education. Reshaping analysis of teaching content for electronic technology course， it puts forward the teaching thoughts in which electronic technology is based on electronic device， feedback analysis is used to run through the teaching ideas of electronic circuits， guided by technological innovation is used to the instruction， the approximate model teaching of electronic circuits is strengthened and the mathematical modeling thinking of electronic technology is cultivated. With teaching practice and summary of electronic technology course group in recent years， the innovative teaching concept and teaching design put forward in this paper are effective and achieve good teaching results.

Keywords： electronic technique; education and teaching;innovative reshaping teaching; approximate mathematical model designing; thinking teaching of engineering mathematics

習近平總書記在全國教育大會上進一步提出“加快推進教育現(xiàn)代化、建設教育強國”的新要求，“教育強國”論述是習近平總書記新時代教育新理念新思想新觀點的重要內容，是新時代建設教育強國的行動指南。當今世界強國在其發(fā)展過程中都十分重視發(fā)展教育，教育為其經(jīng)濟社會發(fā)展、確立和維持強國地位等方面都發(fā)揮著巨大作用。當前我國經(jīng)濟發(fā)展進入“新常態(tài)”模式，正從規(guī)模速度型粗放增長轉向質量效率型集約增長，增長動力從要素驅動轉變?yōu)閯?chuàng)新驅動，在此新形勢下國內一大批高校相繼提出應用型人才培養(yǎng)任務，為社會經(jīng)濟創(chuàng)新驅動發(fā)展提供強大的人才與智力支持。

應用型人才培養(yǎng)本質在于培養(yǎng)的人才具有扎實專業(yè)基礎知識，良好工程素養(yǎng)以及較強的實踐動手能力，能夠系統(tǒng)性運用專業(yè)知識解決工程實踐中的實際問題。高素質應用型人才培養(yǎng)過程是一個系統(tǒng)性工程，涵蓋培養(yǎng)目標和人才標準的確定，實現(xiàn)培養(yǎng)目標的整個教學體系以及與之匹配的管理和評估機制等多個環(huán)節(jié)，其中課程作為人才素質培養(yǎng)和專業(yè)能力教育的中心環(huán)節(jié)，在塑造人才特質過程中具有不可替代的基礎性作用。鑒于此，在電子技術教學過程中，以高素質應用型人才特質和能力要求為導向深化課程改革，對于高素質應用型人才培養(yǎng)具有重要意義。

電子技術是電子信息、通信、機械電氣、計算機等理工類專業(yè)的核心基礎課程，包括模擬電子技術和數(shù)字電子技術兩大部分，學習常用半導體器件和集成芯片或者模塊的組成結構、基本原理和電氣特性，以此為基礎著重闡述半導體器件及其集成模塊器件構建的電子電路基本組成、工作原理和分析方法，從而形成復雜電子電路系統(tǒng)分析設計的計算方法體系。該課程要求學生在掌握高等數(shù)學、大學物理、電路分析等基礎課程知識基礎上，進一步系統(tǒng)性地學習電子電路技術、非線性分析方法和實踐應用技能，最終形成適應信息時代電子技術發(fā)展要求的電子電路分析、計算、仿真與設計能力，為深入學習后續(xù)課程和從事專業(yè)相關技術工作奠定基礎。因此電子技術課程在眾多理工科專業(yè)課程體系中扮演著承前啟后的角色，同時還是一門重要的專業(yè)技術崗位能力課程，在構建電子信息領域應用型人才工程素養(yǎng)和綜合能力方面起著至關重要的作用。

本文基于電類、機械類專業(yè)工程認證和新工科人才培養(yǎng)需要，從電子技術課程的教學現(xiàn)狀出發(fā)，以高素質應用型人才培養(yǎng)目標為導向，根據(jù)深入理解對復雜工程問題的把握，符合具備解決復雜工程問題設計和創(chuàng)新綜合解決方案的能力要求，系統(tǒng)梳理和分析電子技術課程教學目標、教學內容組織及教學關鍵點環(huán)節(jié)所做的重塑化創(chuàng)新改革措施，從而在有限教學時間內優(yōu)化電子技術課程內核，強化滲透工程培養(yǎng)的目的。

一、電子技術課程教學內容體系結構分析

電子技術課程是以半導體器件、放大電路、非線性電路分析方法和應用電路的脈絡主線組織起來的，其主要內容包括PN結、二極管、三極管和場效應管及其放大電路、集成運算放大器、差分放大電路、功率放大電路、負反饋放大電路、信號發(fā)生電路，以及信號運算和信號整形電路、直流穩(wěn)壓電源電路等基本內容，其中二極管、三極管和集成運算放大器可歸類為半導體器件部分，三極管和場效應管組成的基本放大電路和差分放大電路及功率放大電路可歸類為放大電路部分，RC正弦振蕩電路、LC正弦振蕩電路以及石英晶體振蕩電路歸類為信號發(fā)生器電路，三角波和方波發(fā)生器電路可都是由正弦振蕩電路經(jīng)由RC積分電路和比較器電路整形獲得的信號波形整形電路結構，直流穩(wěn)壓電源電路作為電子裝置的直流供電模塊呈現(xiàn)出來，從非線性電路分析方法角度來看，波形發(fā)生和整形電路可看作是基于反饋分析法的基本放大電路應用部分。而直流穩(wěn)壓電路電路的部分是基于反饋分析法的基本放大電路的功能應用電路[8]。

從電子技術革新發(fā)展的角度看，電子技術課程體現(xiàn)著電子電氣理論與技術螺旋式的發(fā)展路徑，始終遵循著技術需求與任務設計的基本實現(xiàn)電路，實際功能需求擴展與電路改進和完善策略，提出新的電路設計思路滿足當下電子技術發(fā)展需求。如分壓偏置共射放大組態(tài)電路，其提出的目的是解決分布式三極管放大電路中存在的靜態(tài)工作點會隨溫度變化而發(fā)生偏移的現(xiàn)象實施的改進電路策略。另外，為克服多級放大電路中的零點漂移現(xiàn)象，提出在多級放大電路的輸入級電路采取差分放大電路組態(tài)，從而引入新的差分電路形態(tài)及其設計和分析技術。還有串聯(lián)型穩(wěn)壓電路設計和分析，其來源于簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，但其存在帶負載能力弱、輸出電壓不可調等問題，那么利用三極管或者場效應管的調整作用，以及負反饋放大器組件，將其修改設計為具有調整元件、負反饋放大比較環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)和基準源等四個組成部分的新型串聯(lián)型穩(wěn)壓電源模塊，從而進一步擴展穩(wěn)壓電源功能和用途。集成運算放大器模塊本質上是由差動輸入級、中間電壓放大級、輸出級以及偏置電路等四個部分組成的，其輸出級采用推挽式OTL或者OCL電路組成，在降低管子功耗時交流動態(tài)信號完整輸出。原理講解過程中突出電子技術疊加改進措施，依據(jù)提高放大管效率、減小交流信號失真和管子保護等思路對功率放大電路進行講解，從而使學生深入理解電子技術革新的思路和解決措施。

電子技術課程是在電路理論學習基礎上，靈活運用電源等效原理和KCL、KVL定律解決復雜電子電路的設計與分析，構建復雜電子電路設計與分析的工程解決方法，同時引入電子技術新的分析理論與方法，這就是電子技術學習的負反饋分析法。在電子技術學習中處處體現(xiàn)出反饋分析思維方法，如集成運算放大器電路組成，比例運算電路、差動運算電路、積分微分運算電路等都是采用負反饋方法設計出來的典型電路;集成運放器的理想化模型中的“虛短虛斷”概念本質上是由深度負反饋方法推導出來的;分壓偏置放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點也是運用了負反饋方法，正弦震蕩電路設計與分析中相位平衡法也是負反饋方法應用，直流穩(wěn)壓電源設計中比較放大環(huán)節(jié)設計中也用到了負反饋放大器?？梢钥吹皆陔娮蛹夹g課程教學中，反饋分析法是電子技術課程內容教學的核心分析方法，因此對反饋分析理論方法教學要充分結合電子電路實例，把眾多反饋概念融入到電子電路教學的眾多組成部分中去，強調出反饋分析法的重要作用。

二、電子技術課程創(chuàng)新性重塑教學研究

（一）電子技術課程中線性近似模型分析方法

電子技術是在學生充分掌握高等數(shù)學、大學物理以及電路理論基礎上進一步深入學習電類專業(yè)課程的關鍵基礎性課程。首先它要求學生能夠熟練應用電學定律、定理和基本概念并將其運用到復雜電子電路系統(tǒng)的分析和設計中，達到面向復雜電路問題能夠靈活運用所學知識，思考問題解決思路和設計解決措施的創(chuàng)新性素質能力培養(yǎng)的目的，這其中包括復雜電子電路問題的理論驗證和實驗設計能力，而其中最重要的教學建模思維就是電子電路的線性化近似模型分析能力。電子電路分析教學內容中面向的對象是由三極管、場效應管及集成運算放大器組成的非線性放大電路，那么教會學生掌握非線性電路的線性化近似分析方法已成為學習本門課程的基礎關鍵環(huán)節(jié)，非線性電路線性化模型是課程分析方法的學習基礎，本門課程電子電路線性化近似電路模型如圖1所示，根據(jù)放大電路分析技術指標，可分為電壓放大電路模型、電流放大電路和互導放大與互阻放大電路模型等，任何復雜非線性電路都可以歸結到這幾類放大電路模型中去。

同樣，在放大器件學習中非線性器件的線性化近似模型分析也是很重要的，如根據(jù)二極管伏安特性方程及其伏安曲線可逐步線性化近似為理想開關模型、恒壓源模型、電壓源模型以及小信號近似模型等，非線性的三極管和場效應管可等效為H參數(shù)模型及理想集成運放模型等，構成本門課程器件學習與應用的基礎環(huán)節(jié)。并且對于部分電路模型的簡化為電壓源或者電流源分析思路也是電子電路問題分析的重要思路方法，如圖1所示的電子電路模型，在放大電路部分看其前面部分電路，可簡化為一個電壓源或者電流源的信號源模型，其后面部分電路可看作是一個負載阻抗模型，從而實現(xiàn)復雜電路的簡化建模與分析計算。理想集成運算放大器的理想化指標由來，在于深度負反饋基礎上總結出的“虛短、虛斷”概念基礎上無限大與無限小的推廣關系。

（二）電子技術課程中數(shù)學建模思維教學

數(shù)學建模思想是電類專業(yè)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)教育的重要組成部分，在于培養(yǎng)學生對于繁雜問題的簡單數(shù)學描述與計算解決思路的工程化數(shù)學思維培養(yǎng)。所謂電子電路數(shù)學模型是指對于復雜電路對象，利用電路定律定理，結合適當?shù)臄?shù)學工具，利用數(shù)學語言表述出來的一個數(shù)學結構，從而達到一種對于電子電路數(shù)學模式的研究與設計目的，最終引導學生把理論知識轉化為電子技術研究與設計能力，包括學生對于電子電路的軟件分析與模擬計算、電子電路設計研究能力。在電子電路理論教學和實踐操作過程中，高等數(shù)學和矩陣分析等數(shù)學思維方法浸透在整個課程的教師教學和學生學習過程，其主要表現(xiàn)在基于電路基本的KCL和KVL定律、戴維南或者若頓等效定理和全電路歐姆定律公式，利用數(shù)學思維方法構建復雜電路的數(shù)學模型方程開展電路參數(shù)計算求解過程;通過基本電子電路分析，找出電子電路存在的問題，利用數(shù)學思維工具獲取問題的解決思路和方法，從而構建學生的創(chuàng)新性數(shù)學思維訓練。如多級放大電路提高電路放大增益，但其存在的零漂問題需采取差分放大電路組態(tài)的解決思路。復雜運算電路的分析與設計問題，需要在集成運算理想化模型基礎上利用KCL和KVL定律列寫出數(shù)學方程組，利用矩陣分析技術計算電路輸入/輸出關系式。功率放大電路中采用推挽式互補對稱的OTL和OCL電路結構，其工作原理與機制分析、電路效率分析等，都涉及數(shù)學建模思維方法。

三、電子技術新工科教學的創(chuàng)新性實踐

常規(guī)電子技術教學注重電子器件及其組成電路的教學過程，但是面向新工科培養(yǎng)目標，這種教學內容和教學組織方式存在嚴重缺陷。電子技術教學內容本質上是以元器件組成的放大電路及其應用電路為對象，以反饋分析方法為工具，以電學定律、定理和公式為依據(jù)，利用數(shù)學思維方法構建線性化近似模型解決放大電路分析和復雜電路參數(shù)計算問題這一主線統(tǒng)領教學過程。在此教學過程中注重面向電子技術應用的實際需求，提出解決問題的方法和措施，利用數(shù)學工具給出解決思路，從而培養(yǎng)學生工程技術創(chuàng)新思維新方法。在電子技術課程教學中提出教學內容重塑概念，面向新工科人才培養(yǎng)目標，培養(yǎng)具有自主學習、獨立思考和解決復雜工程問題的創(chuàng)新型人才。在課程學習過程中，培養(yǎng)學生歸納總結知識的能力及學習知識的方法和創(chuàng)新應用知識的能力。在此過程中把課程教學分為知識、方法和思維三個層次實施電子技術教學部署，電子技術課程教學中面向二極管、三極管和場效應管、集成運算放大器件組成的非線性放大電路開展教學任務，這些內容和前期電路中電學原理性知識學習不同。在理解半導體PN結知識基礎上，教會學生掌握半導體器件的知識之外，學生應該歸納總結半導體器件的電氣特性，如二極管的伏安V/I特性，測試其V/I特性曲線、數(shù)學擬合器件的特性方程，進而在后續(xù)學習電路分析中能夠根據(jù)器件特性曲線構建相應的電路模型，三極管和場效應管的學習過程也是如此。從而讓學生在掌握器件知識基礎上，歸納總結出半導體器件或者電子電路的一般化數(shù)學建模分析和設計思路，進而將其應用到放大電路的數(shù)學模型分析中去，從而實現(xiàn)由感性認識到理性思維的較變，學會抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，建立一般化放大電路的數(shù)學模型，實現(xiàn)由特殊案例電路到一般化放大電路，由簡單到復雜，再由思維抽象到思維具體，總結出適用于該類器件及其組成電路的分析方法，從而實現(xiàn)知識到能力的轉移轉化目標。如在乙類雙電源功率放大電路（OCL）內容在講授過程中，首先讓學生知道OCL電路來源于NPN管構造的射級輸出器電路，但是要達到提高功率放大電路的效率，減小信號失真的功率放大電路目的，需要做出兩點修改：讓其靜態(tài)工作點Q盡可能地降低到橫軸上來減小靜態(tài)管耗，但是這樣做的話很明顯引起了交流信號失真，由此再引入PNP管組成雙管互補的OCL電路形態(tài)，從而達到讓學生利用放大電路基礎知識分析和設計應用電路的目的。在直流穩(wěn)壓電源部分教學過程中，穩(wěn)壓模塊來自于穩(wěn)壓管電路，那么教學過程中就要分析其存在的輸出電壓不可調和、帶負載能力差的問題，根據(jù)前面章節(jié)所學習內容引導學生思考采取什么樣的措施來改進該電路存在的問題。提出了加入調整管措施和增加放大環(huán)節(jié)的改進思路，進而開展分立元件及集成運模塊組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源電路分析與計算，并且順利引入三端集成穩(wěn)壓器件應用分析與計算學習。

四、結束語

面向新工科高素質人才教育目標，把習近平總書記“教育強國”理念要求植入高校電子技術課程教學實踐中，通過對電子技術課程的教學內容創(chuàng)新性分析與組織教學，創(chuàng)新性地設計了電子技術課程教學關鍵點及其教學思路，抓住教學內容主線把新工科學生創(chuàng)新性工程思維培養(yǎng)融會貫通于教學過程，達到切實提高學生創(chuàng)新性工程素質培育水平的目的。通過鄭州輕工業(yè)大學電類專業(yè)的電子技術教學實踐應用，學生學習積極性和教師教學主動性得到明顯改善和提高，學生學習效果也得到改善，從而達到了教學實踐改革的目的。由此總結出電子技術課程教育教學切實可行的實踐做法值得在全國高校中進行推廣和應用。

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