基于系統(tǒng)結構圖的模擬電子技術課程教學探索

王慶鳳 劉鳳敏 李波 王墨涵

基金項目：吉林省高等教育教學改革研究課題“基于機器人系統(tǒng)的項目驅動教學在《自動控制原理》課程中的改革研究與實踐”（吉教高〔2020〕17號）；吉林大學本科教學改革研究重點資助項目“‘模擬電子技術與‘自動控制原理課程關聯融合與協(xié)同促進式教學模式研究”（2023XZD062）

第一作者簡介：王慶鳳（1978-），女，漢族，吉林長春人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為傳感器智能化方法。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.028

摘? 要：掌握知識是教學目標的核心要素，對基本元件和基本電路的深入探索是領悟模擬電子技術課程知識的關鍵。為此，該文提出以系統(tǒng)結構圖為工具開展課程教學，首先分析教學內容與系統(tǒng)結構圖的關聯關系，然后通過兩個知識點的分析過程，闡述系統(tǒng)結構圖在課程教授中的具體應用，最后運用案例分析、仿真實踐、翻轉教學等教學方法，實現啟發(fā)學生融會貫通、注重創(chuàng)新培養(yǎng)、強化學生自主探究的目標。

關鍵詞：模擬電子技術；系統(tǒng)結構圖；教學方法；教學設計；自動控制原理

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0116-04

Abstract： Mastering knowledge is the core element of teaching objectives， and in-depth exploration of basic components and circuits is the key for understanding the knowledge of Analog Electronic Technology. The teaching method based on system block diagram is proposed in this article. First， the correlation between teaching content and system structure diagrams is analyzed. Then， through the analysis of two knowledge topics， the specific application of system block diagrams in course teaching is explored. Finally， teaching techniques such as case analysis， deepening simulation practice， and integrating flipped teaching are used to achieve the goal of inspiring students to thorough understanding， emphasizing innovation cultivation， and strengthening independent exploration.

Keywords： Analog Electronic Technology; system block diagram; teaching method; teaching design; automatic control principle

集成電路作為信息技術產業(yè)的核心，是支撐國家經濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產業(yè)[1]。模擬電子技術是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、面向解決制約我國集成電路產業(yè)發(fā)展問題的重要基礎課程。該課程是吉林大學電子科學與工程學院的大類學科基礎必修課程，通過多年的建設[2-3]，被列入吉林省本科精品建設課程，每學年選課學生近600人。該課程以集成電路為主體，通過課程學習，學生將掌握主要半導體器件和各種基本電路的組成、工作原理、特性、基本分析方法及其應用。

學生普遍認為模擬電子技術比較難學，主要原因有[4-6]：①工程性強，該課程近乎是學生遇到的第一門關于工程性的課程，元件參數的分散性、常用近似化簡、定性分析（可行性）和定量計算等問題使學生困惑；②難度大，比如深入到原子電子層的粒子變化、非線性元件的線性化、頻率特性等增加了該課程內容的復雜程度；③內容量多，各功能電路設計目標不同又關聯緊密，涉及電路分析基礎、半導體物理、反饋控制原理、信號與系統(tǒng)等知識的運用。

面對以上難點，如何消除學生對該課程的畏懼心理，提高學習興趣和學習效果成為一個亟待解決的問題。掌握知識是教學目標的核心要素，而對基本元件和基本電路的深入探索是領悟模擬電子技術課程知識的關鍵。本文基于作者多年同時教授模擬電子技術和自動控制原理兩門課程的教學經驗，提出在模擬電子技術課程教學中借助系統(tǒng)結構圖作為分析工具，幫助教師更好地引導學生深入理解基本元件和基本電路的結構、原理和功能，理清知識點及模塊之間的聯系，從而增強學習的興趣和信心，進一步掌握電路分析、應用與設計的方法。

一? 教學設計

（一）? 系統(tǒng)結構圖及其組成

控制系統(tǒng)的結構圖是一種利用數學圖形描繪各元部件間信號傳遞關系的數學模型，其展示了系統(tǒng)中各變量之間的因果關聯以及進行的運算，是控制理論中用于描述復雜系統(tǒng)的一種簡便方法[7]。模擬電路系統(tǒng)也屬于一類控制系統(tǒng)，因此在模擬電子技術能夠采用結構圖去描述電路結構、原理和功能，直觀地反映整個模擬電路系統(tǒng)的原理結構，描述各元器件之間的內在聯系，對電信號關系進行精確的定量描述。

系統(tǒng)結構圖的組成包含四種基本單元[7]：信號線、引出點、比較點和方框，如圖1所示。信號線為帶有箭頭的直線，箭頭的方向代表信號的傳輸方向，在這條線旁標注信號的象函數；引出點是指信號被測量或引出的位置，源自同一位置的信號在數值上和性質上都相同；比較點是對兩個或更多信號進行加減運算的標志；而方框則代表對信號進行運算或處理。系統(tǒng)結構圖是系統(tǒng)原理圖和數學方程的融合，它不僅增強了原理圖的定量描述能力，同時也為數學方程的抽象運算提供了直觀的展示。

（a）? 信號線? ? ? ? ?（b）? 引出點

（c）? 比較點? ? ? ? ? ? ? （d）? 方框

圖1? 結構圖的基本組成單元

（二）? 教學內容與結構圖的關聯

在大多模擬電子技術課程的教材中，沒有提及過系統(tǒng)結構圖的概念和組成，只在反饋放大電路和正弦波振蕩電路這兩個章節(jié)中給出過反饋放大電路的組成框圖，其實質就是自動控制原理課程中的系統(tǒng)結構圖。我們考慮借助課程間知識交叉融合去協(xié)同促進教學效果。

開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)、開環(huán)控制和閉環(huán)控制是自動控制原理中最基本、最重要的概念，而模擬電子技術中，模擬集成電路、單門限電壓比較器、功率放大電路和濾波器可被認為是開環(huán)系統(tǒng)（可能存在局部負反饋），運算放大電路、單管放大電路、負反饋放大電路、正弦波振蕩電路和雙門限電壓比較器等為閉環(huán)（正反饋/負反饋）系統(tǒng)。兩門課程的內容具有較強的關聯性和互補性。

在控制理論中，系統(tǒng)結構圖能夠描述各類系統(tǒng)的結構和變量關系，無論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)都適用，其貫穿了自動控制原理課程的全過程。因此，模擬電子技術中大部分的知識點也可以借助這種有效的圖形化工具展開深入分析，以明晰電路中元件、器件或電路模塊間的電流、電壓之間的關系，輸入、輸出與中間變量（其他電流、電壓）之間的關系，便于分析反饋放大電路，利于運算電路的增益求解，弄清楚信號的傳遞關系，電信號的變換關系等，易于分析定量的關系。無論從原理上還是定量計算上都更加明確和清晰。圖2給出了課程中可以應用系統(tǒng)結構圖的各個知識模塊。

二? 知識點案例分析

在“運算放大電路”和“雙極結型三極管及其放大電路”兩章中各選出一個知識點進行案例分析。

（一）? 差分放大電路

一種差分放大電路如圖3所示，其功能是計算兩個電壓信號vi1和vi2之間的電壓差值。

圖3? 求差電路

可以直接利用負反饋放大電路的虛短、虛斷的概念，結合電路定律得到

但該電路內部原理學生并不清晰，考慮到其中的虛短、虛斷、負反饋組態(tài)和深度負反饋等知識點的融會貫通，首先直觀地運用疊加原理可將圖3中電路分解成圖4所示的兩個電路的疊加。

可見，求差電路實際上是反相位和同相比例運算電路的疊加，負反饋放大電路的分析不容易掌握，能準確分析清楚各電信號及電信號間關系的學生并不多。對于輸入端反饋組態(tài)的判別，根據反饋信號與輸入信號是否作用在運放的同一輸入端，可以判斷圖4（a）為串聯反饋，反饋信號為？淄n，圖4（b）為并聯反饋，反饋信號為if，這樣就分析出結構圖的比較點信號的減法關系是？淄p-？淄n 和ii-if。對于輸出端反饋組態(tài)的判別，采用輸出短路法，即？淄o1=0和？淄o2=0時，圖4（a）中由于虛斷可得？淄n=0，且？淄n=？淄o·Ｒ1/（Ｒ1＋Ｒ２）；圖4（b）中由于虛短可得if＝０，且if＝（０－？淄o）/Ｒ4，因此都為電壓反饋。這樣就分析出結構圖中反饋通道的輸入信號都為輸出電壓，同時也分析出反饋通道輸出信號與輸入信號間的比值關系。

（a）? 串聯反饋? ? ? ? ? ?（b）? 并聯反饋

圖4? 圖3電路中兩個輸入分別單獨作用時的等效電路

通常，針對負反饋電路的要求是能夠分析出反饋組態(tài)和在深度反饋時計算出反饋部分的增益就可以了，然而缺乏從電路整體輸入到輸出之間關系的完整描述，反饋部分的輸入信號并不是求差電路的實際輸入，通過結構圖，可以把整個電路關系描述清楚。根據上述分析，可以繪制出圖5中虛線方框內的結構圖，反饋環(huán)路以外的部分，從系統(tǒng)ii1轉換到vp、從vi2轉換到ii也要考慮進去，如圖5所示。

圖5? 求差電路系統(tǒng)結構圖

通過繪制結構圖，各電信號之間的傳遞和定量作用關系就非常清晰。進一步，當|A|→∞時，可以利用結構圖的等效變換得到上文中公式的結果；利用結構圖中的負反饋原理，解釋虛短和虛斷成立的原因。

（二）? 射極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理

圖6是基極分壓式射極偏置電路的直流通路，其靜態(tài)工作點能夠穩(wěn)定的原理是當溫度變化時，利用集電極電流 ICQ的變化，通過發(fā)射極電阻Re取樣反過來控制VBEQ，從而使電流IEQ、ICQ基本保持不變的負反饋作用[8]。這樣解釋比較簡潔，道理上講得通，但答疑時經常有學生仍然追問其中的原理，說明僅僅這樣講授是不夠的，同時運用繪制系統(tǒng)結構圖進行分析，學生表示非常清晰。

射極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點原理的結構圖如圖7所示，其電信號的順向作用和反向聯系一目了然，可以容易地分析出，當輸出信號受到擾動（如溫度升高）以后，信號變化的過程如下

從而實現了基于偏差自動地修正輸出信號使其保持不變。

同時，易于明白固定基極直流電位和加入發(fā)射極電阻Re對于穩(wěn)定靜態(tài)工作點的重要性，解釋了教材中三個單管共射極放大電路之間的遞進關系，增加電阻Re能夠把輸出信號的變化檢測出來并反饋到輸入端，從而產生一個相應的輸入作用去減小或消除偏差；而電阻R2的作用是使VBEQ基本不受溫度影響而保持不變。

圖6? 射極偏置電路的直流通路

三? 教學方法

在系統(tǒng)結構圖的教學中，根據學生的實際情況和具體的知識點設計教學方法，包括案例分析、翻轉課堂和仿真實踐等。

（一）? 運用案例分析，啟發(fā)融會貫通

首先，在講授基本概念和原理的基礎上，設計基于系統(tǒng)結構圖的實際案例進行深入講解和分析。這些案例設計的核心是聚焦于課程的具體知識點，例如單管放大電路、差分放大電路、功率放大電路、反饋放大電路和比較器等，可以要求學生分析電路結構，運用系統(tǒng)結構圖來描述其工作原理和組成。學生通過觀察和理解系統(tǒng)結構圖，更加深入地理解電路的功能和設計思路。

其次，在案例分析過程中，教師可以使用啟發(fā)式的教學策略，引導和激發(fā)學生的思考潛能。例如，教師可以提出一些問題，如“這個電路為什么要這樣設計？”“這個元件在這個電路中的作用是什么？”等，以激發(fā)學生的學習興趣和思考能力。

最后，進一步考慮知識的綜合運用，建立各知識點的聯系，啟發(fā)學生融會貫通地掌握模擬電路的學習內容。例如從單管放大電路、差分放大電路、功率放大電路等案例到由它們組成的一個音頻放大器；從單管放大器、比較器、運算放大器到由它們組成的一個信號發(fā)生；從單管放大器、運算放大器、反饋放大電路到由它們組成的一個電源電路；僅通過一個綜合案例練習多個知識點的學習，啟發(fā)學生融會貫通地掌握模擬電子技術的知識。

（二）? 融入翻轉教學，強化自主探究

課前，教師提前準備相關的教學資料，包括PPT、教學視頻以及相關的電子元件和電路圖；設定明確的學習目標和任務，以便學生能夠有目的地學習。學生提前預習課程內容，觀看相關的教學視頻，了解課程的基本概念和知識點；完成教師設定的學習任務，更好地掌握課程知識[9]。我們在整個過程僅使用一個信息化平臺（超星學習通）來完成課前及課后的線上任務，避免關注多個平臺占據師生課余時間和精力以及可能產生的信息遺忘。

課中，教師先讓學生展示預習和自學的情況，考慮到每個課堂學生人數較多（130人以上），為提高每個學生學習的參與度，在課前5分鐘內以隨機抽簽的方式，確定展示的小組和成員的分工，這樣每個學生都有可能參與展示，會提前積極準備。然后，教師根據學生的展示情況，對知識點進行深入講解，并引導學生進行結構圖的繪制、系統(tǒng)地分析和設計。在教學過程中，教師可以適時地針對難點、疑點提出具體問題或開展小組討論，引導學生進行自主探究和思考，更好地解決問題。

課后，教師布置一些相關的練習題或實踐任務，以便學生能夠鞏固和深化所學的知識。同時，教師還可以提供一些拓展性的學習資料或建議，以便學有余力的學生能夠進行更深入的學習。利用信息化平臺即使學生多也容易進行信息收集，而且每個學生都能夠同等地參與和展示?；趯W情的分析對教學方法和教學過程迭代優(yōu)化，提升教學質量。

（三）? 深化仿真實踐，注重創(chuàng)新培養(yǎng)

基于系統(tǒng)結構圖的模擬電子技術課程實踐教學中，使用兩類仿真相結合的方式開展實驗。使用電路仿真軟件（如Multisim）搭建與實際模擬電路實驗相近的電子電路進行仿真實驗，讓學生通過觀察電路的響應和特性來加深對電路設計原理的理解；利用MATLAB/Simulink進行模擬電路系統(tǒng)建模、分析和設計，通過調整系統(tǒng)參數，觀察系統(tǒng)性能的變化。第一種仿真搭建的是模擬電子電路，第二種仿真搭建的是模擬電子電路的系統(tǒng)結構圖，兩種仿真理論和公式相輔相成、互相印證，更直觀地幫助學生建立基本的理論框架，深化理論理解，構建完整的知識體系。

在仿真實踐教學中，注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力。第一，鼓勵學生在實踐中進行探索，提出自己的見解和解決方案。第二，通過設定一些開放性的實踐項目或研究課題，如設計具有特定功能的電路或控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。第三，組織一些電子制作、機器人設計等實踐活動[10]，讓學生將所學知識應用到實際項目中。第四，引導學生發(fā)現模擬電子技術與其他專業(yè)課程之間的聯系和應用。通過多課程交叉的應用實例，如智能家居控制系統(tǒng)中的傳感器和信號處理電路設計等來提高學生的興趣，激發(fā)創(chuàng)新精神。

四? 結束語

本文提出以系統(tǒng)結構圖為教學工具，通過教學內容與系統(tǒng)結構圖的關聯關系、兩個知識點的分析過程、運用案例分析、仿真實踐和翻轉教學等多種教學方法，探討了系統(tǒng)結構圖在課程教授中的具體應用。基于系統(tǒng)結構圖的教學可以較好地解決模擬電子技術課程工程性強、難度大、內容量多等難點，增強學生學習興趣和信心；能夠深入明晰元件和電路的機理與定量關系，融會貫通課程知識；能夠培養(yǎng)學生的電路思維，提高實踐和創(chuàng)新能力。教學實踐表明，系統(tǒng)結構圖在模擬電子技術課程教學中具有較強的應用價值。

參考文獻：

[1] 國家集成電路產業(yè)發(fā)展推進綱要[Z].2014.

[2] 汪雨冰，王睿，衛(wèi)克，等.開放式模擬電子技術實驗平臺在教學中的應用[J].科技展望，2015，25（16）：181.

[3] 王慶鳳，李傳南，楊罕.基于問題庫建設的“模擬電子技術”課程的細節(jié)教學研究[J].教育現代化，2017，23（52）：162-163，166.

[4] 李香宇，胡昊，劉曉娣，等.模擬電子技術混合式教學的探索與實踐[J].大學教育，2022（9）：135-137.

[5] 孫敏.“模擬電子技術”教學中微實驗的應用[J].電氣電子教學學報，2022，44（2）：171-174.

[6] 方波，李繼凱.線上翻轉課堂教學模式實踐——以模擬電子技術課程為例[J].高教學刊，2021（11）：46-50.

[7] 胡壽松.自動控制原理基礎教程[M].4版.北京：科學出版社，2017.

[8] 康華光.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2017.

[9] 張靜，紀密，胡昊，等.“模擬電子技術”課程中O-PRSIRTAS教學模式探討[J].電氣電子教學學報，2022，44（2）：82-86.

[10] 王慶鳳，王紅波.“自動控制原理”課程的一致性建構教學研究[J].電氣電子教學學報，2021，43（4）：57-61.