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EDA即電子設計自動化,以計算機和仿真軟件為工具,可以完成整個電路從系統(tǒng)級到物理級的設計與分析。常用仿真軟件有Matlab、Protel、Multisim和PSpice等,考慮到Multisim先進的電路仿真和設計功能且一年級時曾作為學生的自修課程,本次教學研究采用Multisim軟件。在模擬電子技術的理論教學中,對于那些概念分析抽象、不易理解的部分,利用Multisim,教師可以構建電子電路模型進行仿真演示,通過波形圖和數據直觀展示各種參數變化和虛擬故障對電路靜態(tài)動態(tài)性能的影響,具體而又生動,不僅可以加強學生對理論知識的理解,還可以激發(fā)學生的學習興趣,提高課堂教學效果。例如在模擬電子教學中第一次講解共射放大電路時,很多同學對放大線路中各個節(jié)點的波形分不清楚,不知道直流信號和交流信號如何疊加在同一個電路中,電路中各節(jié)點信號的相位關系如何覺得難以理解。傳統(tǒng)教學中,僅僅靠在黑板上畫圖講解,教師難講,學生難懂,費事費力效果卻不好?,F在針對這個問題,教師可以通過Multisim搭建基本共射放大電路模型,設置模型參數,觀察仿真波形。共射電路輸入信號(節(jié)點2波形)和輸出信號(節(jié)點5波形)的反相關系,并且根據波形的峰值可以直接算出電路的電壓放大倍數。節(jié)點2和節(jié)點4波形是靜態(tài)工作點電壓和交流信號疊加信號,c1和c2兩個電容起到隔直作用。通過Multisim軟件的演示過程,直接把抽象的理論轉化成直觀的視覺感受,電路各點波形在學生的腦海里留下深刻的印象,教學效果事半功倍。教學過程的前期,可以在課堂上現場建立電路模型,演示如何進行仿真,讓學生逐漸掌握Multisim的使用。在教學過程的中后期,隨著學生對Multisim軟件的熟悉,為了節(jié)約課堂時間,可以事先把教材中需要講解的電路模型搭建好,用到時直接調用即可。通過這種理論教學和軟件演示相輔相成的教學方式,使得學生把電路原理、工作波形和數學關系等緊密結合在一起,全面掌握模擬電路的基礎理論,更好地理解這門課程。
3.EDA技術在模擬電子技術實踐教學中的應用
模擬電子技術在傳統(tǒng)的教學過程中,實踐教學基本都是基于實驗平臺操作。實驗平臺的特點是安全、便于操作,但是平臺電路有限,只能覆蓋課程教學中一部分基礎電路,基于實驗平臺的實驗基本都是驗證型實驗,且操作過程中平臺電路元件易損壞,不能很好地達到鍛煉學生動手能力的目的。這就使得學校教學比工程實際滯后,不利于工科應用型人才的培養(yǎng),造成學生眼高手低,進一步影響學生的就業(yè)和發(fā)展。因此,模擬電子技術實踐教學中引入仿真軟件,將平臺實驗和軟件虛擬實驗結合,先采用軟件對實驗進行設計仿真,后平臺實驗進行實際電路搭建,既加強了學生對理論的理解,又突出了學生的動手能力。實踐教學分成兩部分,第一部分是基本電路的驗證和演示實驗,加深學生對書本基礎理論的理解。該部分實驗相對比較簡單,學生主要在實驗平臺上進行操作,同時以Multisim仿真為輔,對一些在實驗平臺上難以操作的部分進行仿真驗證。如研究靜態(tài)工作點對電路動態(tài)性能的影響,實驗平臺操作只能觀察電路中的一個電阻參數改變對電路輸出波形的影響,而在虛擬仿真平臺上,可以對電路中所有涉及到靜態(tài)工作點的元件參數進行更改,進而觀察電路波形的變化,并且還可以連續(xù)改變元件參數對波形的變化進行實時觀測。第二部分是模擬電子技術課程設計,要求學生自己分析設計一個較大規(guī)模復雜模擬電路,給出嚴格的設計思路、理論推導和元件選型依據,在仿真軟件平臺上搭建出具體電路模型并通過仿真實驗驗證,然后進行實際電路焊接,充分發(fā)揮學生的主體作用,調動學生對該課程學習的主動性、積極性和創(chuàng)造性,提高學生對模擬電路的認識分析能力和創(chuàng)造能力。
2.EDA技術在模擬電子技術理論教學中的應用
EDA即電子設計自動化,以計算機和仿真軟件為工具,可以完成整個電路從系統(tǒng)級到物理級的設計與分析。常用仿真軟件有Matlab、Protel、Multisim和PSpice等,考慮到Multisim先進的電路仿真和設計功能且一年級時曾作為學生的自修課程,本次教學研究采用Multisim軟件。在模擬電子技術的理論教學中,對于那些概念分析抽象、不易理解的部分,利用Multisim,教師可以構建電子電路模型進行仿真演示,通過波形圖和數據直觀展示各種參數變化和虛擬故障對電路靜態(tài)動態(tài)性能的影響,具體而又生動,不僅可以加強學生對理論知識的理解,還可以激發(fā)學生的學習興趣,提高課堂教學效果。例如在模擬電子教學中第一次講解共射放大電路時,很多同學對放大線路中各個節(jié)點的波形分不清楚,不知道直流信號和交流信號如何疊加在同一個電路中,電路中各節(jié)點信號的相位關系如何覺得難以理解。傳統(tǒng)教學中,僅僅靠在黑板上畫圖講解,教師難講,學生難懂,費事費力效果卻不好?,F在針對這個問題,教師可以通過Multisim搭建基本共射放大電路模型,設置模型參數,觀察仿真波形。共射電路輸入信號(節(jié)點2波形)和輸出信號(節(jié)點5波形)的反相關系,并且根據波形的峰值可以直接算出電路的電壓放大倍數。節(jié)點2和節(jié)點4波形是靜態(tài)工作點電壓和交流信號疊加信號,c1和c2兩個電容起到隔直作用。通過Multisim軟件的演示過程,直接把抽象的理論轉化成直觀的視覺感受,電路各點波形在學生的腦海里留下深刻的印象,教學效果事半功倍。教學過程的前期,可以在課堂上現場建立電路模型,演示如何進行仿真,讓學生逐漸掌握Multisim的使用。在教學過程的中后期,隨著學生對Multisim軟件的熟悉,為了節(jié)約課堂時間,可以事先把教材中需要講解的電路模型搭建好,用到時直接調用即可。通過這種理論教學和軟件演示相輔相成的教學方式,使得學生把電路原理、工作波形和數學關系等緊密結合在一起,全面掌握模擬電路的基礎理論,更好地理解這門課程。
3.EDA技術在模擬電子技術實踐教學中的應用
二、課程考試改革體系實際案例
以二級反饋電路設計考題為例,要求針對這一考試題目,學生掌握以下三點:1.掌握放大器基本原理;2.掌握基本放大器和負反饋放大器的放大倍數間的關系;3.掌握負反饋放大器能改善輸出波形的原理??荚囶}目為:(1)當開關放在位置“1”時,請判斷此電路中引入的反饋網絡是哪些?反饋的信號是直流還是交流信號?是正反饋還是負反饋?哪種組態(tài)?對電路的哪些性能有影響?(2)首先,調節(jié)靜態(tài)工作點,設置Vc1=5.2~5.6V,Vc2=4.5~4.8V,當輸入電壓設置在1~3mV時,分別求出開關放在位置“1”與位置“2”時的交流信號輸出與輸入的電壓之比。(3)觀察輸入波形的失真并改善:輸入信號的頻率保持1KHz,逐步增大輸入信號Vi,使輸出波形出現失真,(Vi=10mV)(a)在無反饋的情況下(但有Rf的負載效應,即Rf與RL并聯),記錄此時的VO值,觀察波形。(b)在上述情況下,接入負反饋回路,觀察輸出波形。然后增大輸入信號使輸出也為VO值,觀察并比較兩波形。通過上述三個問題,學生首先要對電路進行理論分析,綜合所學基礎理論,對反饋形式進行判定。然后再運用EDA軟件,例如EWB軟件,對電路進行設計,并完成仿真,得到兩個開關位置下的交流信號電壓放大比例,同時在實驗平臺上構建實際電路進行驗證。最后,通過EDA仿真手段與實驗電路驗證組合的方法,結合EDA中模擬示波器與實際示波器輸出波形,完成輸入輸出波形記錄,理解反饋電路對于波形失真的改善原理與效果。綜合上述操作,進行考試打分。各個子模塊都有分值標定。經過三個模塊的考核,綜合測試學生的基礎理論水平、EDA仿真軟件設計能力以及實際電路搭建及操作能力。教師則針對新的考試體系出現的新情況、新現象進行總結,進一步提高學生的綜合素質與專業(yè)水平,使得學生真正能夠達到理論與實際結合,甚至能夠提出富有創(chuàng)新意義的課程學習思路。
對電氣自動化技術專業(yè)職業(yè)崗位能力進行分析,《模擬電子技術》課程專業(yè)技能有:電子元器件應用技能,電子電路應用技能,電子電路設計技能,電子產品安裝、調試及初步開發(fā)技能;《模擬電子技術》課程能力拓展有:本課程工程實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力。在確定了《模擬電子技術》課程的技能要求后,再以各類電子電路為載體,來確定教學內容。
1.2教學內容的選取充分體現職業(yè)技能和綜合素質訓練的特點
通過對企業(yè)職業(yè)崗位的調研,根據高職高專教學理論及職業(yè)崗位知識能力要求分析本課程,把實用電子電路如直流穩(wěn)壓電源、晶體管延時釋放電路、正弦波振蕩電路、音頻功率放大器等電子產品的制作與調試作為教學的主線,按電路的結構進行剖析,分解成若干個項目,每一個項目中又用若干個任務來承載,以任務驅動式的方式,體現對學生職業(yè)技能和綜合素質的訓練。
1.3構建《模擬電子技術》課程體系
首先,《模擬電子技術》課程要學習基本電子器件,這部分內容要突出各種電子器件的基本結構、工作特性、主要參數及應用這條主線;其次,電子電路部分,要從靜態(tài)和動態(tài)的角度分析電路的工作情況,這部分內容要突出放大電路的三種組態(tài)這條主線。
2多種教學方法和手段在課程教學中的有機結合
2.1傳統(tǒng)板書教學與多媒體技術教學相結合
《模擬電子技術》作為一門專業(yè)基礎課,理論教學是必要的而且是重要的,學生只有掌握了必須的和夠用的基本理論,才能進行實踐活動。傳統(tǒng)的理論教學手段是“粉筆+板書”的模式,這種教學手段便于學生與教師的直接交流,有效信息保留的時間長,便于學生思考和記筆記,特別是對電子電路圖的來龍去脈有清晰的理解和認識,但畫圖費時間,影響了教學的進程,教學效率較低。采用電化多媒體教學,教師能從大量的板書解脫出來,可以預先將大量的教學信息存儲起來,并且可以反復取出,不斷加深學生的印象,但有效信息保存的時間過短,不利于學生的思考和記筆記。實踐證明,傳統(tǒng)板書教學手段在模電教學中,優(yōu)勢更明顯,特別對高職學生來說,更加適用,故筆者堅持一堂課三分二時間用板書教學,三分之一時間用多媒體教學。
2.2引入實例,激發(fā)求知欲望
目前,大部分高職學生對理論學習興趣不大,如果不改進教學方法,勢必會使學生越來越厭學,到頭來大部分學生理論不懂,技能也不會。因此,根據高職學生的職業(yè)要求和模電在日常生活中的應用情況,在課堂教學中應該努力提高學生的學習興趣,古語云:“好之者不如樂之者”,這充分說明,能激發(fā)學生的學習興趣對學好一門課程的重要性。因此在每一個課程單元的講授中,都需引入與之相關的示例,譬如,講授到二極管這一單元時,先引入實際中的直流穩(wěn)壓電源這一實例,可以是實物也可以是圖片,再說明沒有二極管,也就不可能得到直流電源,學生的興趣上來后,再講解二極管的基本結構、工作特性及主要參數,這樣可以讓學生在精神振奮中愉快地接收這個知識單元。
2.3精心備課、激情講解
對于高職學生來說,精心備課、激情講解尤為重要,因為高職學生基礎相對較差,理論知識的接受相對緩慢,稍不留意,就會出現上課講話或打瞌睡的情況,激情的講解,巧妙的提問可以緩解這種現象。2.4反復練習,進行章節(jié)測試在平時的教學中,根據內容的重、難點,反復練習,從而達到鞏固所學知識的目的。嚴格的練習和測驗,還能使學生養(yǎng)成良好的學習習慣和嚴肅認真的學習態(tài)度。
2.5進行課外質疑
課后立即抽一部分學生對所學內容進行質疑,以反思教與學的情況,同時也帶動了學生的學習主動性。
2.6組織班級學習小組
高職學生自主學習的主動性相對較差,為了改變這種現象,先組織一部分班級學習成績較好的同學,成立學習小組,每周活動一次,任課教師到場指導,以部分帶動全部,班級的學習積極性有了很大的提高。
2.7學生模擬講課
提前一周把需要模擬講課的內容告知學生,模擬講課的時間控制在10分鐘左右,學生準備教案,老師檢查并提出修改意見,學生講完后,進行學生互評、教師點評、教學補充。這樣有助于鍛煉和提高學生的社會交際能力;有助于學生表達能力的提高;有助于營造教學相長的學習氛圍;有利于培養(yǎng)學生自主學習的能力。
2.8進行課外制作
精選10個左右實際應用電路,如:可調直流穩(wěn)壓電源、水位開關、觸摸開關、聲光控節(jié)能燈、耳放電路、音頻功率放大器等。在講授相應部分的理論內容之前開始布置題目,這樣學生就會帶著問題聽課,要我學變成了我要學。該部分理論內容講授完后,學生就要去購買元器件,進行焊接制作,在制作過程中,學生對實際的電子元器件的工作原理、主要參數、管腳判別就有了新的認識。要求每個學生單獨制作,一周后老師進行驗收,并記錄平時成績。沒有通過的,展開討論,查找原因,這樣既鍛煉了學生的動手能力又促進了理論的學習。
2.9參加技能大賽
提升創(chuàng)新能力、實際工程應用能力和團結協(xié)作能力在班級成立興趣小組,利用課外時間進行科技活動,指導他們繪制PCB板圖,并利用制版機設備自行加工制造PCB板,使學生掌握電子線路設計的全過程,為他們以后參加各類電子設計大賽打下良好的基礎。
2.10仿真訓練
利用EWB仿真軟件對模擬電子技術中的單元電路進行仿真。由于教學時數的限制,教師在課堂上只須簡要的講解該軟件的使用方法,其余留給學生自學。每講完一個單元電路,就布置EWB仿真作業(yè),并記錄平時成績,這樣能充分發(fā)揮學生的主觀能動性和創(chuàng)造性,培養(yǎng)學生的專業(yè)能力和方法能力。
3實踐教學環(huán)節(jié)的改革
《模擬電子技術》課程作為一門應用技術,具有很強的實踐性,必須加強實踐教學環(huán)節(jié)。實踐教學是培養(yǎng)學生技能的重要途徑,能夠有效地提高學生分析問題、解決問題及理論聯系實踐的綜合素質。實驗必須由驗證性、綜合性和設計性實驗三部分組成。目前,大部分學校都是教師少、實驗時間短(一個實驗基本上是兩節(jié)課),為了解決這個矛盾,要求學生實驗前必須預習。每個實驗就是一個項目,實驗的每一步就是一個子項目,指導教師在實驗過程中,對每一個子項目進行驗收,現場評分,這樣極大地提高了學生實驗的積極性,對提前做完的學生,加做實驗,驗收通過后加分。
4考核方式的改革
2要引導學生進行思維方式的轉變
模電作為一門技術基礎課,有其自有的特點和規(guī)律,其課程更重視理論與實踐的結合。一般教學計劃都是電工基礎安排在模電課程之前來作為模電的基礎課程,但如果不加分析地用電工基礎的分析方法去分析模電,可能不會得到正確的結論。模電的理論有其自身的特點,表現在:第一,模電主要的電子器件二級管、三級管都是非線性器件,這與線性電路的分析和計算是有很大區(qū)別。第二,模電的分析都是直流加交流的分析方法,即直流通道和交流通道。直流通道決定靜態(tài)工作點,而交流通道是信號的通道。第三,反饋網絡是模電經常使用的電路,不管是運算放大器還是振蕩器都必須有反饋網絡的構成。以上幾點正是學生學習模電的難點,因此在講課過程中,要讓學生了解這些特點與難點,調整思維方式和學習方法,使學生能夠正確把握這門課程的學習特點。以下通過幾個實例說明如何引導學生思維方式的轉變。
2.1非線性電路與估算
在模電中常用的二極管、三極管的伏安特性為非線性,一般稱為非線性元件,而電阻、直流電源的伏安特性為線性,一般稱為線性元件。在模電中線性元件與非線性元件共同組成各種電路,那么電路的計算問題在電工基礎中并未涉及,那么計算這種電路目前使用估算法、圖解法。有的同學往往提出為什么不用解析法,而那樣計算的不是更精確嗎?在講解這類問題時要給學生講清楚估算法在工程計算中是非常重要的,它能使有些計算問題變得簡單,能較快地解決實際問題,而用解析法,一是目前學生的數學知識不能解決這種問題,二是如果能用高等數學的方法解決,但過程過于繁雜,雖然計算精度高,但與估算結果差距不大。因此在這里要讓學生思維方式有一個轉變。
2.2放大電路的直流通路與交流通路
在模電的放大電路中,直流通路和交流通路的分析也是模電獨特的電路分析方法,由于二極管、三極管中PN結死區(qū)電壓的存在,必須在交流信號通過放大電路時有一個直流電壓及電流的存在,這樣才能保證交流信號不失真地通過放大電路。這也是學生需思維轉變的一個重要方面。對于三極管、電阻、電容、電感、電源等電子元器件,它們分別在直流電及交流信號激勵作用下的不同響應決定了它們在直流電及交流信號中所起的不同作用,這些都是分析復雜放大電路的基礎。很難想象不清楚放大電路直流通路和交流通路的學生能夠學習好這門課程。
3通過課程綜合實驗提高學生的整體水平
考慮到針對物理專業(yè)的課程學時數少,但內容多,重點和難點多,而學生動手能力較弱,過于注重理論公式的推導等情況,整合了“模擬電子技術”課程內容結構,逐步減少理論學時,增加實驗學時,使二者比例達到一個最合理值。刪減部分陳舊知識,融入新技術的應用,以理論為基礎,強調應用,將理論與實踐、技術與應用較好的融合在一起。
2.教材與參考書目選用應符合物理師范生專業(yè)特點
全國各大高校都陸續(xù)出版了許多優(yōu)秀的教材。但是每一本教材的側重點和難易程度也各不相同。選用較多的是高等教育出版社出版、由康華光主編的教材,由童詩白主編的教材以及楊拴科等主編的教材。根據物理師范生注重公式的邏輯推理的思維特點。所以選取更側重于基本概念的講解,邏輯性強,知識點豐富,學生需要掌握的內容多,由童詩白主編的教材更加適合西部師范院校物理專業(yè)的學生。
3.核心突出內容的取舍
模擬電路就是處理模擬電壓和電流的電路,而由于現實生活中大多信號較為微弱的模擬信號,所以要進行信號的放大,這也是模擬電子技術課程的核心部分。所以本課程的核心內容自然非放大電路莫屬。與此同時,現實生活中相關器件的供電電源很多為直流電源,所以必然需要一種將電廠的交流電轉為直流的電路,此電路就是直流穩(wěn)壓電源。由此可知,主講內容就是放大電路和直流穩(wěn)壓電源,尤其是放大電路部分。
二、教學方法和教學手段改革
1.教學方法多元化
在選擇教學方法的時候,要特別注意培養(yǎng)學生的感性認識,以調動學生的主觀能動性為目的。比如在講授“反饋”概念時,我們可以運用類比教學法。教師可以以常見的冷暖空調的溫度調節(jié)過程為例。另外在教學過程中,也需多運用啟發(fā)式教學法,教師只有善于提出問題,才能更好地啟發(fā)學生進行積極的思考,變被動接收為主動學習。
2.充分利用仿真軟件
因為師范生最在意教學形式,如果僅僅在課堂平白地傳授復雜的模擬電路理論知識,枯燥的形式會讓師范生認為理論與實際相差太遠,進而對電子類課程失去興趣。所以在講授理論課時,利用計算機仿真技術,將虛擬電子實驗引入課堂教學中,可以隨時進行電路連接、仿真和測量,增強了教學的直觀性、形象性和生動性,有助于加強課堂互動,激發(fā)和調動學生的學習興趣,從而實現了理論教學和實踐教學的有機結合。
三、實踐教學環(huán)節(jié)
1.實驗準備
二、PN結的失與得
PN結就是得與失的產物。P型半導體與N型半導體的交界面因多子極型以及濃度差別,形成多子擴散運動,N區(qū)的電子擴散到P區(qū),P區(qū)的空穴擴散到N區(qū),在交界區(qū)域原有的電中性被破壞,P區(qū)失去空穴留下了不能移動的雜質負離子,N區(qū)失去電子留下不能移動的雜質正離子。這些不能移動的帶電粒子集中在P區(qū)與N區(qū)交界面附近,形成空間電荷區(qū)??臻g電荷區(qū)的逐步建立削弱了多子的擴散,而增強了少子的漂移。當多子擴散運動與少子漂移運動保持一種動態(tài)平衡時,交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū),即PN結。兩種不同極型的雜質半導體在交界面失去多子的過程,得到了一種導電性能獨特于雜質半導體導電能力的介質,帶來了半導體導電能力質的突變,這就是PN結的單向導電性,即正向偏置導通,反向偏置截止。復合的PN結,在制作工藝上的差別,分別有雙極型晶體管與單極型晶體管。晶體管在合理偏置下導電性能表現了特有的控制性能,即電流控制型的雙極型晶體管和電壓控制型的單極型晶體管。
三、放大電路的得與失
晶體管器件在“合理偏置以及順暢的交流通道”原則下就可以構建一個放大電路,一個微弱的輸入信號從輸入端引入,在輸出端得到一個幅值足夠的輸出信號,表現了小幅度的模擬量通過放大電路后得到了大幅值的模擬量,淋漓盡致地表現出信號幅值放大的概念。殊不知,這種放大電路的“放大”理解是表面的,是片面的,只看到“得”的現象,而沒看到“失”的本質。在放大電路中,工作電源不僅僅只是提供合理的偏置,更主要擔負著能源作用。放大電路僅僅只是一個信號幅值變換的平臺,微弱的輸入信號能源通過晶體管的控制作用改變著工作電源在輸出負載上的能量消耗。最常見的一個事例就是人們日常使用的收音機,收音機就是一個典型的放大電路。手持式收音機沒有電池,不可能發(fā)聲,裝上電池后就可以接收電臺信號,伴隨聽的時間與音量的大小,電池的消耗程度或使用時間就會不同。沒有收音機,人們不可能感受到空中的電磁波能量,有了收音機而沒有電源也聽不到悅耳的音樂,電池能耗使用殆盡了也享受不了。所以,嚴格意義上的放大電路是一個能源控制電路,放大電路的本質是弱小能量對大能量的控制。放大電路表面上得到了信號的幅值增大,實質上消耗了電源電能。
四、差分電路的失與得
單級放大電路的放大能力是有限的,總期望多級放大。多級放大電路是由若干級單級放大電路所組成,這樣單級放大電路之間就存在耦合關系,直接耦合是多級放大電路的典型結構形式,直接耦合的多級放大電路最突出的弊端就是零點漂移,零點漂移最核心的表現形式就是溫漂,解決零點漂移最有效的手段就是差分電路。差分電路由兩個特性完全一致的單級放大電路復合而成,表現在晶體管的特性一致,晶體管偏置電路器件參數一致。差分電路從理論到實用經歷了三個演變,即基本式差分電路、長尾式差分電路、帶恒流源的差分電路,這三個演變唯一不變的就是基本結構不變。通過電路分析不難得出結論,差分放大電路的差模增益與單級放大電路的增益是一樣的,然而,差分電路的共模增益接近零,有較大的共模抑制比,可以很好地抑制溫漂,而單級放大電路就無法解決溫漂問題。第一級放大電路溫漂決定了多級放大電路的溫漂,所以,集成運放的第一級總是差分輸入級??梢?,差分電路通過“失去”硬件(增加結構等價的電路,增大電路成本),得到了對共模信號的抑制能力,而并不改變對差模信號的放大能力。
五、帶寬增益積的得與失
考核放大電路的性能表現在增益、峰峰值、輸入電阻、輸出電阻、帶寬、失真度、輸出功率與效率等參數中,它們取決于放大電路組態(tài)、晶體管特性、電源以及應用的方式。在放大電路的時域分析過程中,總是期望放大電路的放大倍數越大越好,一級放大能力不夠就采取多級放大,以提高放大增益;在放大電路的頻域分析過程中,總是期望放大電路有很小的下限頻率和很大的上限頻率,頻率響應范圍越寬越好,即帶寬值越大越好。帶寬是上限頻率與下限頻率的差值,提高帶寬的有限手段就是盡可能提高放大電路的上限頻率值。通過電路的頻域分析可以發(fā)現,提高上限頻率與提高放大電路的增益是矛盾的,一旦當放大電路的晶體管選定之后,帶寬與增益之積是一個常數,放大電路的放大倍數增大幾倍,相應地該電路的帶寬就會減小幾倍,實際中,既要提高放大電路的增益又要擴展放大電路的帶寬,總是選取基區(qū)體電阻小、發(fā)射結與集電結電容效應小的高頻放大管。可見,放大電路帶寬增益積概念表現了得與失的理念,欲想得到較大的增益,必然失去頻率響應的范圍。
六、反饋放大電路的得與失
反饋是自動控制的一個重要概念,反饋放大電路是提高放大電路放大性能的重要手段,在電子技術應用中運用極為普遍。負反饋放大電路中,輸出信號部分或全部反送到輸入端削弱輸入信號,使得閉環(huán)增益相對開環(huán)增益減小了反饋深度倍,表面上損失了放大電路的增益,然而,對放大電路的其他性能技術指標得到了極大的改善,表現在增益的穩(wěn)定性得到了提高;環(huán)內的噪聲干擾抑制能力以及非線性失真得到了改善;電路的帶寬得到了擴展;輸入電阻與輸出電阻得到了相應的改善。如電壓串聯負反饋放大電路,增大了輸入電阻,有助于電壓輸入信號的放大;減少了輸出電阻,有利于輸出電壓的穩(wěn)定性。正反饋放大電路中,輸出信號部分或全部反送到輸入端增強輸入信號,閉環(huán)增益相對開環(huán)增益進一步增大,這是信號發(fā)生電路擾動起振的必然要求。信號發(fā)生器不會有輸入信號或者說就是一個零輸入電路,電路接通電源瞬間形成電路換路情形,通過正反饋選頻網絡(RC或LC選頻網絡)把輸出端的信號有頻率選擇性地反送到輸入端不斷放大,這種無止境的放大也必然帶來輸出信號的非線性失真,所以在電路中為了防止輸出信號的非線性失真,總是需要設置輸出穩(wěn)幅網絡??梢?,信號發(fā)生電路由放大電路、正反饋選頻網絡、穩(wěn)幅網絡三部分組成。穩(wěn)幅的有效措施就是負反饋,所以,信號發(fā)生電路必須維持正反饋特性與負反饋特性的動態(tài)平衡。負反饋放大電路失去了增益,得到了電路性能技術指標的改善;正反饋放大電路得到了增益的“膨脹”,失去了輸出信號的線性度,實際中為了挽回這種“失”,再次引入負反饋特性。
七、橋式整流的得與失
小功率直流穩(wěn)壓電源中整流的任務就是把交流電轉換成直流電,衡量整流電路性能的主要參數表現在兩個方面:(1)表征整流電路質量的參數,有輸出電壓和脈動系數;(2)表征整流電路對整流元件要求的參數,有正向工作電流和反向峰值耐壓。半波整流輸出電壓低,脈動系數大;全波整流輸出電壓高,脈動系數小。然而,全波整流不僅需要降壓變壓器的副邊引出中間抽頭,更主要對整流元件的反向耐壓提出了苛刻的要求,它是半波整流對整流元件反向耐壓值要求的兩倍。實際中,既要提高整流輸出電壓并減少紋波系數,又要對整流元件反向耐壓的要求不苛刻,有效的技術手段就是橋式整流,橋式整流相比全波整流,在電路結構上只是增加了兩個整流元件,但輸出效果等同于全波整流電路的整流;橋式整流電路對整流元件的要求等同于半波整流電路對整流元件的要求,把半波整流與全波整流各自的優(yōu)勢整合在一個應用電路中。可見,橋式整流電路通過“失去”硬件(增加電路成本),得到了優(yōu)于半波與全波整流電路的整流性能。
二、學習模擬電子技術的目標要求
首先是能力目標:學生能夠使用儀表對電子元件進行識別與檢測;能夠電路識圖、按圖進行電路焊接;能對典型電路安裝、調試、檢測、維護;能模仿設計簡單電子產品。其次是知識目標:學生熟悉二極管、三極管性能特點及其應用常識;掌握共射極放大器、共集電極放大器、差分放大器等分析和計算;掌握集成運放的線性和非線性的應用與分析;掌握直流穩(wěn)壓電源的分析與設計。再次是素質目標:學生能夠運用現代信息技術,尋找、搜索素材并做相應的修改;在項目訓練過程中會出現各種差錯,能夠耐心處理,并能按照要求完成任務;項目業(yè)務操作過程中鍛煉善于交流、善于溝通的能力;項目實施中能夠執(zhí)行安全的操作步驟。
三、模擬電子技術課程整體設計過程
(一)課程項目來源調研
通過模擬電子技術課程的學習,使學生掌握電子產品生產技工所需的理論知識和產品安裝、調試技能,培養(yǎng)良好的安全操作習慣和合作交流能力,為學生就業(yè)及持續(xù)發(fā)展打下扎實的基礎。因而課程項目的設計就是課程整體設計的重點與難點。課程項目設計需要先易后難,先簡后繁,循序漸進。
(二)項目設計
學習項目設計的基本依據是模擬電子技術課程涉及的工作領域和工作任務范圍,在具體設計過程中,以學生身邊常見的電子產品為載體,使工作任務具體化,產生了具體的學習項目。其編排依據是該職業(yè)所特有的工作任務邏輯關系,而不是知識關系。課程組最終以真實的項目為基礎,按照典型產品制作及典型電路的工作過程設計了LED閃光器、電子助聽器、呼吸燈三個個項目(如圖),共15個子項目,每個子項目完成是由若干任務所組成,針對每一個工作過程環(huán)節(jié)來實現相關課程內容的學習。每個項目的設置不宜過大,以免支撐的理論知識太多,導致教學組織比較困難,每個項目應該有其能力培養(yǎng)的側重點。
(三)項目實施
項目教學設計真正實現了以學生為主體,教師起指導作用,教學組織形式設計要有利于“教學做一體化”教學的實施。根據項目能力訓練的實施要求,設計學生學習訓練的組織形式,體現師生、生生互動合作,滲透式培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)。不僅要設計學生的學習組織形式,還要設計教師的教學指導組織形式。教師主要按照“行動引導教學法”的理念組織教學,不是主要按照“知識邏輯推導法”的思路組織教學。
(四)考核方案設計
一直以來“模擬電子技術”課程考試成績依照“期末+平時”按一定比例確定,并且期末考試成績占最大比重,與突出技能的要求相背離。而在該課程改革實踐中突出技能考核,重新確定考試成績比例,逐漸加大平時過程性考核的分值,期末爭取實現完全技能考核。項目的選取是學習的關鍵,創(chuàng)設學習資源和協(xié)作學習環(huán)境是教師最主要的工作,最終要以學生完成項目情況來評價學生的學習效果,但我們更要關注過程。課程考核評價的基本原則是:把能力評價與職業(yè)素養(yǎng)的評價相結合;多種評價方式的有機結合;評價主體多元化。課程考核時首先要從課程設置的目標出發(fā),采取過程性考核和自主學習加分制相結合的動態(tài)管理方式,每次上課隨時公布成績,最后一次課總成績即刻產生。過程性考核占總成績90%,包括出勤、課堂表現、課堂報告、學生評價、知識點測試、項目制作等內容;學生除了要培養(yǎng)技能,還應該培養(yǎng)其持續(xù)性學習的能力和一定的相關理論知識,這部分采用自主學習,教師輔導測試,自主加分占總成績10%。
2要引導學生進行思維方式的轉變
模電作為一門技術基礎課,有其自有的特點和規(guī)律,其課程更重視理論與實踐的結合。一般教學計劃都是電工基礎安排在模電課程之前來作為模電的基礎課程,但如果不加分析地用電工基礎的分析方法去分析模電,可能不會得到正確的結論。模電的理論有其自身的特點,表現在:第一,模電主要的電子器件二級管、三級管都是非線性器件,這與線性電路的分析和計算是有很大區(qū)別。第二,模電的分析都是直流加交流的分析方法,即直流通道和交流通道。直流通道決定靜態(tài)工作點,而交流通道是信號的通道。第三,反饋網絡是模電經常使用的電路,不管是運算放大器還是振蕩器都必須有反饋網絡的構成。以上幾點正是學生學習模電的難點,因此在講課過程中,要讓學生了解這些特點與難點,調整思維方式和學習方法,使學生能夠正確把握這門課程的學習特點。以下通過幾個實例說明如何引導學生思維方式的轉變。
2.1非線性電路與估算
在模電中常用的二極管、三極管的伏安特性為非線性,一般稱為非線性元件,而電阻、直流電源的伏安特性為線性,一般稱為線性元件。在模電中線性元件與非線性元件共同組成各種電路,那么電路的計算問題在電工基礎中并未涉及,那么計算這種電路目前使用估算法、圖解法。有的同學往往提出為什么不用解析法,而那樣計算的不是更精確嗎?在講解這類問題時要給學生講清楚估算法在工程計算中是非常重要的,它能使有些計算問題變得簡單,能較快地解決實際問題,而用解析法,一是目前學生的數學知識不能解決這種問題,二是如果能用高等數學的方法解決,但過程過于繁雜,雖然計算精度高,但與估算結果差距不大。因此在這里要讓學生思維方式有一個轉變。
2.2放大電路的直流通路與交流通路
在模電的放大電路中,直流通路和交流通路的分析也是模電獨特的電路分析方法,由于二極管、三極管中PN結死區(qū)電壓的存在,必須在交流信號通過放大電路時有一個直流電壓及電流的存在,這樣才能保證交流信號不失真地通過放大電路。這也是學生需思維轉變的一個重要方面。對于三極管、電阻、電容、電感、電源等電子元器件,它們分別在直流電及交流信號激勵作用下的不同響應決定了它們在直流電及交流信號中所起的不同作用,這些都是分析復雜放大電路的基礎。很難想象不清楚放大電路直流通路和交流通路的學生能夠學習好這門課程。
3通過課程綜合實驗提高學生的整體水平
由于模電是一門與實踐聯系非常密切的技術基礎課,通過一些綜合實驗來提升學生的理論水平和實踐技能是非常重要的,因此在課程講完之后,筆者就安排一個超外差式收音機綜合實驗來提升學生模電的理論水平和實踐能力。讀圖——提升學生的讀圖能力,課上講的模電電路一般是各類單元電路,如共射基本放大電路、振蕩電路、功率放大電路等。通過綜合實驗課可以將各個電路串成一個整體,筆者通過對一個超外差式收音機電路圖進行整體講解和分析,來提升學生模電電路的整體分析能力。一般超外差式收音機的電路組成為變頻級——中放級——檢波級——低頻放大級——功率放大級,對照理論教學所講授的內容,變頻級對應振蕩電路及基本放大電路,而該放大電路又工作在非線性區(qū)屬非線性放大,這樣才能混頻輸出差頻信號,在這里還要補充講解一下放大電路的非線性特性及應用,這樣使學生對三極管有了更深刻的認識,平時常常強調放大電路要工作在線性區(qū),似乎非線性區(qū)是不可用的、多余的,但通過這樣一個實例讓學生明白,三極管放大電路工作在線性工作區(qū)時可進行線性放大,工作非線性區(qū)時可以進行混頻等應用。這樣一級一級來分析后面的中頻放大電路、檢波電路、低頻放大電路、功率放大電路等。實踐證明,通過整體電路的分析與講解,學生的讀圖和分析能力得到了明顯的提高。
2以《模擬電子線路》課堂為例,分析新的研究型教學模式創(chuàng)新改革與實踐
對于信息工程專業(yè)來說,現有的研究型教學改革已經相當完善,研究型教學是指教師引導學生主動去進行學習的一種教學方式,可以極大的提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力,然而,作為一個熱點的教學改革模式,它所面臨的問題仍然很多,比如在課堂中很難有足夠的時間進行研究,或者缺乏在課下進行充分交流的平臺,本文將在教學目標、教學內容、教學方法和實驗分析四個方面進行進一步的研究型教學改革的探究.
2.1明確課程教學目標,真正發(fā)揮學生的主體地位
《模擬電子線路》是一門應用性較強的技術基礎課程,主要介紹模擬電路的結構與工作原理、模擬電路的定性分析與定量計算、集成模擬電路的應用,是進行實驗、測量以及微機原理的基礎,也是高校理工科學生的一門必修課程.該課程包括理論教學和實驗教學,學生在課堂上學習了基本的電路原理和估算方法后,通過實驗課程的學習,鍛煉自己的動手能力,理論與實踐的結合,可以替將來的工作打下基礎.課程的性質決定教學目標,同時也決定了其授課方式.在理論學習方面,從13年開始,我校就在原有基礎上制定了新的信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案,模擬電子技術作為信工專業(yè)的專業(yè)基礎課,將和數字電子技術同時在第三學期開課,這樣就為模擬電子后續(xù)的課程比如嵌入式系統(tǒng)、FPGA、DSP等課程提供了充足的時間,既能保證合理的授課順序,也使學生盡早地掌握信工專業(yè)的基礎知識,有利于參加各項科技設計活動,參與實驗室開放性課題申請以及大學生電子設計競賽等.在實驗教學方面,實驗課程體系由基礎實驗、綜合實驗、課程設計以及開放性實驗構成,實驗課將在學期第八周開始,這樣既能保證學生具有一定的理論知識,也能夠保證實驗能夠針對理論知識進行及時驗證,以不斷提高學生的知識運用能力和綜合創(chuàng)新能力,并且鼓勵學生在課外進入實驗室或者課題組,參與大學生創(chuàng)新訓練、飛思卡爾智能汽車競賽、以及大學生電子設計競賽等活動,并將這些課外活動列入培養(yǎng)方案,給予相應的額外學分,激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新精神,真正達到以學生為主的教學目的.
2.2豐富教學內容,提高學生的綜合能力
在新的專業(yè)人才培養(yǎng)方案中,針對模擬電子技術課程,刪除了課程中比較繁瑣以及難度較高的部分,重點講解基礎知識和應用,著重介紹目前的前沿知識,努力提高學生的綜合能力和專業(yè)素養(yǎng).課程針對教學改革后的學時安排,對以往陳舊部分的教學內容進行適當刪減,包括放大電路的頻率響應,功率放大器的部分內容以及波形電路及電源部分,針對部分可由EDA軟件自動完成部分比如卡諾圖部分,不再要求學生推導,只要求掌握過程即可.在刪減陳舊內容的同時,還應加強基礎理論知識的講授,進行適當拓寬,如集成運算放大器和其他模擬集成電路的應用.在每章小結部分引入EDA內容,圍繞教學的基本要求和重點內容進行仿真,培養(yǎng)學生的動手能力,加深課堂理解.課堂教學不必照本宣科,也不必完全采取教師講授學生聽課的灌輸模式,老師根據課程性質,開辟新的教學方法.在每節(jié)課接近下課時間布置學習任務,讓學生課后閱讀教材,分組討論,并且提出自己解決不了的問題.在下節(jié)課上課時,利用10—20分鐘的時間分組匯報學習心得并提出問題,由其他小組對該問題進行解釋.這樣的互動學習結束后,教師可以針對各小組的疑難問題,結合教材難點和重點內容進行分析、講解,這樣一來,不僅調動了學生的積極性,讓他們主動查閱資料解答疑惑,同時,也可以加深對知識點的記憶.
2.3充分利用多媒體網絡技術教學,提高學生的綜合能力
對于研究型教學來說,網絡是老師教學信息的平臺,而目前多媒體網絡技術日新月異,當前學生獲取信息的主要途徑也是網絡,因此,網絡并不應該只局限于遠程教學,應該存在于任何需要應用的教學課堂中,作為老師和學生之間共同研究和交流的平臺.第一,利用網絡技術培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力.傳統(tǒng)的教學模式,教師和學生面對面授課,學生遇到難題,往往羞于向老師請教,或者在同老師交流的過程中產生失敗感,面對紛繁枯燥的知識點,學生往往感到力不從心,缺乏自信.而面對虛擬的網絡,學生不用擔心同老師的交流帶來的尷尬,面對網絡這一新型學習工具,面對網絡中豐富的知識,學生會有強烈的探索欲去探求新的知識.當然,這種探索是要在任課教師的有效引導下進行.任課教師通過《模擬電子線路》學習網站,將平時課堂上講授的重要知識點梳理出來放在網站上供學生們共享;建立BBS模電學習交流網站,供學生們就相關知識點發(fā)表自己的看法.任課老師只要稍加引導,就能將網絡變成教學陣地,為教師和學生共謀福利.第二,利用網絡技術培養(yǎng)學生的思維能力.任課老師通過模電學習網站,將知識點上傳到網絡中,并留給學生一定的自我動手機會,學生針對學習網站中的大量知識點,可以進行整理、比較、分析,從大量紛繁復雜的信息中提取出有利于自身理解記憶的部分.通過這樣的思維訓練,可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力.同時,任課教師還可以針對知識點布置給學生諸如程序設計之類的課后作業(yè),同一程序,不同的學生會有不同的分析方式和解決方法,通過網絡信息平臺上的交流,自然可以培養(yǎng)一種發(fā)散的思維方式.要實現以上要求,網絡平臺必須包括以下幾個部分:
(1)課堂區(qū):作為每一節(jié)課后的延伸,主要包括課件區(qū)和作業(yè)區(qū),老師在課堂區(qū)該節(jié)課的課件以及課后作業(yè)供學生下載;
(2)綜合討論區(qū):里面包括各個老師認為重要知識點的分區(qū),學生可以對感興趣的話題進行提問和探討,針對問題和老師形成討論;
(3)懸賞區(qū):老師不定期的任務,并附加任務相應的分數,任務內容包括課堂知識的運用以及課堂延伸知識題目,學生領取任務并完成后可得到相應分數,允許學生在綜合討論區(qū)討論相關題目,在每期任務完成后公布答案和完成人,實驗任務也可放入懸賞區(qū);
(4)意見區(qū):學生和老師可就教學情況進行溝通,幫助老師及時了解問題所在,幫助教學任務的完成.
2.4上好實驗課程,做好理論知識與實踐能力的有效銜接
作為課堂教學的延伸,實驗課是理論課的有效指導以及必要補充,因此,實驗教學同樣是提高學生創(chuàng)新及思維能力的有效途徑,幫助學生鞏固知識和發(fā)現創(chuàng)新.通過網絡實驗目的和實驗過程,指導學生在實驗過程中驗證知識、開拓視野.最后通過網絡上傳實驗結果以及學習心得,提出疑惑并尋求答案,通過各種途徑提升學生的學習和動手能力,真正掌握所學習的知識.在課余生活中,建立了一個完全開放性的實驗室,學生可以隨時進入到實驗室當中,通過完成實驗內容驗證自己所學習的知識,教師在授課過程中,將課程與實驗相結合,鼓勵學生進入實驗室中去驗證,通過在網絡實驗任務,促使學生主動進入實驗室中完成任務并領取獎勵,這樣既調動了學生的學習積極性,使學生主動的參與網絡知識的探討,又可以有效的完善課堂教學,將網絡中的問題拿到課堂中與學生互相探討,創(chuàng)造了良好的學習氛圍,在相互學習的過程中,教師也不斷的積累了豐富的教學經驗.
二、模擬電子技術的主要學習難點
(一)元器件特性難理解電子電路是由二極管、三極管等半導體器件和電阻、電容等無源元件組成的實用電路,包含模擬電路和數字電路兩大類。模擬電子技術主要學習模擬電路的分析計算方法,其基本思想是運用線性電路的基本理論和方法,通過求解電路中電壓、電流等物理量,來分析模擬電路的各項性能指標,或確定電路中元器件的參數值。由電路理論我們知道:基爾霍夫電壓電流定律(KVL、KCL)和元器件的電壓電流關系(VAR)是求解電壓、電流的兩個基本出發(fā)點。因此模擬電子技術課程首先介紹半導體器件的基本特性及VAR。常用的半導體元器件有二極管、三極管和場效應晶體管等。對器件工作特性的理解,涉及到半導體PN結微觀機理、器件端口非線性VAR、電容效應、主要參數和溫度特性等諸多內容,尤其是三極管和場效應晶體管是三端元件,端與端之間的VAR更加復雜。這些半導體元器件表現出的非線性VAR的復雜性及溫度特性讓初學者感到頭緒亂、難理解。
(二)工程近似方法難適應在接觸模擬電子技術之前,學生被訓練成的思維模式是習慣用精確計算方法分析解決問題。而在模擬電子技術中,常采用工程近似方法,即根據實際情況采用不同的簡化方法分析各種電子電路。近似體現在具體情況具體分析,突出主要矛盾,簡化電路的分析計算模型,這種近似雖然會造成計算精度上的誤差,但可以大大地簡化分析計算的難度和工作量,而且也完全符合實際電子電路的精度要求。在模擬電路的分析計算中,有多種近似處理方法,如基本放大電路的交直流分析,對三極管采用不同的近似模型;運放應用電路的分析,對運放采用理想化的近似;功放電路的功率計算,采用大信號圖解分析對功率管做有效的近似,等等。學生頭腦中本來還沒有這種工程近似分析的思維方式,一下子面對這么多近似化簡的具體情況,容易不知所措,難適應。
(三)交直流的作用和相互影響難想象最基本的模擬電路是放大電路,即對輸入的模擬信號進行放大處理。放大電路也是構成各種功能模擬電路的基本電路。在分析放大電路時,一般用正弦波表示輸入的模擬信號,而電路要起到正常的放大作用,需要加直流電源,以保證電路中的三極管處于放大的狀態(tài),同時還需要設置合適的靜態(tài)工作點,以保證能對輸入信號進行不失真的放大。因此在實際的放大電路中,直流電源的作用和交流信號的作用總是共存的,但在分析計算時,往往采用分別計算方式,即在直流等效電路中計算靜態(tài)工作點,在交流等效電路中計算動態(tài)參數。在這些分析計算中,交直流電壓電流是如何相互影響的?何處體現出了這種影響?對用圖解法定性分析這種影響,學生往往不容易理解。另外模擬電路都是反饋電路,放大電路引入負反饋以改善電路的性能,信號產生器電路引入正反饋以實現振蕩。由于反饋作用,輸出端的電壓電流會影響輸入端的電壓電流,有的只有交流影響,有的只有直流影響,有的交直流影響共存,這種電壓電流相互影響關系使得電路分析計算更加復雜,學生更是難以想象這種作用對電路性能的影響。
(四)基本單元電路種類繁多性能各異難掌握盡管當今電子技術發(fā)展日新月異,新的電子產品層出不窮,電路系統(tǒng)的集成度越來越高,功能越來越全,但是構成這些電路系統(tǒng)核心的基本單元電路基本上沒有變化。掌握這些基本單元電路的電路結構,學會分析計算這些電路的性能指標,是模擬電子技術課程的學習目標。模擬電路系統(tǒng)的基本單元電路包括低頻電子電路和高頻電子電路?!澳M電子技術基礎”課程主要涉及低頻電子電路的分析與計算,其中包含了許多基本單元電路,如晶體三極管基本放大電路的三種組態(tài);場效應管放大電路三種組態(tài);功率放大電路;多級放大電路;差分式放大電路;電流源電路;反饋電路;集成運放電路及應用電路;穩(wěn)壓電路等等。這些單元電路各有其基本的電路結構和性能特點,在分析計算時,考慮的細節(jié)問題不同,采用的近似方法也不同。如基本放大電路的作用是不失真地放大微小的輸入信號,采用微變等效電路模型進行分析計算,而功率放大電路的作用是輸出大功率,即在電路的輸出端得到盡量大的輸出電壓和輸出電流,常采用圖解法分析電路的功率問題;為了克服直接耦合多級放大電路的零點漂移問題,采用差分電路結構,等等。這么多的基本電路結構,在分析計算時要考慮的細節(jié)和方法,都是與實際需求相關,沒有統(tǒng)一的規(guī)律和方法可循,正因如此,學生在學習時往往感覺很凌亂,摸不著頭緒,不容易掌握其核心思想方法,碰到一些實際電路問題就容易不知所措。由于缺乏對實際電路的了解和見識,即便是照葫蘆畫瓢會計算各種電路的性能指標,但還是難以想象這些單元電路究竟是如何體現它的功能的。
三、化解難點的一些教學策略
(一)利用簡單二極管電路,引入非線性電路近似處理方法目前許多的模擬電子技術教材,在關于二極管、三極管和場效應管器件介紹這部分內容中,花了相當的篇幅描述器件的工作原理、特性曲線和主要參數,而在放大電路分析時才引入圖解法和微變等效電路模型方法。圖解法分析放大電路的工作過程是教學難點,學生往往對曲線之間的映射關系不清楚。其實圖解法是線性和非線性電阻電路的一種分析方法。我們可以在分析簡單二極管電路時,引入圖解法和一般非線性電阻電路的近似處理方法,使學生在頭腦中建立起非線性電阻電路分析的一般思路。
(二)強調單元電路分析的基本步驟,引導分析思路和方法前面提到,基本單元電路是構成各種實際電子系統(tǒng)的基石,掌握了基本單元電路的結構、工作原理和特性,就容易分析和設計具有實際功能的各種電子系統(tǒng)。面對眾多的結構和性能各異的基本單元電路,我們采用所謂“五步教學法”,即固定的5個步驟講解基本單元電路:
(1)電路功能和電路結構以實際功能需求為先導,或是在總結已學單元電路不足的基礎上,引出要學習的單元電路,強調電路結構的構思方法和特點,使學生在認識電路同時,也能對電路構成的基本規(guī)律有所了解。例如在學習功率放大電路時,一般的教學策略就是,先簡單說明單管甲類功放電路的效率低的原因,提高效率的途徑,從而引出互補對稱乙類功率放大電路結構。然后說明構成電路的結構要素和關鍵元件,以幫助學生認識和記憶。
(2)工作原理分析在這個環(huán)節(jié),主要是定性分析電路中各個元件的作用,電路的工作過程,從而說明電路的功能。有些單元電路的學習,以定性分析為主,如負反饋放大電路的分類判斷,正弦波振蕩電路的分析等。反饋電路的分析和判斷,可以說是模擬電子技術學習的難中之難,針對具體電路進行判斷的過程是,首先要正確辨識反饋網絡和基本放大器的輸入端,然后判斷反饋網絡與輸入信號的位置關系,從而判斷是串聯或并聯反饋,再根據反饋量和輸出量的關系,判斷是電壓或電流反饋,最后根據瞬時極性法判斷是正反饋還是負反饋。以上判斷過程對負反饋放大電路和正弦波振蕩電路分析都適用,應該強調反饋量僅僅取決于輸出量,與輸入量無關這個基本出發(fā)點。
(3)主要參數分析計算在單元電路的學習中,有些電路要求掌握一些性能參數的計算,如放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)參數的計算、功放電路輸出功率和效率的計算,集成運放應用電路的分析計算,穩(wěn)壓電路的輸出電壓計算等等。這些計算中都采用了工程近似方法,不同的電路分析采用不一樣的近似方法,如靜態(tài)工作點的計算在直流通路中進行,三極管的發(fā)射極正偏時,采用0.7V模型近似,而在求放大電路的放大倍數、輸入阻抗和輸出阻抗等動態(tài)參數時,三極管采用的是微變等效電路模型,這些問題,與前面討論的非線性電路近似處理方法聯系起來,就好理解啦。討論這些電路的計算問題時,一定要強調說明不同電路計算的近似方法和手段,學生才會有的放矢地加以運用。
(4)應用及注意事項單元電路都是構成實際電子產品的基本電路。為了加深學生對模擬電路的認識,提高學習興趣,激發(fā)探索精神,在講授一些單元電路時,可以適當舉例,說明這些電路在實際中的應用。如學習功放電路時,可以擴音器電路示例,在學習直流穩(wěn)壓電源時,可以一個實際穩(wěn)壓器電路為例,還有集成運放構成的各種應用電路等等。有兩種教學策略說明單元電路的應用,一是從引入實際電路開始進入單元電路的學習,在實際電路圖中框出單元電路;二是在學完后舉例說明單元電路的實際應用,這時應從應用的角度說明應用電路的構成原則、元器件參數的選擇、應用條件等注意事項,有條件的話,可在課堂上做實物演示或仿真演示。
(5)歸納小結對于每個單元電路講解的最后,都應該按照以上4個步驟進行歸納小結,使學生對該單元電路結構特點和功能的加深認識、對該電路的分析方法和手段加深印象。再通過例題講解或練習,使學生學會分析和應用。我們強調對單元電路結構的認識,這樣在分析一個具體的、復雜的實際電路圖時,就容易從中劃分出一個個的單元電路,然后根據單元電路的功能和連接關系,推測出該實際電路的功能,這也是分析實用電子系統(tǒng)的基本方法。
(三)仿真和實物實驗相配合,提高認知和動手能力電子技術是一門理論和實踐都很強的學科,要學好模擬電子技術,離不開配套的課后實驗環(huán)節(jié)。通過實物實驗,學生可以加深對知識的理解,同時學會使用常用電路測試儀表,了解電路測試技術,提高動手能力。但以往的課后實驗都是在單元電路學完后才開展的,在學習時仍然存在不好理解等問題。隨著計算機技術的飛速發(fā)展,以計算機輔助設計為基礎的電子設計自動化(EDA)技術已成為電子電路分析與設計的主要工具,EDA系統(tǒng)中所包含的虛擬仿真技術可以作為電子技術課堂教學有效的輔助手段,實現對單元電路的演示,幫助學生理解所學知識。我們在教學中采用了ElectronicsWorkbench(EWB)軟件,在課堂上演示基本放大電路、功放電路、振蕩電路等單元電路的功能,能夠形象地看到一些電路現象,如輸出波形的變化及影響因素等?,F在有一種趨勢,就是電子技術的課程教學越來越軟化,甚至全部用EDA軟件仿真替代實物實驗,這是不可取的。我們認為模擬電子技術課程教學,一定要仿真和實物實驗相配合。在講授元器件時,把二極管、三極管、集成運放芯片等拿到課堂上展示。通過在面包板上搭建一個個實物電路,并通過實際儀器儀表對其進行測試和觀察,學生才能感受真實單元電路的魅力,提高認知和動手能力。