模拟电子线路课程教学改革的探索与实践

郭小军

(武汉船舶职业技术学院电子系,湖北武汉 430050)

模拟电子线路是电气工程类、电子信息类、自动控制类等专业的一门重要的专业基础课,对其掌握的好坏直接影响与之相关的各门后续课程的学习,但学生普遍的反应“模电”不好学。那么,“模电”的学习的难点在哪里,又如何突破呢?

1 解决模拟电子线路中直流信号与交流信号并存、交织在一起的矛盾

学生普遍感觉数字电路比模拟电子线路好学,原因之一是“数电”中信号单一,只有数字信号,而模拟电子线路中直流信号、交流信号并存,交织在一起,给分析问题带来了不小的难度。

要突破这一难点,首先要弄清楚为什么在电路中要同时存在直流信号、交流信号?放大电路的放大对象一般是输入的交流信号,交流信号从入到出的路径是分析解决问题的主线索,直流电源提供信号被放大所需的能量,因为放大器件本身是不能产生能量的。又因为晶体管的非线性,如果直接加入交流信号就可能产生失真,直流电源的第二个作用就是提供静态工作点,使晶体管工作于线性区间,从而尽量避免被放大的交流信号失真。

然后再来分析如何解决交直流并存的电路问题。由于电路理论中没有学过直接处理混合信号的问题,因此必须将直流与交流信号分开来讨论,即用叠加定理来处理。在很多教材中,不敢提叠加定理,因为三极管为非线性元件。实际上通过微变等效电路还是将三极管线性化了,因为通过静态工作点的设置,三极管工作在线性区。直流电源单独作用,即分析计算直流通路(分析静态工作点),这时将交流输入信号去掉;交流输入信号单独作用,即分析交流通路,这时应将直流电源对地短路。这样分析有理有据,学生容易理解;而大多数教材并未将问题的来龙去脉交待清楚,使学生在学习直流交流并存的电路时茫然不知所措。

2 解决模拟电子线路的抽象性问题

模拟电子线路不同于机械类的课程,看得见摸得着,信号的放大、电路的运行是不可见、不透明的,具有一定的抽象性。虽然做实验能帮助建立一定的直观印象,但仍显得不够具体、清晰。如对于静态工作点设置的必要性的认识,对信号失真的认识,无论你在课堂上如何讲,学生就是明白不了,甚至越讲学生越糊涂。

要解决这类问题,关键是要改变方法、教学手段。现在各高校普遍推广现代教育技术,如果整合多媒体工具与电子仿真手段进行教学,这个问题就迎刃而解了。电子仿真软件很多,如EWB(Electronics Workbench-电子工程师工作台)、Protel、PSPICE等。EWB具有直观、与实验室的仪器同样的界面,且学生容易掌握的优点。如对于基本共射放大电路,先取用EWB元件库中的BJT、电阻、电容、直流电源、交流信号源等元件连接成电路,然后取出示波器,接入电路的输入输出点,观测波形。调整输入信号的幅度,可以很直观地看到失真出现的情况;调整基极偏置电阻,可以看到何时出现截止失真、何时出现饱和失真,所讲的问题一目了然。

3 解决理论与实际相脱离的矛盾

模拟电子技术本来是一门理论性与实践性都很强、理论与实际相结合的课程,但由于一些教师只注重理论分析计算,忽视联系实际,一些教材的体系结构中也很少体现理论联系实际的思想,结果造成很多学生在学习这门课程时甚至学习完全部课程后也不知道它与实际生活、与实际工程到底有何联系。

在模拟电子线路课程的教学中,一定要注意理论联系实际,每一问题都要有实际问题与之相对应,每一课题都要来源于实际工程问题。如可以采用案例教学法,由一个实际问题引出课题,然后分析实际问题,引出相应的理论知识,最后还要落脚到如何应用所学的理论知识去解决实际问题。笔者采用以实际工程问题为线索的教学法,如图1所示,给出的条件是话筒有信号输入,要推动扬声器发声,将输入的声音信号放大,将信号放大的过程归结为一个黑箱,这个黑箱就是“模电”要学习的内容。在第一次课时就将这一学生能够理解的实际问题布置给他们,要求他们自始至终都将这个问题装在大脑中,并要求将解决这一问题的方案实际制作出来,这就是“模电”学习的线索。学生在模拟电子线路的整个学习过程中都围绕着这一问题,想着如何去解决,又引出了与课程模块图相关的解决方案,如图2所示。

图1 黑箱模型

图2 课程模块图

4 解决内容多课时少的矛盾

模拟电子技术新知识点多、新概念多、新方法也不少,而由于各种原因其课时正逐步减少,学生反应知识零碎、松散,内容太多,掌握、消化不了。

要解决这一问题,教师在备课上应多下点功夫。一是要主次分明,哪些内容是重点,要花多点时间,哪些问题可留给学生课后学习要分清楚,千万不能胡子眉毛一把抓。不然的话,可能面面俱到,课堂上满堂灌,结果学生什么也没有掌握牢靠。如对于晶体管器件,应重在讲清楚其外特性,而对于其内部载流子的运动则没有必要花太多的精力;对于集成电路,重在学习它的外部特性、功能,学会如何使用它,而对于其内部结构组成只了解一点就可以了。二是要对知识进行归纳总结,形成整个模拟电子线路课程的模块图及各模块内部的结构图。如笔者根据解决图2问题的线索及模拟电子线路课程的知识体系结构将课程分为直流稳压电源模块、电压放大模块、功率放大模块、信号产生电路模块(因为话筒的作用是产生信号,故它相当于信号产生电路模块)四个大的模块,又将电压放大模块分为BJT放大电路模块、FET放大电路模块及集成运放模块三个子模块,如图3所示。按照知识的内部联系还可将直流稳压电源模块细化为如图4所示的结构图(其它模块也可如此细化为结构图)。将课程模块化、结构化可帮助学生形成模拟电子线路课程的有机体系,将零碎的知识联系起来,在头脑中形成一个清晰的印象。

图3 课程模块

图4 课程模块细化

5 解决如何进行工程近似计算的问题

模拟电子线路课程中有很多地方采用了工程近似计算方法,如,计算静态工作点时忽略基射间的电压,学生往往对它产生怀疑,也不知在何时采用,如何采用。

首先要解决对工程近似计算的怀疑思想问题。近似了以后是不是影响计算的精度?电子技术处理问题的方法是否科学准确?这是怀疑的关键所在。其实这一问题也与理论联系实际有关,要使学生明白实际电子器件是具有很大的离散性的,如对三极管,其实际β值可能与技术资料给出的有相当大的误差,那么作很精确的计算有什么意义呢?在实际电路设计中如偏置电阻值并不是采用理论计算值,理论计算只是实际电阻值的参考,在实际电路中还要调整确定。其次是工程近似计算的使用条件,这要具体问题具体分析。如,二极管的正向压降,在整流滤波电路中一般可以忽略,但在用几个二极管串联的低压稳压电路中则不能忽略。要使学生明白工程近似计算其实是一种忽略次要因素、化繁为简的科学方法,促使他们学会善于运用这一方法。

1 康华光.电子技术基础-模拟部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,1999,6.

2 陈大钦.电子技术基础模拟部分(第四版)教师手册[M].北京:高等教育出版社,1999,10.