“电路与电子线路基础”课程教学博物实验板

2014-07-04王志功赵鑫泰王巍巍

电气电子教学学报 2014年6期

王志功，徐建，马力，赵鑫泰，王巍巍

(1.东南大学射频电路与系统教育部工程研究中心，江苏南京210096;2.南京矽志微电子有限公司，江苏南京210096)

0 引言

“电路与电子电路”课程是电子信息类专业重要的技术基础课程，其工程性和实践性非常强。它所涉及的基本理论、基础知识和基本方法对本科生的培养起着重要的作用。如果学生没有工程经验或者工程经验不足，理解起来会很吃力。因此，提高这两门课的教学质量，一直是高校教学研究和改革的重点[1]。

传统的电路课程教学中，在讲到电池、电阻、电容、电感、变压器、滤波器和传输线时，学生通常只能从教材的图示中了解，很少有实物展示，学生缺乏感性认识。很多高校教师也许很少有机会接触教材上介绍的所有元器件。虽然有的学生在电工电子实验室里会接触到部分元器件，但全面和系统化展现元器件，在国内高校实验室里尚不多见。由于学生不能在课堂上直观认识该课程中所涉及的全部电路器件，只有模糊的概念，会影响该课程的教学效果。

在“电子线路”课程教学中，则要涉及很多电路设计的理论。由于学生缺乏感性的认识，存在着和电路课程教学中相似的问题。为了增强教学效果，高校近年来纷纷引入了多媒体教学，通过动画或视频图像来介绍演示电路元器件和电路等。文献[2]就曾对这些教学方式做出过探讨。

针对上述背景，五年来，在我校“高等理工实验班”教育创新计划支持下，实现了“电路”与“电子线路”两门课程的贯通教学[3]，我们还编写出版了“电路与电子线路基础”(电路部分和电子线路部分)一套两本教科书[3，4]。另一方面，开发出了一套12块教学博物实验板，包括电池、电阻、电容、电感和变压器、传输线、滤波器，二极管、三极管、场效应管、功率放大器、运算放大器和振荡器。在此基础上，我们与国际知名的ADI公司合作建立起一套虚实结合的电子多媒体教学系统:通过USB连接线将PC机、模拟电路设计套件和教学博物实验板三者连接起来。学生通过这套系统，可以迅速地搭建具有实际功能的模拟电路，实现电路和电子线路的仿真与测试。

大规模网上公开课MOOC(慕课)教学方式对各类课程教学模式和教学体制产生了重大影响。而慕课在工程类课程教学方面目前面临的最大问题就是实验教学问题。解决这一问题的一种可能就是开发可以个体化操作的实验平台。我们研发的博物实验板希望能成为电路与电子线路类课程慕课方式教学的一个组成部分。

本文介绍我校开发的“电路与电子线路基础”课程教学博物实验板的原理和功能，同时介绍了ADI公司开发的模拟电路测试工具和系统，并展示了两者如何结合以实现课堂上的教学实践并探讨了其效果和意义。这套博物实验板分为电路和电子线路两部分。

1 电路教学博物实验板

电路实验板部分包括电池、电阻、电容、电感和变压器、传输线和滤波六块。

1)电池

纽扣电池包括水银电池、空气电池、氧化银电池和碱性电池等四种，另外还有各种尺寸的锰锌电池、碱性电池和镍镉电池，如图1所示。

2)电阻

电阻包括贴片电阻、绕线电阻、水泥电阻、薄膜电阻、合成电阻，以及可变电阻和集成电路电阻，如图2所示。

图1 电池博物实验板

图2 电阻博物实验板

3)电容

电容包括可变电容、贴片电容、陶瓷电容、薄膜电容、纸介电容、云母电容、电解电容和电双层电容，如图3所示。

图3 电容博物实验板

4)电感和变压器

电感和变压器包括贴片绕线电感、固定线圈电感、磁珠、环形电感、巴伦和变压器，如图4所示。

图4 电感和变压器博物实验板

5)传输线

传输线部分包括扁馈线、二芯电缆和同轴线，以及微带线和共面波导组成的相关电路，如图5所示。

图5 传输线博物实验板

6)滤波器

滤波器部分有切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、巴特沃斯滤波器和椭圆滤波器，以及陶瓷滤波器，晶体滤波器和声表面波滤波器，如图6所示。

图6 滤波器博物实验板

2 电子线路教学博物实验板

电子线路实验板部分包括:二极管、三极管、场效应管、功率放大器、运算放大器和场效应管六块。

1) 二极管

器件部分包括整流二极管、检波二极管、齐纳二极管、肖特基二极管、激光二极管、发光二极管、光电二极管和真空电子管;电路部分包括稳压电路、桥式整流电路和调幅检波电路，如图7所示。

图7 二极管博物实验板

2)双极型晶体管

器件部分包括了各种常用的低频、高频、小功率和大功率双极型三极管;电路部分包括双极型三极管的典型电路，如共基、共发、共集组态电路、达灵顿晶体管电路、电流源电路和差动电路，如图8所示。

图8 三极管博物实验板

3)场效应管

场效应管部分包括部分类型的场效应管以及采用场效应管的典型电路，如图9所示。

图9 场效应管博物实验板

4)功率放大器

功率放大器包括甲类功放、乙类功放、甲乙类功放、丙类功放和丁类功放，如图10所示。

图10 功率放大器博物实验板

5)运算放大器

运算放大器部分包括基于运算放大器组成各种典型电路:反相比例放大电路、同相比例放大电路、相加法器、法运算电路、积分器和微分器，实验板如图11所示。

图11 运算放大器电路博物实验板

6)振荡器

振荡器部分包括RC桥式振荡器、多谐振荡器、电容三点式振荡器和石英晶体振荡器，实验板如图12所示。

图12 振荡器博物实验板

3 教学博物实验板在教学上的使用

电路和电子线路两套博物实验板有如下特点:①整合了“电路与电子线路”课程中涉及的各类典型的电路元器件，能使学生更加直观地认识各种元器件真实的物理形态;②体积小，重量轻，制作成本低，便于携带;③板上都留有触点和引脚可以用于实验测量。

我们结合ADI的基于PC机的设备演示，教会学生如何使用博物实验板进行实验演示。

如图13所示，将设备与PCB板中的差分放大电路连接，包括电源，信号源输出，示波器输入等。然后选择适当的输入信号，即可看到放大的波形输出。本实例中，输入选择偏置电压为0V，频率为5kHz，单边幅度为5mV的差分信号，则输出约为400mV的差分信号，波形如图14所示。

图13 连接设备与PC

图14 Waveforms的界面

以上即为三极管差分放大电路的实验流程。由于USB连接设备的功率限制，对于部分电路，例如丙类和丁类功率放大器需要较大功率输出。

此设备无法支持基于PC的简易实验，但可以采用专业信号源、电源和示波器来进行实验。

4 教学实践及效果

我们已经在我校吴健雄学院高等理工实验班的电路和电子线路的教学当中，使用已经出版的两本教材[4，5]，通过教学博物实验板和 ADI模拟电路测试工具有效结合，进行了开创性的教学改革尝试。

首先，我们在课堂上讲到电阻、电容、电感等元器件时，就将教学博物实验板通过传阅让学生熟悉实物，增强了他们的感性认识。当讲到电子线路的三极管和运放的具体电路时，我们结合ADI的USB模拟测试工具，通过PC机的USB接口实现了在课堂上进行电路的测试和演示，此时学生可以在投影屏幕上直接观看测试功能。其次，我们在上课的过程中也会让学生亲自动手操作，有效提高课堂的互动性，取得了良好的课堂效果。