电子技术课程与工程思维能力培养

伍春洪， 刘蕴络， 尤 佳

(北京科技大学 自动化学院， 北京 100083)

电子技术课程与工程思维能力培养

伍春洪， 刘蕴络， 尤 佳

(北京科技大学 自动化学院， 北京 100083)

我校电子技术课程是针对工科非电类专业学生开设的一门技术类基础课程。本文结合该课程具体教学内容，以放大电路分析方法为例，论述本课程在培养学生工程思维能力方面起到的作用，希望能起到抛砖引玉的效果，推动课程的教学改革。

电子技术；工程思维；能力培养

0 引言

当前社会对高校培养的人才需求已经由一维向多维转变。期望大学生不仅具有合理的知识结构，还要有较强的学习能力和创新能力。不少成功人士在谈及大学生活时都提到：大学教育带给学生最宝贵的财富应该不只是课堂上学到的知识，更多的是一种思维方法。其中，工程思维能力的培养，对工科学生学习能力和创新能力的提升具有十分重要的作用[1-4]。

我校电子技术课程主要包括 “模拟电子技术 ”和 “数字电子技术 ”两大部分内容，是一门为工科非电类专业学生开设的理论性和实践性并重的技术基础课程。对大部分工科学生而言，这门课程是学生接触工程概念和工程分析方法的第一门课程，与学生之前学过的数理基础课及电路基础课相比，更贴近工程实际。笔者认为，电子技术课程的教学目标不仅限于使学生掌握一定的电子知识和技能，更重要的在于帮助学生建立工程思维，培养学生创新能力以及工程实践能力。

本文以放大电路的分析为例，浅谈本课程在培养学生工程思维能力方面所起到的作用，希望能起到抛砖引玉的效果，推动课程的教学改革，以更好地发挥电子技术课程作为工科学科基础必修课在学生能力培养方面的作用。

1 从特殊着手，逐步深入探索

放大电路是电子设备中应用最广泛的一种电路。在生产和科学实验中，往往需要用微弱的信号去控制较大功率的负载。在各种仪器仪表中，由各种传感器检测而来的微弱的电信号需要经过放大后才能从仪表上读出。收音机，手机等无线通讯设备也需将由天线接收来的信号放大到一定程度后再做其它处理。这部分内容是 “模拟电子技术 ”部分的核心教学内容，也是 “数字电子技术 ”中逻辑芯片构成的基础。

电子技术课程的学习一般都从放大电路开始。在放大电路中，除了有非线性的半导体器件三极管外，还有线性的电阻、电容等元器件；除了有为保证晶体管工作在放大区的直流偏置电路外，还有信号的输入输出通路。总之，放大电路中不仅电路结构复杂，信号也复杂，尚未受过工程训练的学生往往会难以接受，因此这部分内容常常成为电子技术课程入门的 “门槛 ”。

从特殊着手，逐步深入探索是科学探索和解决工程问题时常用的方法之一。 也就是说，对不能一下理清其脉络的复杂现象和问题，我们可以考虑先探究一些特殊情况下的求解方案， 这个探求的过程对最后思路的形成往往具有很强的启发性。具体策略是：当我们面对一个复杂的对象难以着手分析时，可尽量引入一个或几个相对简单且容易解答的新问题，通过学习新问题，启发对复杂对象的解题思路，以简驭繁，直至最后解决问题。

前面提到放大电路中电路复杂，信号复杂，导致初学者对其分析难以下手。教师可运用逐步深入探索的原则，引导学生尝试从最简单的、特殊的情况着手去分析。很容易就会想到这个最简单的、特殊的情况是没有信号输入的情况。此时电路中只有直流电源的作用，由于电容对直流电源来说相当于开路，原电路便可简化成相应的直流通路。

求解直流通路的过程被称为静态分析，静态分析实际上解决了放大电路工作的平台问题。当有交流信号输入时，交流信号是驮载于这个平台之上的。 接下来有输入信号的分析可以以这一平台为基准展开，就好像在分析电机运行状态时，我们可以先考虑电机空载的情况，再讨论电机负载的情况。研究城市劳动力问题时可以先考虑只有本市常驻人口的情况，再考虑流动人口的影响……

在完成静态分析后再进一步去考虑一般情况，即有输入信号的情况。在这个过程中再次运用从特例到一般的原则。先从最简单的情况，即输入为中频正弦小信号的特例着手分析，此时的电路可以简化成相应的交流通路并用相量法来分析求解。而对一般情况，再通过运用傅立叶定理 “任何周期性的信号都可以看成是正弦信号叠加的形式 ”，可将针对正弦信号的分析方法推广到一般情况。

从静态到动态，从直流通路到交流通路，从正弦小信号到一般小信号，在原本看上去高不可越的‘门槛’前搭上‘静态分析’和‘动态分析’两级台阶。使原本看起来难以下手的问题变成可以够得着的问题。运用从特殊着手，逐步深入探索的工程思维方法，使学生探索放大电路分析方法的过程的同时不仅可以更好地理解 “动静分离、先静后动 ”的放大电路分析方法，还可以学习到面对复杂的工程问题时不要畏难不前，学会如何找准关键点，从简单着手，从特殊到一般的探索原则，掌握逐步发现、认识、解决问题的工程思维方法。

2 工程建模

模型一词，源于拉丁文的modulus，意思是尺度、样本、标准。物理模型就是在一定的场合和条件下，抓住实际物理现象主要的、本质的特征，忽略次要的、非本质的因素。经过这样处理，抽象出来的物理现象虽不再是原来的实际的物理现象，但它能反映出原来实际现象发展变化的基本规律。钱学森院士给模型下过这样的定义： “模型就是通过对问题现象的分解，利用我们考虑得来的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一副图画…… ”。在问题的求解过程中，一个好的模型的建立是成功的一半。建模是开展实际工程分析、应用和探索的基础。

我们在交流通路的基础上进行放大电路的动态分析时遇到新的困难：放大电路的交流通路中含有非线性器件(晶体三极管)。能否用以前学过的线性电路的分析方法来求解呢？回答是肯定的，在我们用线性电路的等效模型来表达晶体三极管的特性时，就涉及到晶体三极管等效模型的建立。

前面提到，建模一般需要了解被建模器件的特性,在一定条件下对它的特性进行近似，将其主要特性用理想元件或它们的组合来表示。然而，从晶体管的物理特性出发去建立等效模型涉及到的半导体理论知识比较复杂，对非电专业的工科学生来说，不仅学时不够，理论知识的深度水平也不够。换一个角度考虑，姑且不去深究晶体三极管内部的半导体物理知识，而是直接根据晶体管对外具有的电路特性来进行建模。把晶体管看成是一个未知参数的 “黑匣子 ”，通过观测其三个电极对外的输入输出特性曲线，并在一定条件(输入为小信号)下对原有特性曲线进行近似，可以更方便地建立起晶体管的微变等效电路模型。图1(a),(b)为在晶体管端口测量得到的晶体管输入输出特性曲线：从输入特性看，输入电流的变化量ib和电压变化量ube在静态工作点(Q点)附近一定范围内近似满足线性关系；从输出特性看，输出电流的变化量ic和输入电流的变化量ib在线性区近似成比例。故对交流小信号来说，晶体管的输入端口可用线性电阻rbe来等效，输出端口可用一个受ib控制的电流源来等效，由此得到晶体管简化的h参数等效模型如图1(c)示。在建立好等效模型的基础上，将模型代入前面的交流通路中，就可以用线性电路的分析方法对放大电路进行求解了。

(a)输入特性 (b)输出特性 (c)h参数等效模型

图1 晶体三极管特性曲线和交流小信号等效模型

晶体管等效模型建立的学习过程，不仅可以帮助学生更好地理解所建模型及其适用范围，理解在不同的条件下同一个器件可能采用不同的模型的事实。模型选取恰当，对问题的分析和计算的结果才能与实际情况相近；模型选取不当，会给分析和设计造成困难，甚至无法给出所需的结果。另一方面，建模学习的过程本身也有助于学生开阔思路、掌握工程建模的方法。这种把未知事物当作是一个黑匣子，从其对外展现出来的性质来建模的方法，具有工程实用性，在其它一些探索性的学科也常用到。

3 主要矛盾与次要因素

在放大电路的分析过程中，还多次运用 “抓住主要矛盾,忽略次要因素”的工程思维方法，只有抓住主要矛盾和因素，正确并合理地忽略次要因素，才能从实际出发，较快地实现对电路的求解，以达到事半功倍的效果。

在放大电路的学习之初，很多学生受到高等数学、物理等理科学习思维定势的影响，习惯于严格推理、精确求解，造成在实际的电路分析中，不少学生存在片面追求精确结果的误区。这类学生由于过于关注细节，反而无法理解和把握电路各部分的整体关系。在教学过程中，教师可通过对固定偏置放大电路，分压偏置放大电路，射极输出器等几个典型的电路分析比较，使学生掌握 “抓住主要矛盾,忽略次要因素 ”的工程思维方法。领会在工程分析的时候，要能够根据条件大胆地进行近似处理，尽快得出有用的结果。同时理解在实际任务中，由于器件本身参数的不确定性，只需甚至也只能采用估算的方法得到结果，准确的计算不仅耗时，也实无必要。

另一方面，近似是相对的，被忽略的量并非等于0，同样一个量，在某些场合可以忽略，但在另一些场合却不能忽略，忽略与否要视各因素的具体情况而定，不能一刀切。 通过放大电路的学习过程，学生逐步适应 “定性分析、定量估算 ”的方法，培养和锻炼学生 “抓住主要矛盾，忽略次要因素 ”的能力，这种能力不仅在解决工程问题中很有用，在社会科学以及工作生活方方面面的处理中也都大有裨益。

4 结语

教育心理学者布鲁纳认为： “认知是一个过程，而不是一个结果。 ”因此，教一个人学习，不是教他把结果记下来，而是要教他知识建立的过程。随着科技的发展，新知识和新技术不断的涌现，我们师生有时会迷失于教什么，学什么的困惑。在发展过程中一些急功近利的心态往往会出现重视结果而轻视过程的倾向。 “授人以鱼，不如授之以渔 ”。大学教育带给学生最宝贵的财富应该不只是课堂上学到的知识，更多的应该是一种思维方法。在思维过程中可以使学生锻炼如何准确地观察问题、高效地分析问题和科学地解决问题。训练的目的不是只满足于获得一个答案，而是学会如何去寻找答案。

电子技术这门课程还有许多诸如此类的内容，比如放大电路的发展和演变、电路整体和局部的关系等等，都充分凝聚着科学和工程思维的运用。在教学中，恰当地把课程内容与工程思维、能力训练结合起来，多方引导学生参与获取知识的思维过程，能够使学生在学习和掌握一定的电子技术应用基础的同时，提升其用工程的思维分析问题，解决问题的能力。

(伍春洪等文)

期盼本课程能在高等工科教育环节中充分发挥其作为技术基础课程的作用。

[1] 朱高峰. 工程教育中的几个理念问题[J]. 武汉：高等工程教育研究,2011,01:1-5.

[2] 姚缨英,范承志,林平,马皓,韦巍. 能力培养为导向的电类基础课程教学模式[J]. 南京:电气电子教学学报,2015,03:1-3.

[3] 赵洪. 研究性教学与大学教学方法改革[J]. 武汉:高等教育研究,2006,02:71-75.

[4] 鲁玲,刘大年. 从破除思维定势谈模拟电子技术课程教学[J]. .桂林:桂林电子工业学院学报,2003,04:48-50.

Discussion on the Role of Electronic Technology Course for Engineering Ability Training

WU Chun-hong, LIU Yun-luo， YOU Jia

(SchoolofAutomationandElectronicEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeiJing,BeiJin100083,China)

Electrical technology course is a fundamental technical course for students of non-electrical discipline in our university. Many of the contents embody the application of engineering thinking. This paper takes the amplifier circuit analysis as an example, discusses the role that the course can be played in building engineering thinking and cultivating ability.

electrical engineering; engineering-thinking; ability training

2016-04-26;

2016-05- 31

北京科技大学研究型教学示范课程项目(KC2014YJX22)，北京科技大学教育教学改革研究项目(JG2016M25)

伍春洪(1972-)，女，博士，副教授，主要从事电子技术基础理论教学及光场成像技术研究工作，E-mail：cwu@ies.ustb.edu.cn

G420

A

1008-0686(2017)02-0048-04