多维度的“模拟电路基础”教学模式探讨

吴 涛,何松柏

(电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 611731)

模拟电路基础课程是电子、通信、自动化等专业学生的一门重要专业基础课[1]。该课程以模拟电路应用为背景，内容包括半导体器件基础、放大电路基础和集成运放电路等，使学生获得模拟电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能。

这门课程集理论性、工程性以及实践性于一体，但是存在知识点繁多，内容抽象，缺乏清晰的主线等问题，诸多学生面临初学困难而缺乏兴趣，实际教学效果并不理想[2-5]。

针对上述问题，结合电子科技大学模拟电路基础课程组的不断摸索和探索，提出“多维度”的教学模式。在传统课堂教学基础上，通过增加慕课、仿真和实验演示等环节，充分吸引学生的注意，从而调动学习积极性，让学生对抽象、难懂的知识点有一个更具体更直观的感性认识，从而起到加深理解的作用。

1 现有教学模式存在的问题

理论课堂教学固然很重要，这是教师传递知识最有效的途径，然而传统的教学模式存在以下的不足。

1)课堂中以教师理论讲授为主，几乎没有课堂上的实践环节。现在工科学生实践少，工程理念不足，对于理论的理解非常困难。

2)现在学生学习，存在动力不足现象。因为缺乏对知识的感性认识，学生的学习过程如果按照先听理论讲授，再进行实验验证，缺少了与教师的互动，理论与实践相互脱节。

3)计算网络已经广泛应用，却并没有有效地引入到教学过程中，教学模式需要与时俱进。

2 多维度教学模式的设计

针对传统教学模式的不足，本文提出了一种多维度的教学模式，即在传统理论课堂教学基础上，增加慕课、仿真和实验演示环节。从多个角度对相关知识进行展开，既丰富了教学环节，又有利于吸引学生注意，从而达到提高教学效果的目的。

2.1 慕课

慕课是英文MOOC(massive online open course)的音译，是指大规模网络开放课程。慕课是一种崭新的教学模式，其特点在于：1)大规模，人数无限制；2)在线，学习没有时空约束；3)开放，无门槛，只要有上网条件即可[6]。慕课的提出与传统的教育方式截然不同，紧密围绕着数字化学习进行[7-8]。

作为电子科技大学首批建设的慕课课程，模拟电路基础上线中国大学MOOC网站(http://www.icourse163.org/)两年来，累计报名人数2万6千余人，除了面向全社会传播模拟电路知识以外，也为本校学生预习、复习、反复巩固知识点提供了网络教学支持。学生可以在任意时间和地点观看慕课视频，通过反复地观看对大脑形成一定强度的冲击，有了对知识点的基本认识(哪怕很少甚至理解有误)，在课堂教学中再通过教师讲授，会对知识点有更深入的理解。

课程组围绕课程的基本内容，提炼出50余个知识点视频，每个视频精心编排和设计，时间长度控制在5～15 min，委托专业团队摄像和后期制作，增加动画等提升观影效果。

每个知识点后设计5～10道简单练习题，用于学生对知识点掌握情况进行自查。并且提供单元练习和考试等环节，检验学习情况。

2.2 仿真

借助强大的EDA(电子设计自动化)软件来做仿真实验，通过对电路的搭建和仿真，可以非常直观地观察结果，并且学生也可以在任意装有仿真软件的计算机上进行验证性实验以及课外的辅助设计，充分调动学生的学习积极性和主动性[9]。

目前在模拟电路教学中，主要用到的仿真软件有Multisim和PSPICE[10-11]，本课程选用的是美国国家仪器(NI)有限公司的Multisim仿真软件。

Multisim是NI公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

在模拟电路基础课堂教学中引入Multisim仿真软件，对于枯燥的平面电路分析，带来了直观、生动的结果显示，有利于吸引学生注意力。

如对于半波整流电流，是二极管单向导电性应用的最好例子，即是课程的重点之一，也是课程中第一个出现的实际应用的例子。以往的教学中，比较方便的是用PPT的形式直接显示输入输出关系，虽然显示的结果是用计算机作图很准确，但是存在参数(输入波形的幅度和频率等)不能调节等问题。

而利用Multisim搭建仿真电路本身非常方便和直观，如图1所示。波形的测试使用虚拟示波器，可以观察到输入电压和输出电压波形，这对初学者在没有任何仿真技术基础上，还是容易看懂电路并且理解示波器的作用就是测量电压波形。

利用仿真显示模拟电路的结果非常的直观，并且可以非常方便地展开讨论问题。例如，要改变输出电压的波形为负半周输出应该怎么办？或者，随着频率的升高，输出电压是否保持不变等问题，将仿真引入课堂教学，容易调动课堂气氛，吸引学生注意和思考。

要求学生课后自学该仿真软件，一方面对教学内容利用仿真软件平台进行结果验证，以巩固知识点；另一方面掌握一两种仿真软件，也有利于学生以后对实际电路的工程设计。

2.3 实验

仿真固然重要，但需要让初学者弄清仿真与现实电路之间的区别和联系。仿真是对现实电路的抽象，是利用电路模型分析电路的参数。通过仿真可以快速显示分析结果，但结果的真实性和准确性，取决于仿真过程的模型选择、电路搭建以及仿真器的设定等诸多因素。

初学者很容易混淆二者关系，而过分夸大仿真过程和仿真的作用。要让学生树立“实践”的重要性，这就是实验。

高校一般都会开设相应的实验课程，提供学生认识真实电路、动手搭建电路、测试电路以及完成课程设计等教学环节。

但实验和课堂理论教学一般是由不同的老师，按不同的教学大纲完成，有一定的脱节。本文教学模式中提到的实验是指除配套的实验课程以外，在课堂教学中进行直观的实验演示。这为学生认识真实电路，提升兴趣，提供了新的途径。

模拟电路实验中常用的信号源、示波器以及直流电源等设备存在体积大、成本高、携带不便等问题，所以在课堂教学中采用的是虚拟仪器解决该问题[12]。

虚拟仪器将计算机和网络技术与仪器技术结合起来，利用计算机分析能力和显示界面，只需要一些核心模块和相关软件，就能将计算机变成测量用的仪器，有便携和方便扩展的优势。

在教学中常用到的虚拟仪器有NI公司的My DAQ和ADI公司的Analog Discovery。这里采用的是后者，Analog Discovery通过USB进行供电和数据传输，可实现5 MHz双通道示波器和5 MHz双通道函数发生器，以及正负5 V电源等功能，如图2所示。

图2 虚拟仪器硬件

配套Diligent公司的WaveForms软件，如图3所示，就可以对电路进行简单测试，并将结果显示在计算机上，适用于在课堂教学中搭建实验平台。

图3 WaveForms软件

通过硬件和软件的相结合，该虚拟仪器可以提供包括示波器、任意波形发生器、电压表、波特仪、频谱仪等基本模拟电路常用仪器。虽然在工作带宽、精度等诸多指标上，虚拟仪器远不及传统仪表；但这里主要将其用于简单的课堂实验演示，以及提供初学者在非实验室环境中进行简单实验验证，其较低廉的价格和便携性是非常适合的。

为了方便课堂演示实验，设计并制作了一系列的电路板，包括二极管、三极管以及运算放大器等常见电路，二极管电路如图4所示。

图4 测试用电路举例

利用实验平台，可以非常方便地进行实验演示，只需简单几步就可以将测试电路搭建完成，通过软件进行虚拟仪器参数配置，测试结果将直接输出在计算机屏幕上，如二极管半波整流测试结果，如图5所示。

图5 测试实验结果举例

由此构建出完整的围绕理论课堂讲授，具有在线知识点视频观看、仿真讲解电路和实验验证电路的多维度教学模式。

通过该教学模式的运行，能明显感觉学生积极性的提升。以前的传统教学模式中，上课气氛死板，课后学生的问题主要是某个知识点没有明白，或者教材中某段话没有看懂等比较浅显的问题上，期末成绩也不理想。采用多维度的教学模式，上课气氛明显活跃很多，知识点通过课堂讲授和MOOC反复观看容易理解透，而仿真和实验环节更容易吸引学生关注，提的问题更是五花八门，从知识点到仿真模型、从实验原理到新颖电路、从书本教材到工程应用等等。学生积极性得以提升，课上和课后花精力去学习，掌握知识的同时也就取得了很好的成绩。

3 多维度教学模式的建议

多维度的模拟电路基础教学模式，在教学过程中进行了试点，取得了较为满意的结果。当然从中也发现了一些问题和不足，需不断进行调节和改进。结合实际情况，对使用该教学模式提出几点建议。

1)慕课视频的制作需要精致。知识点的划分要精细，以控制每一段视频的长短，不能过长，否则易让学生疲倦，一般5～10 min为宜。对重要的知识点需要增加练习、讨论等环节，以达到巩固知识的目的。

2)仿真环节宜精不宜多。学校模电课程的知识点几乎都可以通过仿真验证，但过多的仿真除了影响课堂时间进度安排以外，还容易造成学生的惰性。并且仿真环节的设定需先明确目的，是为了验证理论分析，而非替代理论分析。所以选择几个重要的知识点在课堂上仿真演示，如本课程中选择二极管电路、单管放大电路以及集成运放比例运算电路等为重点仿真对象，不仅观察仿真结果，还对仿真过程中出现的现象，用理论进行解释或者展开讨论。必要的仿真题目可以提供学生课后练习。

3)实验演示同仿真环节一样，需精选几个重要实验进行演示。演示注重过程和对学生的启发，条件允许的情况下，鼓励学生走上讲台辅助教师或者学生独立测试，对实验过程中的现象可作为思考题，让学生利用理论进行解释，达到深入理解知识点的目的。

4 结束语

本文对“模拟电路基础”课程教学中所采用的多维度教学模式进行了介绍。在传统的理论课堂教学基础上，利用计算机网络、EDA软件和虚拟仪器增加了慕课、仿真和实验三个环节。从多角度、多方面地对理论知识进行阐述，有利于学生对相对枯燥的理论有更感性和具体的认识，以激发学生的学习积极性和主动性，起到提升教学效果的目的。