新工科背景下模拟电子技术课程教学设计研究

刘晓娣 张静 孙艳丽

摘要：在新工科教育背景下，针对传统教学中存在的不足，从模拟电子技术课程特点出发，将理论教学与工程应用相结合，将课堂讲授与虚拟仿真相结合，以减法运算电路为例，开展层进式课程教学设计研究。教学实践表明，文章提出的教学设计能够有效促进教学互动，激发学生的学习兴趣，提高学生的技术底蕴和工程素养，具有良好的教学效果。

关键词：模拟电子技术;教学设计;层进式

中图分类号：G642.41     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）40-0193-02

一、教学目标设计

传统的课程教学，在教学目标描述中多采用了解、熟悉、理解和掌握等动词，这样的描述可操作性差，不易评价。布鲁姆教育目标分类模型将认知维度分为记忆、理解、应用、分析、评估和创新六个层次，每个层次都有具体的动词与之对应。

为提高教学目标的科学性、有效性，根据布鲁姆教育目标分类模型，依据课程标准，分析减法运算电路的内容特点，以及需要学生在知识、能力、情感方面达到的目标，制定如下三个教学目标。

1.能识别减法运算电路结构。

2.会运用两种方法分析减法运算电路输入输出电压的运算关系。

3.能根据工程需求、电路功能特点，选用合适的运算电路。

二、层进式教学过程设计

为达成教学目标，采用已有知识回顾、工程案例引入、典型电路剖析、功能特点分析和工程应用研讨五个阶段层进式设计教学过程，使学员逐步建立关于减法运算的分析依据、结构、方法、功能、应用的综合知识体系。

1.知识回顾，奠定基础。在减法运算电路之前，已学习反相比例和同相比例两种最基本的线性运放电路。实现信号运算，运算放大器应工作在线性区，电路通常引入深度负反馈，满足“虚短”、“虚断”，这是分析运算电路输出电压与输入电压运算关系的依据。在分析比例运算电路时，采用的方法是节点电流法。这些已学知识，是分析减法运算电路的基础。

2.工程案例引入，激发兴趣。模拟电子技术课程内容在工业、军事、生活中应用非常广泛，课堂教学中可选取的工程案例较多，如测温电路、体重测量电路等，但这些案例缺少专业特色。因此，在教学中遵循以“学员为中心”的教学理念，面向航空专业特点，选取飞机气压高度表的高度测量案例，抛出问题，引出教学内容，一方面培养学员的问题意识，激发学习兴趣，另一方面突显模拟电子技术课程教学的专业特色。

3.典型电路剖析，传授要领。选取减法运算的典型电路，如图1所示。在电路剖析时采用启发式教学，引导学员积极参与，主动探索，从真正意义上完成知识的自我建构。

首先，识别电路结构。对照比例运算电路，减法运算电路结构特点：（1）引入电压负反馈;（2）在运算放大器的两个输入端皆有信号输入。

然后，分析运算关系。采用节点电流法，基本步骤如下：（1）找关键节点，列电流方程;（2）根据“虚断”原则，推导出同相输入端与反相输入端的电压;（3）根据“虚短”原则，推导出输出电压与输入电压的运算关系。

遵循“精讲多练”的教学思路，引导学员按照步骤采用节点电流法分析图1所示减法运算典型电路的输出电压与输入电压的运算关系：

u=-u+

1+u（1）

该电路还有其他的分析方法吗？抛出问题，引导分析，发现第二种分析方法——叠加定理。先分别求出每个输入电压单独作用时的输出电压，然后将它们相加，便得到所有信号同时作用时的输出电压。经学生自行求解，得到如上述公式所示的运算关系。由此可以說明，减法运算电路分析有两种方法：节点电流法、叠加定理。

4.功能特点分析，归纳总结。从运算关系、输入电阻、输出电阻、共模输入电压等方面，分析减法运算电路功能，具有以下特点：（1）运算关系仅与外部电阻有关，与运放本身参数无关;（2）输出电阻低;（3）对每个信号源来说，输入电阻都较低;（4）存在“虚短”，但不存在“虚地”，有共模输入电压;（5）如果电路结构满足对称性，即即R=R、R=R，则

u=

u

-u，这便是差分比例运算电路，也称为差分放大器。

5.工程应用研讨，深化拓展。

（1）案例应用，层进深化。回扣课堂开始的工程案例，利用所学知识分析气压高度表的压力检测电路，如图2所示，并利用Multisim软件进行虚拟仿真验证，如图3所示，达到学以致用、理实一体。

在实用测量系统中，传感器所获得的电信号往往非常微弱，并含有较大的共模信号。为了提高系统精度，传感器后面的放大器，要具有足够大的差模增益、高共模抑制比、高输入电阻，此时该减法电路还适用吗？

经讨论，图2中的减法运算电路已不适用，如何改进呢？引出应用比较广泛的电路之一——三运放构成的仪表放大器，如图3所示。

电路结构分析：图3所示的三运放仪表放大器包括两级运放，A1、A2组成第一级，二者均接成同相输入方式，因此输入电阻高。A3组成差分放大级，作为第二级，对第一级输出的差模信号放大且将双端输入转换为单端输出。由于电路结构对称，具有高共模抑制比。

运算关系分析：

A1、A2组成第一级的差值电压输出为：

u-u=

1+

u

-u

A3组成差分放大级，可得输出电压与输入电压的运算关系：u=-

1+

u

-u

由运算关系可知，图3所示的三运放仪表放大器由两级放大电路组成，增益提高，而且可以由R连续调节。相比于单运放构成的减法运算电路，三运放仪表放大器更适用于实用测量系统。

（2）由典型到一般，推广扩展。在如图1所示的典型减法运算电路中，集成运放的同相输入端和反相输入端皆只有1个输入信号。当集成运放的同相输入端和反相输入端有多个输入信号时（如图4所示电路），应该如何分析输出电压与输入电压的运算关系呢？在课堂最后，设置练习环节，由典型到一般推广扩展，由学员运用已学知识，自行分析完成，以促进从理论学习向知识运用层面的深化。

三、结语

针对传统工科教学中模拟电子技术课程存在的不足，以减法运算电路为例，从科学有效的教学目标出发，采用五阶段层进式教学设计，使学员由已有知识，到典型电路，再到改进电路与一般实用电路，逐步理解减法运算的组成、分析方法与功能特点，并将理论与工程案例相结合，提高技术底蕴和工程素养。经过多年的教学实践证明，该教学设计能够有效引导学生自主学习，主动思考，促进教学互动，激发学生的学习兴趣，从而取得良好的教学效果。

参考文献：

[1]叶连祺，林淑萍.布鲁姆认知领域教育目标分类修订版之探讨[J].教育研究，2003，（1）：94-106.

[2]康亮.CDIO教学法在模电课程中的应用与探讨[J].教育教学论坛，2018，9（2）：154-155