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新工科背景下模拟电子技术课程教学设计研究

2019-11-15刘晓娣张静孙艳丽

教育教学论坛 2019年40期
关键词:模拟电子技术教学设计

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

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