基于信号链下的模拟电子技术课程改革

薛玉峰

基于信号链下的模拟电子技术课程改革

薛玉峰

（陇南师范高等专科学校 机电工程学院，甘肃 成县 742500）

在分析现有机电一体化专业模拟电子技术课程教学的基础上，基于模拟信号链这一线索，围绕传感器调理电路，精简原有课程理论知识体系，增加仿真与实训电路内容．这不仅加强了对学生工程实践能力的培养，而且在课程中融入智能制造的概念，使得课程教学效果大为改观．

智能制造；模拟电子技术；传感器；信号链

模拟电子技术是电类、非电类专业的重要基础课，不同专业中，知识点的要求并不相同．在有限的课时下，教师一般会依据自身的知识背景和专业培养目标的要求，在教学过程中适当取舍，随意性较大．模拟电子技术课程概念多、理论多、电路多、实验多、工程实践性强，且其定量计算中常常用到工程近似、图像法、经验法等估算方法．这对于不善理论学习的高职学生来说，很容易丧失学习的信心和兴趣[1]．教学中如何合理组织课程，凸显模拟电子技术的重点内容和发展方向，了解模拟电子技术在智能制造领域的应用，激发学生的学习兴趣，是教学过程中急需解决的问题．从产品的设计角度理解电路，强调通过仿真和实验实训环节研究电路，是模拟电子技术课程学习的可行方法[2]．本文以机电一体化专业基础课程模拟电子技术为例，从温度/重量传感器信号检测调理的２种典型电路入手分析，围绕模拟电子技术课程的核心内容与发展方向，从信号采集到处理的完整过程分析归纳，确立课程改革的逻辑思路，为课程内容的再组织与安排找到合理的参考依据．

1 现有的课程教学分析

现有的课程教学方式有项目化教学和理实一体２种方式．项目化教学方式过多注重学生技能的培养，却忽略知识的传承与内在逻辑，知识的碎片化严重．这种方式没有把学生当作完整的受教育对象培养，仅仅是当作工具人训练，这样非常不利于培养学生的心智技能、策略能力、迁移能力和可持续发展能力[3]，学生在后续的职业能力提升时瓶颈很严重．理实一体的教学方式中理论一般都沿用本科教材知识体系，学科体系完整，逻辑严密，学生不仅能了解模拟电子技术的全貌，而且能建构完整的知识网络．但由于课程理论知识系统而全面，其专业针对性模糊，配套实验中验证性的内容过多，实训内容过于陈旧落后．教学中若能恰当筛选课程内容，合理改变实验项目，就能大大改善现有的教学现状．具体表现为：

（1）现有课程教学一般是从半导体器件、单管放大、多级放大、功率放大电路开始建立放大的基本概念，再讲解集成运算放大器（后面简写为集成运放）、信号运算和处理，最后讲解波形发生与直流电源[4]．这种依照知识点渐进式的学习方式对于高职学生没有明显的吸引力，且模拟电子的核心应用知识在教学中没有显现出来．

（2）实验中验证性的项目过多，这些项目大都提前设计好，学生只需按照步骤搭建电路、测量数据、完成报告即可，其学习形式过于单一，学生自主学习的空间有限，学习过于被动和封闭．

（3）实训内容一般为焊接助听器电路、音频放大电路、收音机散件组装焊接调试等电路[5]，这种内容与专业后续课程传感器与检测技术、单片机等衔接出现严重的脱离，不利于提升学生的专业实践技能，更没有涉及智能机电产品设计中需要的电子技术知识．

2 课程改革的思路与逻辑

要改变原有的课程内容和实验实训项目，首先，应以模拟电子技术的核心内容为中心，对课程教学内容取舍，选择出专业最需要的知识内容．其次，应该从模拟电子的发展方向分析，整合原有的实验项目．最后，应以智能机电产品为逻辑线索，找出相应的模拟电子技术应用实践知识．

2.1 简化原有的课程内容体系

2.1.1 信号放大电路 信号放大电路是模拟电子的核心内容．深刻理解放大电路是必须的，围绕放大电路课程内容有单管放大电路、多级放大电路、功率放大电路、集成运放电路等．对于高职学生，掌握放大电路的概念实质，前期的理论知识铺垫太多，讲授和学习中往往花费很多的时间与精力，效果并不好，把这部分内容做一些简化重整是适当的．例如：由于集成工艺的进步，MOSFET在模拟电子集成化中取代BJT逐渐成为主流，因此教学中应当重点讲授此部分内容．但高职学生的数学和物理基础知识的储备很差，尤其是电磁学中电场知识概念了解不深，理解CMOS管及放大电路时普遍很困难．因此，教学中应以双极型三极管来学习放大电路的概念、原理，建立交直流信号共存的微变信号放大的特点，再用类比的方式定性地学习CMOS管放大电路．在学完单管放大电路理论和实验后，可将多级放大电路通过仿真的形式来学习，而功率放大电路可以在仿真和课外制作中学习．

直流稳压电源在现有的电子产品设计中极为重要，其性能要求也越来越高．而有限的课时中几乎不可能深入讲解，与其蜻蜓点水式的讲授，不如要求学生调查统计现有的电源产品，通过基本实验验证，再经仿真实训的方式进行渐进式学习．由于直流稳压电源这部分内容工程实践性极强，也可以要求学生制作焊接一些简单的直流电源直观理解理论知识．

2.1.2 模拟电路的集成化 尽管模拟电子技术的发展远不如数字电子技术那样快，但是它从来没有停止过，其重要表现就是集成电路的发展[6]． 集成运放是模拟电子技术集成化发展中的典型代表器件，在模拟电子领域应用的越来越广泛，尤其对于微弱信号放大与检测处理中有着非常普遍的应用．因此，将集成运放作为模拟电子教学的重点内容学习是必要的．例如：集成运放的内容可以通过理论讲授、实验验证、仿真扩展多管齐下的方式深入地理解和学习，为后续实训电路制作做好充足的准备．

2.2 课程改革中融入智能制造的概念

2.2.1 传感器在工业制造中的广泛应用从智能制造需求人才分析，未来需要大量的复合型人才，尤其是那些对于智能制造有深刻理解的技能型人才需求量将大大增加．机电产品操作人员不仅要有丰富的专业知识，同时还要具有熟练的动手操作能力和解决复杂问题的创新能力[7]．机器智能的实质是机器对于信息的感知、反馈、控制的能力，而要达到这些能力就必须给机器安装大量的传感器．作为传感器信号检测的前端电路，集成运放被大量的应用．例如：在智能吸尘器中有超声波、红外、温度、光敏传感器等数十种类型，每一种传感器的信号都需要前端电路对信号放大与处理，这些电路都是需要模拟电路的知识，而现行的模拟电子技术课程内容中典型的传感器信号检测电路几乎很少提及．因此，在模拟电子教学中将后续课程传感器检测与技术中的基本概念提前引入模拟电子课程教学中是必要的．

2.2.2 模拟信号检测电路的集成化发展 从传感器信号感知、检测、处理、A/D转换、控制、显示信号的输入到输出完整过程，简称为信号链（见图1）．信号链中最重要的电路是模拟前端信号检测部分，这部分电路中，集成运放被广泛应用，在模拟电子技术课程改革教学中应当加强．

图1 信号链典型结构

SoC是芯片集成的一种发展方向，在电子产品设计制作实践中也可以渗透进来．MCU是后续单片机课程的知识，这部分的基本概念也可以提前引入到模拟电子技术的课程教学中，这样就形成了一条完整的信号链的图像．让学生在学习模拟电子基础课的同时引入信号链的知识内容可以拓宽视野，激发学生的学习兴趣，了解信号传输链的完整过程．

综上分析，在高职机电一体化专业模拟电子教学中，以典型的智能机电产品为例，围绕集成运放建立传感器信号调理电路，并在基础知识教学中体现模拟电路集成化的新方向是一条可行的逻辑线索．

3 新的课程结构设计与教学分析

改革后的课程内容划分为理论知识、基本实验、仿真与实训、课外制作4个模块（见表1）．

表1 改革后课程内容模块结构与教学形式

3.1 基础理论与实验知识

第1，2个模块为基础理论知识和基本实验，这部分可以采用理实一体的教学模式．理论学习中初步掌握晶体管基本概念、基本参数、基本放大电路和电路近似分析方法．基本实验操作中对照元件型号，查阅二极管、三极管、集成运算放大器等元器件的数据手册，了解元器件的封装规范、主要特点、实际参数，再按照实验要求学习基本仪器的使用方法与规范、数据的测量要求、实际电路中参数表现、实验报告的撰写等．理论讲授和实验操作可同步或交叉进行，这样既可以比较理想元器件与实际元器件的差异，又能加深对元器件的理解．

3.2 仿真与实训

第2个模块是仿真与实训，这部分可以采用理论讲授、实验验证、仿真调试、电路制作多种方式混合教学的形式教学，这种灵活的形式可以适应不同基础的学生学习理解电路．在模拟电子技术课程中采用虚拟实验教学，可以降低学生学习的难度，拉近课程教学目标，提高课堂教学效率，激发学生的学习兴趣[8]．整个过程按照一个电子产品的设计调试过程，调动了学生仿真与实训中的积极性，从而提高学生分析问题、解决问题的能力[9]．按照选用的PT100测温电路和2 kg称重传感器调理电路的要求，分解出若干子电路模块．子电路分别为基准电压电路、差分电路、滤波电路等．先仿真调试所有子电路模块，再联调完整的信号检测电路．对电路中涉及的电路幅频特性、有源滤波电路等较难的知识点，可以通过电路仿真定性直观地了解学习．测温和称重电路2种传感器分别是热阻型和压阻型，其模拟信号的检测方法有一定的相似性，这种电路在智能机电产品中有着广泛的应用，电路特征非常典型，电路结构也简单，学生容易理解．因此，具有一定的代表性，教学中引入课程中是合理的．其调理电路通常采用惠斯通电桥和恒流源2种结构方式，学生容易理解，这一部分可采用仿真与实训结合的方式进行．由于Multisim软件中的元器件丰富，选择灵活，软件易用，可以作为仿真首选软件[10]，它的应用拓展可结合慕课中电路仿真设计课程资源进一步学习．对于学习中碰到的疑难问题可以和任课教师通过QQ、微信等社交软件沟通解决．这样的处理不仅提高了学生自学的能力，又使学生拓宽了学习的途径和方法．电路的制作可以先期制作模拟信号链部分，后续的D/A转换、单片机控制与显示部分教师可以提供相应的仿真电路或制作实物，这样既可以降低制作难度，又可以激发学生的学习兴趣．

3.3 课外焊接制作

第４个模块是课外制作，学生可以在开放实验室中利用课余时间，通过网络资源自学音频放大、直流电源的电路知识，经仿真调试后，再焊接制作电路，完成课外作品．为了督促学习效果，教师可在课程评价中对课外完成作品的学生给予适当的加分奖励．对于有创新的学生作品，除鼓励作品参加大学生挑战杯，推荐学生参加全国电子设计大赛之外，对学生完成的优秀电路作品可在课程评价中直接评定为优秀，这样就会进一步激发学生的学习热情和潜力．

4 结语

以温度/重量传感器信号检测调理电路为主线的课程改革思路，通过模拟信号链这一逻辑线索，围绕传感器调理电路的设计与制作，精简了模拟电子技术课程理论知识体系，分散了知识重难点，使课程的指向性、应用性更加明确．并在原有的理实一体的基础上融入了仿真与实训和课外焊接制作这２个模块，这样的课程设计处理在保证知识体系完整的同时，丰富了教学学习方式，拓展了学生学习模式，改善了学习效果评价体系．课程内容中不仅加强了工程实践内容，又提升了学生的学习兴趣和热情，使模拟电子技术的课程教学效果大为改观．当然课程改革还有极大的提升空间，如何将电子技术、传感器检测、单片机３门课程融合在一起构建一个课程群，使学生更容易完整理解智能机电产品中的电器控制部分，从而获得产品的开发调试、故障诊断和维修检测等专业核心能力就是未来课程改革的方向之一．

[1] 贾宁，吴弋旻，彭斐．高职学生学习动机激发策略研究——以《模拟电子技术》课程为例[J]．职教论坛，2013（35）：34-36

[2] 叶朝辉，华成英，阎捷，等．模拟电子技术实践能力创新的探索[J]．实验技术与管理，2017（1）：29-32

[3] 刘冰，闫智勇，吴全全．职业教育课程开发模式的源流与趋势[J]．中国职业技术教育，2018（33）：5-11

[4] 童诗白，华成英．模拟电子技术基础[M]．3版．北京：高等教育出版社，2001：1-9

[5] 苏士美．模拟电子技术[M]．2版．北京：人民邮电出版社，2010：1-3，233-236，241-246

[6] 张林，邓天平．“模拟电子技术”课程教学内容改革探讨[J]．电气电子教学学报，2015（2）：14-16，80

[7] 杜学文，邱茜茜，刘祥如，等．智能制造背景下职业技能衔接路径研究[J]．成人教育，2019（2）：62-67

[8] 任英玉，王萍．李斌，等．“模拟电子技术”课程质量提升探讨[J]．电气电子教学学报，2016（2）：36-38

[9] 段福斌，朱建华．模拟电子技术实验项目化教学改革[J]．实验室研究与探索，2017（6）：223-226

[10] 付扬．基于Multisim技术的电子电路综合设计改革[J]．实验技术与管理，2017（4）：112-114，198

Reform of analog electronic technology course based on signal chain

XUE Yufeng

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Longnan Teachers′ College，Chengxian County 742500，China）

It is based on the analysis of the teaching of analog electronic technology course for the major of mechatronics，based on the clue of analog signal chain，around the sensor conditioning circuit，the original curriculum theory knowledge system is simplified，and the contents of simulation and training circuit are increased．This not only strengthens the content of engineering practice，but also integrates the concept of intelligent manufacturing，which greatly improves the teaching effect．

intelligent manufacturing；analog electronics technology；sensor；signal chain

TN710∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.020

1007-9831（2020）04-0090-04

2019-10-29

2017年陇南师范高等专科学校教改项目（JXGG201718）

薛玉峰（1978-），男，甘肃礼县人，讲师，从事普通物理、电子技术的理论与实验教学研究．E-mail：lnszxyf@163.com