“模拟电子技术”教学中微实验的应用

孙 敏

(苏州大学 文正学院 电子信息工程系， 苏州 215104)

“模拟电子技术”课程是电子信息类专业的重要专业基础课。近年来国内各高校在该课程建设和教学方法上的探索实践主要以培养学生实践与创新能力为重点，追求学生对于课程的深度学习[1]。现阶段的“模拟电子技术”课程教学大都采用“理论实践一体化”的教学模式，主要呈现以下三点趋势[2-5]。

(1)调整课程教学体系。“模拟电子技术”课程体系通常被设置成理论教学和实践教学两大部分，其中实践教学将基本原理与工程实践问题有机结合，培养学生的实践技能。通常包括演示验证型、应用设计型和研究创新型三个层次，既层层推进又联系紧密。

(2)设置工程应用情境引导教学。“模拟电子技术”课程的专业知识在生产与生活中有着广泛的应用，创设的教学情境以案例或情景为载体引导学生进行自主探究性学习，以提高学生分析和解决实际问题的能力为目的。

(3)教学过程从“以教师中心”转为“以学生为主”。教学过程改革中强调学生的主体地位，激励学生由知识的被动接受者转变为主动建构者，从而促进学生发挥主观能动性和培养创新性思维。

“模拟电子技术”课程具有理工类课程理论性和逻辑性强的特点，还具有很强的工程应用背景，对初学者来说，理论知识的掌握和工程应用概念的建立都是有难度的。为激发学生进行课程的深度学习，本文研究应用微实验来辅助“模拟电子技术”课堂理论教学的方法。在课堂教学情境中围绕某个知识点设置课堂实验环节，开展内容聚焦于单一知识元的小型实验，即为“微实验”，以期将教学情境的创设更细致化和具象化，使学生获得相关的知识，提高分析问题及解决问题的能力，并培养学生工程应用的思维。

1 微实验教学内容的组织

在课堂教学情境中开展微实验要有助于理论教学，则要根据不同教学情境的特点，对教学内容进行知识元的分解，确定适合开展微实验的知识元种类，再选定微实验的类型，设计电路软件仿真或实物电路加以验证。

1.1 教学知识元分析

根据知识元理论，知识点由知识元组成，知识元是具有独立意义且不可再分的一个知识单位，是知识表示的基本单元[6]。认知心理学从广义上将知识分成三类：陈述性知识、程序性知识和策略性知识[7]。

“模拟电子技术”的理论部分包括符号、概念和事实类的陈述性知识，以及程序性知识中的智慧技能(主要指解决问题的方法和步骤)，而实践部分则为动作技能的程序性知识。随着教学的深入，期望学生能获得分析解决问题的能力、公共协作能力、工程应用思维等策略性知识。在以知识元为导向的知识分类中不存在策略性知识这一类，即“模拟电子技术”课程中的知识元可以分成陈述性知识元和程序性知识元[8]。以“集成电路运算放大器”(简称“集成运放”)知识点为例，其线性和非线性应用电路的分析方法属于智慧技能类的程序性知识元，而器件图形符号、型号外观、内部结构、基本电路等都属于陈述性知识元。

1.2 知识元与微实验类型的对应关系

“模拟电子技术”课程情景教学法中常常采用直观和问题两种情境。直观教学情境的创设有利于抽象概念的具象化，有助于学生感性认识的形成，并促进理性认识的发展。问题情境将知识技能以任务或项目的形式呈现，提供必要的信息，启发学生探究解决问题的方法。根据前述三个递进层次的实验划分，适合开展课堂微实验的有演示型、验证型、简单设计型和应用型，适用的知识元种类也不同。表1给出了在直观和问题教学情境中知识元与微实验类型的对应关系。例如在“集成运放”知识点的课堂教学中，可以在直观情境中采用多媒体课件展示典型的集成运放器件，学习其图形符号，了解其内部结构；在问题情境中开展验证型微实验观察基本同相、反相放大电路的输入、输出电压关系；还可以在问题情境中设计简单加法电路或者开展应用型微实验实现电路结构的改造，实现积分电路和微分电路的互相转换。

2 微实验的教学设计

2.1 设计思路

课堂教学需要在限定的时间段内完成课时教学内容的教授，有明确的知识点和教学目标。教师组织课堂教学活动，应主要围绕以下三个要点开展教学设计：

表1 教学情境中微实验类型对应的知识元种类

1)明确课堂教学目标

应用型人才培养模式下，“模拟电子技术”课程中符号类知识元的教学目标以记忆为主，而概念、事实类知识元要求学生能记忆并理解，程序性知识元则进一步要求学生可以充分运用所学课程知识进行工程应用，包括具备应用分析能力的要求。备课阶段，教师应明确教学内容对应的不同教学目标。

2)围绕教学内容创设情境

情境教学模式的关键是情境的创设，需要根据教学目标，将教学内容渗透到学生的情感活动中，让学生自觉地全身心投入到课程的学习之中[9]。教师利用多媒体等现代化教育设备，可以把视频、声音、动画、图形、图像以及文字等各种多媒体信息应用于教学过程，模拟真实场景、引导学生提出疑问，或者刺激感官。

3)确定微实验的教学目的

微实验应用于课堂教学要能充分激发出学生在学习过程中的主体地位，让学生自己去完成原有知识的解构和新知识的建构，形成知识技能的体验。微实验开展中也要能丰富学生视觉和听觉等各方面的能力。学生带着情感去学习，将转变以前的被动学习模式，在实践经验中找到提升自我的信念，实现情感和理性上的同步成长。这样课程教学中教师能深入浅出地讲解知识点，学生能加强基本概念的理解，易于接收重点知识内容，也有利于突破难点内容。

2.2 微实验的设计

1)微实验内容及类型

教师可以在分析教学知识点的基础上，提取出微实验开展的对象知识元，再根据知识元的性质选定微实验的类型。实验内容的设计，要围绕实验目的、根据实验原理，创建实验仿真电路或实物电路板；再制订实验流程，选定分析方法，进行仿真分析或结果观测，得出实验结论。最后根据实验结论引导学生思考总结教学内容，教师也可顺利开展下一个知识元的教学。

2)微实验的形式

微实验开展的方式可以采用视频录像、软件仿真和实物电路等形式。微实验的时长较短，其内容聚焦并服务于单一知识元的教学，可以开展在整个教学过程中，包括课程预习、教学内容的引入和展开、学习效果检查等环节。实际教学时，可以根据具体的教学环节和教学意图选取不同形式。例如课前预习环节，可以引导学生观看相关实验视频，了解课程内容和要点；课堂教学中，可以软件仿真演示或实物电路演示理论结论；课后学习效果检查环节，可以指导学生课下采用软件仿真验证学习内容。实验教学环节中，则侧重于引导学生体会理论分析结果与实物电路观测结果之间的差距，逐渐学会分析实物电子元器件及电路参数设置不同对实验结果的影响。

3 微实验的教学应用

微实验应用于课堂教学中时，教师创设情境引入教学知识元，启发学生通过对微实验结果的观察和分析，理解相应的理论知识。下面在课堂教学实践中选取“集成运放的线性应用”知识点为教学案例，探讨微实验融入理论教学的课堂教学模式，其流程图如图1所示。

图1 应用微实验的课堂教学流程图

1)导入环节

教师可以根据课堂教学的内容选取学生生活中常见的场景，通过视频或现场表演创设情境，再启发学生根据现象思考其中的电子技术问题，随后导入课堂教学的主题。例如授课教师使用麦克风音响设备将声音放大，无变声和明显延时，听者可以实时清晰地听见讲话内容，学生会在启发下思考两个问题：①声音的音量如何变大的？②如何实现信号的线性不失真放大。引导学生讨论后得出结论后，就导入课堂教学内容：集成运放可以构建信号的放大电路，即集成运放的线性应用。

2)微实验环节

课堂教学情境中设置的微实验以教学某一知识点为目标，针对该知识点进行实践或应用。选取适当的微实验类型和开展方式后，教师需要事先设计软件仿真电路或制作实物电路板。根据教学内容之间的逻辑关系来设计若干微实验，层层推进，逐步引导学生建构新知识，促进知识内化并深刻记忆。

例如对于“同相放大电路”知识元来说，可以利用Multisim软件仿真设计四个微实验：①电路的输入、输出信号波形观察；②两输入端的电压值测量；③两输入端的电流值测量；④反馈支路开路。其中第一个和第四个微实验属于演示型，而第二、三两个微实验属于验证型。首先引导学生观察结果并思考“电压放大倍数与电路中电阻阻值有何关系、输入输出相位关系如何”两个问题，确定同相放大电路中集成运放工作在线性状态。通过测量集成运放两输入端电压大小，发现两输入端的电压大小接近相等，引出“虚短”的概念；再测量两输入端的电流近似为零，引出“虚断”的特性。接着引导学生发现反馈支路的设置，鼓励学生思考其作用。反馈支路开路后测量发现两输入端的电压大小不等，同时输出电压也不再与输入电压成线性关系，但“虚断”状态还保持。由此得出结论：反馈电路是集成运放能实现信号线性放大的条件。进一步分析可知反馈的引入使净输入电压减小，确定其为负反馈。

3)讨论与总结环节

实验结束后教师引导学生对实验结果进行讨论和总结，强调学生的主体地位时也确立了教师的主导作用，符合教学方法改革的主流意识。经过对“同相放大电路”知识元的四个微实验结果的分析和讨论，学生很容易明确集成运放线性工作的电路设置条件。接下来利用“虚短”“虚断”特性分析具体电路的知识点讲解也会顺利开展，还可以进一步利用软件仿真实验对电路技术指标的理论计算结果进行验证。

4 结语

通过教学实践，在课堂中基于教学情境设置微实验，解决了理论教学和实践教学相脱节的矛盾。学生在整个课程学习环节中都可以通过微实验过程发现问题和提出问题，进行理论知识深入思考和探究，从而巩固了对知识点的掌握。微实验的开设对教师提出了更高要求，授课教师既要熟悉教学内容、明确教学目标方法，也要掌握一定的实验技能，熟悉常用的电路仿真软件，精炼教学过程设计，微实验的教学应用才能提高课堂教学质量和学生的学习效率。

基于应用型本科教育的“金课”打造理念，在情境教学模式下采用理论教学与微实验结合的启发式教学，在实例分析中强化理论概念，实现理论“可视化”，可以加深学生对模拟电路理论的认识和理解，激发学生的学习兴趣与热情。另一方面，微实验的开展也逐步引导学生动手开展实践，在提高学生专业技能水平的同时，最大限度地缩短了理论知识向实践技能迁移的过程，可以达到学以致用、提高其解决工程问题的能力。