五星教学模式在“模拟电路”中的应用

李 玲 赵冬梅 宋 阳 艾 杰

(海军大连舰艇学院 基础部， 大连 116018)

教学模式是教师教学理念、教学方法、教学手段、教学艺术的综合体现[1]。有效的课堂教学模式对学员知识的理解、能力的培养、全面素质的提高都具有重要意义[2]。

“模拟电路”是诸多理工科学员的重要专业基础课，一方面课程所涉及的非线性器件和非线性电路的分析方法对后续专业课的学习具有重要作用；另一方面课程内容所蕴含的逻辑性、系统性、辩证性等对学员思维方式的培养和价值观的塑造大有裨益。根据课程特点，针对教学内容探索适合的教学模式，可以更加有效地促进教学目标的达成。

1 “模拟电路”与“电路分析”

在教学实践中发现，学员对“模拟电路”和“电路分析基础”的认识比较混乱，会带着“电路分析基础”的思维定势学习“模拟电路”，这对“模拟电路”的教学造成了很大困难。“电路分析基础”也是理工科类学员的专业基础课，更是“模拟电路”的基础课程，两门课程均是研究电路的，分析电路的依据都是元件约束和结构约束，但是研究的侧重点有所不同，具体如表1所示。

表1 “电路分析基础”与“模拟电路”对比

“电路分析基础”侧重电路的两种分析依据和基本分析方法的学习；而“模拟电路”更贴近工程实际，侧重于工程思维方式的培养，课程内容中所涉及的电路均是从实际电路抽象出来的电路模型，与“电路分析基础”相比，所要分析的电路更复杂，这也是学员学习的难点。为了提高学员的主动学习意愿，更好地培养学员的工程素养，提出教学内容的讲授基于实际任务需求的五星教学模式。

2 五星教学模式概述

五星教学模式也即“首要教学原理”，实质是：具体的教学任务应被置于循序渐进的实际问题解决情景中完成，即先向学习者呈现问题，然后针对各项具体任务展开教学，接着再展示如何将学习到的具体知识运用到解决问题或者完成整体任务中去[3]。

此教学模式将枯燥难学的授课内容与丰富有趣的实际任务相结合，使学员的学习有所依托，对每次课都有所期待，自觉建立课程的学习兴趣，从而主动参与学习。只有达到了这样的要求，才是符合学习过程和学习者心理发展要求的高效教学[3]。

3 典型教学设计案例

以康华光版第六版《电子技术基础(模拟部分)》第10.8.1节单门限电压比较器为例，给出基于五星教学模式的详细教学设计。

3.1 聚焦解决问题

五星教学模式认为教学内容一定要聚焦解决问题，因此课程开始前首先要给学员明确本次课的任务。为使学员保持较高的学习兴趣，任务的设置最好与工程实际或生活实际息息相关，因此课前教员要深入挖掘所讲内容的实际应用，将教学内容与实际应用深度融合。如本次课提出的任务是：路灯的亮灭与光线的强弱关系密切，光线强时路灯灭，光线弱时路灯亮，请利用所学知识设计光控路灯电路。

3.2 激活原有知识

1) 任务分析

为方便任务的实现，首先需要对任务进行分析，并将实际问题转化为电路语言。假设光线的强弱为输入电压vi，光线强时vi增加，光线弱时vi减小；路灯的亮灭为输出电压vo，输出高电平时，路灯亮，输出低电平时，路灯灭；路灯亮的瞬间所对应的光线为固定电压VREF。电路需实现的功能是将输入电压vi与固定电压VREF作比较，并将比较的结果用高低电平的形式表示出来，输入-输出电压对应关系应为

(1)

2) 激活旧知

认知的发展具有连续性，新知识往往是已学知识的延续、深化和拓展，因此在学习新内容之前需要引导学员充分激活原有知识。如在本任务中，学员在第二章集成运算放大器中已学过实际运放的特点及其电压传输特性曲线，如图1(a)所示。

(a)实际运放传输特性曲线

(b) 理想运放传输特性曲线图1 集成运放的电压传输特性曲线

从图1(a)可以看出，实际运放的输出电压与净输入电压之间的关系分两种情况，在净输入电压较小时，输出电压随净输入电压的增加而线性增加，这一区域称为线性区；而当净输入电压大于某一电压值时，输出电压维持不变，不再随输入电压的变化而变化，这一区域称为非线性区[4]。

实际运放线性区的范围与其开环电压增益有关，由于运放的开环增益很大，故线性范围很窄，理想情况下运放的电压传输特性曲线如图1(b)所示[4]，可近似认为

(2)

即

(3)

从理想运放非线性区的输入-输出关系上看，该器件实现了同相输入端电压与反相输入端电压的比较，且用正负饱和值来显示比较的结果，这便提供了思路：若将运放同相端电压和反相端电压分别设置成光线变化的电压vi和固定电压VREF，是否可实现二者的比较？按照这个思路，进入展示论证新知阶段。

3.3 展示论证新知

1) 理论分析

由于理想运放非线性区的输入-输出电压特点是：同相输入端电压高，输出正饱和值；反相输入端电压高，输出负饱和值。而所需实现的电路却是：光线强时，路灯不亮，即输入信号vi高时，电路输出电压vo应为低电平。故将输入信号vi加在运放的反相输入端，固定电压VREF加在运放的同相输入端，构成图2所示电路。

图2 单门限反相输入电压比较器

在该电路中，由于 ，结合运放非线性区的特点，可得

(4)

显然，该电路实现了输入信号vi与固定值VREF的比较，并将比较的结果用正负饱和值来表示，我们将这样的电路称为电压比较器；由于该电路中输入信号是加在运放的反相输入端，所以将其称为反相输入电压比较器；另外，只有当vi=VREF时，输出电压才会发生高低电平的跳变，因此将输出电压跳变瞬间所对应的输入电压值称作门限电压，由于该电路只有一个门限电压，故将该电路称为单门限反相输入电压比较器[4]。

2) 仿真验证

该电路是否与理论分析相符，还需要仿真验证。在Multisim仿真软件中搭建电路，在运放反相输入端加入一个随时间增加幅值先增加再减小的信号，代表从天黑到天亮再到天黑的过程；在运放同相输入端加入4.5 V的固定电压，代表路灯亮时所对应的最弱光线；在运放输出端接一个灯泡，代表路灯；示波器同时显示输入和输出波形，紫色线代表运放反相端的输入信号波形，蓝色线代表运放输出端的波形。仿真电路及仿真结果如图3所示。

图3 仿真电路及仿真结果

从仿真结果上，当输入信号小于4.5 V时，输出电压为高电平，灯泡亮；当输入信号增加到大于4.5 V时，输出电压从高电平跳转到低电平，灯泡灭；随着输入信号继续变化，当输入信号再次减小到小于4.5 V时，输出电压又从低电平跳转到高电平，灯泡亮。这一过程与实际需求相符，初步实现了任务。

3.4 尝试应用练习

为了使学员对已学内容有更深刻的理解，围绕任务设计图4扩展电路，电阻R是光敏电阻，且随光照的增强，电阻值变小，请学员结合所学知识讨论随着光照的增加，发光二极管的变化情况。

图4 光控路灯原理电路

在该电路中光敏电阻就是一个传感器，将光照的变化转换成了电阻的变化。由“虚断”及电阻串联分压可知，运放同相端的电压基本恒定为4.5 V。若光敏电阻阻值为1 kΩ，则运放反相端电压也为4.5 V，电桥平衡，运放净输入电压为0 V，输出电压也为0 V，二极管不亮。但是当光线较弱时，光敏电阻阻值增加，电桥不平衡，运放反相端电压降低，同相端电压大于反相端电压，运放输出正饱和值，发光二极管亮；反之，当光线较强时，光敏电阻阻值减小，电桥仍不平衡，运放反相端电压升高，反相端电压大于同相端电压，运放输出负饱和值，发光二极管不亮[5]。

在这一电路的讨论中，运放两输入端的电压需要利用运放“虚断”的特点及电阻串联的分压公式才可得出，这是对知识的扩展；而输入-输出电压的变化情况，仍需要利用运放非线性区的特点，这是对知识的巩固；另外，该电路实际上是光控路灯的原理电路，可依据此电路在面包板上搭建实物电路，如图5所示，这是对任务的实现。

图5 光控路灯面包板电路

3.5 融会贯通掌握

通过对单门限反相输入电压比较器的分析，可归纳出单门限电压比较器的相关知识：①电路的工作区域：运放的非线性区；②电路的结构特点：运放处于开环状态；③电路的分析方法：运放非线性区的输入-输出电压关系和“虚断”。有了这三条结论就可类比分析所有的单门限电压比较器。为了使学员更好地融会贯通掌握新学习的知识，此处可设计相关题目以便学员巩固练习，如让学员类比单门限反相输入电压比较器实现单门限同相输入电压比较器，还可让学员应用所学方法分析单门限电压比较器的综合题目。

4 结语

采用五星教学模式将学员代入实际任务情景中展开教学，教学目标更加明确，针对性更强，学员直观体会“学有所用”，主动学习意愿明显增强，真正做到“以学员为中心”；教学过程中任务的实现是在学员已掌握知识的基础上逐步论证达成的，符合认知发展理论，最终还能迁移提升应用到解决其他问题上，更加强调基础与方法的重要性；实验仿真、实物演示及时验证了理论的正确性，增强学员的信心，使其保持学习热情，并以此扩展鼓励学员探究和创新。