王志功，徐 建，馬 力，趙鑫泰，王巍巍

(1.東南大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部工程研究中心，江蘇南京210096;2.南京矽志微電子有限公司，江蘇南京210096)

0 引言

“電路與電子電路”課程是電子信息類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其工程性和實(shí)踐性非常強(qiáng)。它所涉及的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法對(duì)本科生的培養(yǎng)起著重要的作用。如果學(xué)生沒(méi)有工程經(jīng)驗(yàn)或者工程經(jīng)驗(yàn)不足，理解起來(lái)會(huì)很吃力。因此，提高這兩門課的教學(xué)質(zhì)量，一直是高校教學(xué)研究和改革的重點(diǎn)[1]。

傳統(tǒng)的電路課程教學(xué)中，在講到電池、電阻、電容、電感、變壓器、濾波器和傳輸線時(shí)，學(xué)生通常只能從教材的圖示中了解，很少有實(shí)物展示，學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)。很多高校教師也許很少有機(jī)會(huì)接觸教材上介紹的所有元器件。雖然有的學(xué)生在電工電子實(shí)驗(yàn)室里會(huì)接觸到部分元器件，但全面和系統(tǒng)化展現(xiàn)元器件，在國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室里尚不多見。由于學(xué)生不能在課堂上直觀認(rèn)識(shí)該課程中所涉及的全部電路器件，只有模糊的概念，會(huì)影響該課程的教學(xué)效果。

在“電子線路”課程教學(xué)中，則要涉及很多電路設(shè)計(jì)的理論。由于學(xué)生缺乏感性的認(rèn)識(shí)，存在著和電路課程教學(xué)中相似的問(wèn)題。為了增強(qiáng)教學(xué)效果，高校近年來(lái)紛紛引入了多媒體教學(xué)，通過(guò)動(dòng)畫或視頻圖像來(lái)介紹演示電路元器件和電路等。文獻(xiàn)[2]就曾對(duì)這些教學(xué)方式做出過(guò)探討。

針對(duì)上述背景，五年來(lái)，在我?！案叩壤砉?shí)驗(yàn)班”教育創(chuàng)新計(jì)劃支持下，實(shí)現(xiàn)了“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學(xué)[3]，我們還編寫出版了“電路與電子線路基礎(chǔ)”(電路部分和電子線路部分)一套兩本教科書[3，4]。另一方面，開發(fā)出了一套12塊教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板，包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線、濾波器，二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、功率放大器、運(yùn)算放大器和振蕩器。在此基礎(chǔ)上，我們與國(guó)際知名的ADI公司合作建立起一套虛實(shí)結(jié)合的電子多媒體教學(xué)系統(tǒng):通過(guò)USB連接線將PC機(jī)、模擬電路設(shè)計(jì)套件和教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板三者連接起來(lái)。學(xué)生通過(guò)這套系統(tǒng)，可以迅速地搭建具有實(shí)際功能的模擬電路，實(shí)現(xiàn)電路和電子線路的仿真與測(cè)試。

大規(guī)模網(wǎng)上公開課MOOC(慕課)教學(xué)方式對(duì)各類課程教學(xué)模式和教學(xué)體制產(chǎn)生了重大影響。而慕課在工程類課程教學(xué)方面目前面臨的最大問(wèn)題就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)問(wèn)題。解決這一問(wèn)題的一種可能就是開發(fā)可以個(gè)體化操作的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。我們研發(fā)的博物實(shí)驗(yàn)板希望能成為電路與電子線路類課程慕課方式教學(xué)的一個(gè)組成部分。

本文介紹我校開發(fā)的“電路與電子線路基礎(chǔ)”課程教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板的原理和功能，同時(shí)介紹了ADI公司開發(fā)的模擬電路測(cè)試工具和系統(tǒng)，并展示了兩者如何結(jié)合以實(shí)現(xiàn)課堂上的教學(xué)實(shí)踐并探討了其效果和意義。這套博物實(shí)驗(yàn)板分為電路和電子線路兩部分。

1 電路教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板

電路實(shí)驗(yàn)板部分包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線和濾波六塊。

1)電池

紐扣電池包括水銀電池、空氣電池、氧化銀電池和堿性電池等四種，另外還有各種尺寸的錳鋅電池、堿性電池和鎳鎘電池，如圖1所示。

2)電阻

電阻包括貼片電阻、繞線電阻、水泥電阻、薄膜電阻、合成電阻，以及可變電阻和集成電路電阻，如圖2所示。

圖1 電池博物實(shí)驗(yàn)板

圖2 電阻博物實(shí)驗(yàn)板

3)電容

電容包括可變電容、貼片電容、陶瓷電容、薄膜電容、紙介電容、云母電容、電解電容和電雙層電容，如圖3所示。

圖3 電容博物實(shí)驗(yàn)板

4)電感和變壓器

電感和變壓器包括貼片繞線電感、固定線圈電感、磁珠、環(huán)形電感、巴倫和變壓器，如圖4所示。

圖4 電感和變壓器博物實(shí)驗(yàn)板

5)傳輸線

傳輸線部分包括扁饋線、二芯電纜和同軸線，以及微帶線和共面波導(dǎo)組成的相關(guān)電路，如圖5所示。

圖5 傳輸線博物實(shí)驗(yàn)板

6)濾波器

濾波器部分有切比雪夫?yàn)V波器、貝塞爾濾波器、巴特沃斯濾波器和橢圓濾波器，以及陶瓷濾波器，晶體濾波器和聲表面波濾波器，如圖6所示。

圖6 濾波器博物實(shí)驗(yàn)板

2 電子線路教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板

電子線路實(shí)驗(yàn)板部分包括:二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、功率放大器、運(yùn)算放大器和場(chǎng)效應(yīng)管六塊。

1) 二極管

器件部分包括整流二極管、檢波二極管、齊納二極管、肖特基二極管、激光二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和真空電子管;電路部分包括穩(wěn)壓電路、橋式整流電路和調(diào)幅檢波電路，如圖7所示。

圖7 二極管博物實(shí)驗(yàn)板

2)雙極型晶體管

器件部分包括了各種常用的低頻、高頻、小功率和大功率雙極型三極管;電路部分包括雙極型三極管的典型電路，如共基、共發(fā)、共集組態(tài)電路、達(dá)靈頓晶體管電路、電流源電路和差動(dòng)電路，如圖8所示。

圖8 三極管博物實(shí)驗(yàn)板

3)場(chǎng)效應(yīng)管

場(chǎng)效應(yīng)管部分包括部分類型的場(chǎng)效應(yīng)管以及采用場(chǎng)效應(yīng)管的典型電路，如圖9所示。

圖9 場(chǎng)效應(yīng)管博物實(shí)驗(yàn)板

4)功率放大器

功率放大器包括甲類功放、乙類功放、甲乙類功放、丙類功放和丁類功放，如圖10所示。

圖10 功率放大器博物實(shí)驗(yàn)板

5)運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器部分包括基于運(yùn)算放大器組成各種典型電路:反相比例放大電路、同相比例放大電路、相加法器、法運(yùn)算電路、積分器和微分器，實(shí)驗(yàn)板如圖11所示。

圖11 運(yùn)算放大器電路博物實(shí)驗(yàn)板

6)振蕩器

振蕩器部分包括RC橋式振蕩器、多諧振蕩器、電容三點(diǎn)式振蕩器和石英晶體振蕩器，實(shí)驗(yàn)板如圖12所示。

圖12 振蕩器博物實(shí)驗(yàn)板

3 教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板在教學(xué)上的使用

電路和電子線路兩套博物實(shí)驗(yàn)板有如下特點(diǎn):①整合了“電路與電子線路”課程中涉及的各類典型的電路元器件，能使學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)各種元器件真實(shí)的物理形態(tài);②體積小，重量輕，制作成本低，便于攜帶;③板上都留有觸點(diǎn)和引腳可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

我們結(jié)合ADI的基于PC機(jī)的設(shè)備演示，教會(huì)學(xué)生如何使用博物實(shí)驗(yàn)板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。

如圖13所示，將設(shè)備與PCB板中的差分放大電路連接，包括電源，信號(hào)源輸出，示波器輸入等。然后選擇適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)，即可看到放大的波形輸出。本實(shí)例中，輸入選擇偏置電壓為0V，頻率為5kHz，單邊幅度為5mV的差分信號(hào)，則輸出約為400mV的差分信號(hào)，波形如圖14所示。

圖13 連接設(shè)備與PC

圖14 Waveforms的界面

以上即為三極管差分放大電路的實(shí)驗(yàn)流程。由于USB連接設(shè)備的功率限制，對(duì)于部分電路，例如丙類和丁類功率放大器需要較大功率輸出。

此設(shè)備無(wú)法支持基于PC的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)，但可以采用專業(yè)信號(hào)源、電源和示波器來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 教學(xué)實(shí)踐及效果

我們已經(jīng)在我校吳健雄學(xué)院高等理工實(shí)驗(yàn)班的電路和電子線路的教學(xué)當(dāng)中，使用已經(jīng)出版的兩本教材[4，5]，通過(guò)教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板和 ADI模擬電路測(cè)試工具有效結(jié)合，進(jìn)行了開創(chuàng)性的教學(xué)改革嘗試。

首先，我們?cè)谡n堂上講到電阻、電容、電感等元器件時(shí)，就將教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板通過(guò)傳閱讓學(xué)生熟悉實(shí)物，增強(qiáng)了他們的感性認(rèn)識(shí)。當(dāng)講到電子線路的三極管和運(yùn)放的具體電路時(shí)，我們結(jié)合ADI的USB模擬測(cè)試工具，通過(guò)PC機(jī)的USB接口實(shí)現(xiàn)了在課堂上進(jìn)行電路的測(cè)試和演示，此時(shí)學(xué)生可以在投影屏幕上直接觀看測(cè)試功能。其次，我們?cè)谏险n的過(guò)程中也會(huì)讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，有效提高課堂的互動(dòng)性，取得了良好的課堂效果。

5 結(jié)語(yǔ)

我們經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，通過(guò)教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板以及配套測(cè)試工具的應(yīng)用，學(xué)生普遍反應(yīng)提高了課程的興趣，很多概念性的知識(shí)會(huì)更容易理解和接受，與教師之間也有了更多的互動(dòng)交流。此外，由于電子線路教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板給出的都是基本和經(jīng)典電路，可以有效地配合電工電子實(shí)驗(yàn)課程，對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作能力的提升也較為明顯。

2012年，這套教學(xué)博物實(shí)驗(yàn)板作為“電路與電子線路基礎(chǔ)”課程建設(shè)改革成果的一部分，獲得了江蘇省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。該項(xiàng)“電路與電子線路基礎(chǔ)”課堂教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面的新嘗試，已引起了國(guó)內(nèi)眾多高校的關(guān)注。

[1]張勇，對(duì)電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革實(shí)踐[J].西安:高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2004(2).

[2]劉雅嫻，王力隆，李朝軍等.電子線路課程教學(xué)改革的嘗試[J].北京:中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008(9):29-29.

[3]王志功，沈永朝，趙鑫泰，徐建.“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學(xué)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1)，pp.1-3

[4]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(chǔ)(電路部分)[M].北京:高等教育出版社，2012.

[5]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(chǔ)(電子線路部分)[M].