柏受軍+陸華才+趙發(fā)

【摘 要】針對模擬電子技術課程教學過程中遇到的問題，我校自動化專業(yè)以卓越工程師計劃為契機，引入CDIO教育理念對課程的教學體系、教學內容和教學手段等進行改革和探索。實踐表明，基于CDIO教育理念的模擬電子技術課程改革不僅使教學質量和教學效果得到顯著的提高，而且通過設計和制作一個完整的工程案例，培養(yǎng)了學生的工程實踐等能力。

【關鍵詞】模擬電子技術；CDIO；教學改革；差動變壓器

0 引言

模擬電子技術是電類專業(yè)重要的具有入門性質的技術基礎課，扎實的理論基礎和過硬的實踐能力對于電類學生后續(xù)專業(yè)課的學習有著重要的作用。但是隨著電子技術的發(fā)展，數(shù)字電子電路大行其道，使一部分學生產生了模擬電子電路不再重要的錯誤認識。加上課程的學時數(shù)越來越少，傳統(tǒng)的教學模式存在著如教材重分析輕設計，驗證性實驗多綜合性實驗少，單一強調理論知識的考核方式等，嚴重影響了模擬電子技術課程的學習效果。本文以我校自動化專業(yè)進行的卓越工程師計劃為契機，以CDIO教育理念為指導，全面改革模擬電子技術課程教學，并在各種學生參加的電子大賽中得到了檢驗，取得了優(yōu)異的成績，教學效果顯著。

1 以CDIO教育理念優(yōu)化教學內容

模擬電子技術課程教學的內容繁多，模擬電子電路經典教材篇幅都很大，特別是在教學學時數(shù)大量壓縮的情況，如何優(yōu)化教學內容是教學改革首要任務。同時模擬電子技術課程與數(shù)學、物理、甚至電路課程的學習都有著明顯的區(qū)別，即它的工程性和實踐性，因此如何將模擬電子技術學習有機地融合到工程背景中，是教學改革的關鍵問題。為此我們以CDIO教育理念為指導，對模擬電子技術課程教學內容的優(yōu)化做了積極的探索。

1.1 CDIO教育理念

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的重要成果。CDIO教育模式是90年代末由美國麻省理工學院航空航天系首先創(chuàng)立的，在2000 年聯(lián)合3 家瑞典大學完善了這一模式，并建立了12 條標準，于2004 年正式成立了國際組織。CDIO 是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）和運行（Operate）四個英文單詞的首字母，它涵蓋了產品開發(fā)的完整過程[1-4]。

CDIO教育模式以產品開發(fā)的全過程為載體，讓學生以主動的、實踐的方式進行工程開發(fā)學習，建立起完整的課程體系，并培養(yǎng)學生的專業(yè)基礎知識、終身學習能力、團隊交流協(xié)作能力和工程系統(tǒng)能力。CDIO教育模式的關健是如何根據學習內容確定一個實際的開發(fā)案例，通過這個案例的開發(fā)逐步培養(yǎng)學生的工程能力以及其他能力。

1.2 確定工程開發(fā)實例

如何把模擬電子技術教學內容完美地融合到一個工程開發(fā)實例中，是個不小的挑戰(zhàn)。隨著電子技術的發(fā)展，模擬電子技術應用領域絕大多數(shù)都集中在傳感器信號調整電路中。通過對大量傳感器調理電路的研究，發(fā)現(xiàn)用傳感器調理電路作為開發(fā)實例可以很好包含模擬電子電路絕大部分核心教學內容。實際教學過程中，選擇差動變壓器式位移傳感器（螺管式）的調理電路設計和制作作為模擬電子電路學習的工程案例，通過多年的教學實踐，效果顯著。

差動變壓器式位移傳感器是用來檢測物件移動的位移量，在工業(yè)中應用非常廣泛。其調理電路原理框圖可以用圖1表示。其中正弦波或方波產生電路的功能是產生一定頻率的正弦波或方波激勵傳感器的初級線圈；檢波電路的功能是將差動變壓器次級線圈輸出的電壓，轉換成一個既能反映位移的大小，又能反映位移的方向的電壓信號；放大電路的功能是將檢波電路得到的小信號放大成合適的大信號；濾波電路的功能是將放大信號的高頻分量濾掉，獲得一個純凈的直流電壓信號；轉換電路的功能是將電壓信號轉換成電流信號，以便適應信號的遠距離傳輸；直流電源電路的功能是對整個電路進行供電，一般情況下供電電壓為24VDC。

整個調理電路基本上包括了模擬電子電路課程教學的所有內容。下面以我校選用的童詩白主編的《模擬電子技術基礎》[5]教材為例，將調理電路的各組成電路對應教材相應章節(jié)整理成圖2。需要說明的是，設計調理電路必須有兩個重要的基礎，即熟悉運算放大器內部結構和外部特性，以及反饋的概念。從圖中可以看出，調理電路中的各組成電路基本上包含《模擬電子技術基礎》教材的所有章節(jié)，也就是說選擇差動變壓器式位移傳感器（螺管式）的調理電路研發(fā)作為工程案例是恰當?shù)摹?/p>

1.3 優(yōu)化教學內容

圖2已經非常清楚地概括了模擬電子技術課程教學內容，其大致可以歸納為三個方面：一個器件，即集成運算放大器；一個概念，即反饋；六種電路，即信號產生、檢波、放大、濾波、轉換和直流電源電路。

1.3.1 一個器件——集成運算放大器

調理電路中的核心器件是集成運算放大器，學習模擬電子技術的第一個任務就是如何認識和正確使用集成運算放大器。為此可以將教材的前5章整合成一個模塊，即集成運算放大器模塊。集成運算放大器的學習可以再細化為以下三個方面。

第一是學習集成運算放大器的外部電壓傳輸特性。運放作為調理電路中的核心器件，必須要掌握它的作用和功能，即放大作用。

第二是學習集成運算放大器內部組成電路。首先要弄清楚二極管和三極管的特性；其次以單管共射放大電路為基礎學習運放的中間級；再次差分放大電路為基礎學習運放的輸入級；最后以單管共集放大電路為基礎學習運放的輸出級。

第三是學習集成運算放大器性能參數(shù)。不同的運放其性能指標差異較大，在理解這些參數(shù)的基礎上，根據需要合理地選擇運放。

1.3.2 一個概念——反饋

運算放大器在電路中一般有三種狀態(tài)，即開環(huán)、正反饋和負反饋，根據需要正確選擇不同的反饋類型。學習反饋概念時要注意以下幾點。

第一，根據集成運算放大器的電壓傳輸特性，理解開環(huán)、正反饋和負反饋的作用。

第二，理解負反饋的四種組態(tài)，以及引入負反饋后對電路性能的影響。

第三，根據電路需要，要能夠正確選擇合適的負反饋組態(tài)，以滿足電路設計要求。

1.3.3 六種基本單元電路

學習了集成運算放大器和反饋這兩個重要內容以后，就可以分析和制作實際電路了。但是實際電路多如牛毛，功能和電路結構各不相同，那又如何學習呢？分析傳感器調理電路的組成，可以歸納為六種基本的單元電路，即信號的產生電路、信號的檢波電路、信號的放大電路、信號的濾波電路、信號轉換電路和直流電源電路。

熟悉了這六種基本單元電路后，就可以根據需要設計具體的電路了。

2 更新教學手段

在確定了學習的工程案例和相應的教學內容以后，接下來的任務就尋找更好的教學手段，提高學習效率。

2.1 善于吸收最新研究成果

在模擬電子電路的教學過程中，前人做了大量的探索，也取得了很多研究成果。在教學過程中要善于吸收最新的研究成果，提高教學效果，下面以實用的三極管共射放大電路為例加以說明，圖3（a）為該電路的原理圖。

國內教材在分析這個電路時，都是首先把三極管用微變等效模型替代，然后求解放大電路的各項指標。這種方式應該說是比較繁瑣的，學生對三極管的微變等效模型也不易掌握，求解電路的性能指標時費時費力。日本作者鈴木雅臣的《晶體管電路設計》[6]一書中已經提出了另外一種分析方法，這種分析方法簡單明了，易于掌握。這種分析方法是將三極管的發(fā)射結等效成二極管的交流小信號模型，該部分內容在康華光主編的《電子技術基礎·模擬部分》[7]一書中已經作了詳細的分析。再利用圖3（b）中的交流通路分析放大電路的放大倍數(shù)。

由于發(fā)射結可以等效為一個小的動態(tài)電阻，所以輸入電壓能夠順利達到三極管的發(fā)射極上，所以，而，則輸出電壓，因此放大倍數(shù)。相比傳統(tǒng)的微變等效法，該方法概念清晰，直觀明了，因此善于利用最新的研究成果，可以提高教學效果。

2.2 采用軟件仿真計算手段

仿真計算已經與理論分析和科學實驗一道，成為當代科學研究的三大支柱。目前，學生基本上人手一臺筆記本電腦，因此仿真計算也為教學提供了理論和實踐結合的完美平臺。在模擬電子技術教學過程中，應當把仿真計算提到突出的地位上，必須在教學過程中形成“理論分析→仿真計算→實驗驗證”的完整流程。仿真計算可以不受實驗室條件的影響，對電路的分析更加的直觀、形象，同時也可以節(jié)省大量的實驗經費。利用Cadence軟件的PSpice A/D組件對上述實用三極管共射放大電路進行時域和頻域仿真計算，仿真結果如圖4所示。

從圖4（a）中可以計算出（時域分析時輸入激勵信號源振幅為0.5V）。從圖5（b）中可以計算出（頻域分析時輸入激勵信號源幅值為1V）。

仿真計算可以非常直觀地看到結果，可以幫助學生提高系統(tǒng)的分析和設計能力，以及故障診斷和排除能力。

2.3 拓寬課外學習渠道

電子技術是一門實踐科學，要想真正對所學電路融會貫通，必須動手制作電路，如制作差動變壓器調理電路。這就要求學校必須提供開放式的學習環(huán)境，以滿足部分學有余力的學生得到個性發(fā)展。我校自動化專業(yè)為實施卓越工程師計劃專門創(chuàng)建了創(chuàng)新實驗室，并整合學校原有的電子協(xié)會資源，為我校自動化專業(yè)的學生提供了良好的實踐環(huán)境，拓寬了學生的課外學習渠道。

3 教學效果

以CDIO教育理念為指導，優(yōu)化了模擬電子電路課程的教學內容，并采用最新的教學手段，培養(yǎng)了學生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，取得了較為顯著的效果。

3.1 學生理論基礎明顯扎實

以前學生在學習模擬電子電路時，很多概念學的不是很扎實，自從課堂教學中使用了仿真計算后，特別是我校自動化專門開設Cadence軟件的PSpice A/D組件的學習課程，學生的學習興趣明顯提高。利用仿真軟件可以對學習的每一個電路都進行仿真計算，這樣可以很好地檢驗理論學習效果。

3.2 學生的創(chuàng)新能力得到明顯提高

自從教學改革以來，學生參加各類電子設計大賽的人數(shù)大幅度提高，也取得了很好的成績。截止2016年4月，我校電氣學院學生參加的各類電子設計大賽中獲得國家級特等將1個，國家級一等級3個，國家級二等獎18個，國家級三等獎3個，省級將項100多項的好成績。特別是在2015年全國電子大賽，一舉獲得2個全國二等獎，3個全國三等獎。

4 結論

以CDIO教育理念為指導，對模擬電子技術教學進行了全方位的改革，結合實際的開發(fā)項目，優(yōu)化教學內容，革新教學手段，形成了完善的課程體系。通過多年的教學實踐，該體系能夠有效地調動學生的主動性和興趣，提高學生的實踐創(chuàng)新能力，教學效果顯著，發(fā)揮了良好的示范和輻射作用。

【參考文獻】

[1]丁桂芝.CDIO12個標準本土化應用專題之1-背景環(huán)境[J].計算機教育，2012（5）：106-109.

[2]丁桂芝.CDIO12個標準本土化應用專題之2-學習的目標效果[J].計算機教育，2012（7）：100-105.

[3]丁桂芝.17、CDIO12個標準本土化應用專題之4-工程導論[J].計算機教育，2012（15）：104-106.

[4]丁桂芝.19、CDIO12個標準本土化應用專題之6-工程實踐場所[J].計算機教育，2012（19）：107-110.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]鈴木雅臣著，周南生譯.晶體管電路設計（上）[M].北京：科學出版社，2004：17-18.

[7]康華光.電子技術基礎·模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2006：76-78.

[責任編輯：朱麗娜]