嚴(yán) 瓊，李弘楠，祝曉霞

（1．2．3．福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院，福建福州，350108）

《模擬電子技術(shù)》課程是電子信息、電氣自動(dòng)化等專(zhuān)業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，在本科生課程體系中起到承上啟下的作用，影響著學(xué)生的工程實(shí)踐能力。本文提出仿真驅(qū)動(dòng)理論學(xué)習(xí)模式，力求實(shí)現(xiàn)課堂由灌輸式“重知輕行”向探究式“知行合一”的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)課程的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

一、課程現(xiàn)狀及傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)的《模擬電子技術(shù)》課程的理論部分是教師講授、學(xué)生被動(dòng)接受的模式，實(shí)驗(yàn)部分是教師演示、學(xué)生模仿和驗(yàn)證的模式。該模式難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使學(xué)生在課堂上難以集中注意力。同時(shí)，課程的入門(mén)難度高，而學(xué)生很少會(huì)在課后時(shí)間主動(dòng)去提取知識(shí)點(diǎn)的主要脈絡(luò)并深入思考，因此很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。課程現(xiàn)狀及傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題總結(jié)如表1所示：

表1 課程現(xiàn)狀及傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

一方面，在當(dāng)前教學(xué)模式下，對(duì)電路的原理和工作機(jī)制等知識(shí)點(diǎn)只靠概念和公式強(qiáng)化記憶，沒(méi)有涉及電路的實(shí)際參數(shù)折衷設(shè)計(jì)和產(chǎn)品應(yīng)用。學(xué)生雖然能夠通過(guò)課程培養(yǎng)理論分析能力，卻不會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)際電路，不能達(dá)到應(yīng)用型本科院校對(duì)“復(fù)合性、創(chuàng)新性、應(yīng)用型”人才的要求。另一方面，傳統(tǒng)的考核只有期末試卷，導(dǎo)致部分學(xué)生平時(shí)不學(xué)習(xí)積累，僅靠考前突擊應(yīng)對(duì)，實(shí)際教學(xué)效果不佳。因此，應(yīng)將考核融入學(xué)習(xí)過(guò)程中，[1]弱化期末卷面考試，強(qiáng)化平時(shí)表現(xiàn)的評(píng)價(jià)，更好地引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)。

二、授課知識(shí)點(diǎn)占比

國(guó)外高校在電子學(xué)科一直處于強(qiáng)勢(shì)地位，其優(yōu)秀教材，如Thomas L編寫(xiě)的《Foundations of Analog Circuits》、Sedra編寫(xiě)的《Microelectronic Circuits》、Allan編寫(xiě)的《Electronics》等安排的學(xué)時(shí)均比國(guó)內(nèi)教材多。例如，《Microelectronic Circuits》建議授課安排兩學(xué)期，每學(xué)期40～50學(xué)時(shí)。[2]當(dāng)前有限的學(xué)時(shí)（48學(xué)時(shí)）緊張，因此要對(duì)教學(xué)內(nèi)容有所側(cè)重。結(jié)合業(yè)界發(fā)展調(diào)整授課知識(shí)點(diǎn)占比：一方面，結(jié)合BJT與MOS管的工藝發(fā)展趨勢(shì)，教學(xué)中需要增加MOS管電路設(shè)計(jì)的占比，弱化BJT電路的分析；另一方面，縮減分立元件部分的知識(shí)點(diǎn)，加大集成運(yùn)放部分的學(xué)時(shí)比重。

（一）分立器件部分以大電流、高速、高反壓功率器件為重

未來(lái)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分立器件的發(fā)展方向是：在結(jié)構(gòu)上向復(fù)合型、模塊化發(fā)展，在性能上向大電流、高速、高反壓功率半導(dǎo)體分立器件發(fā)展。而《模擬電子技術(shù)》課程中與分立器件相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)包括：?jiǎn)喂芊糯箅娐贰⒍嗉?jí)放大電路、差分式放大電路、功率放大電路。因此，應(yīng)該加大功率放大電路的內(nèi)容比重，擴(kuò)展大電流、高速、高反壓功率器件的知識(shí)點(diǎn)。

（二）集成電路部分?jǐn)U充運(yùn)放的設(shè)計(jì)

2015年，隨著《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》等一系列政策的實(shí)施，中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)呈爆發(fā)式飛速增長(zhǎng)。如圖1所示，設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)3個(gè)產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)售額持續(xù)增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)更加合理化：設(shè)計(jì)業(yè)和制造業(yè)逐步超越封測(cè)。

圖1 2014—2015年中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)銷(xiāo)售收入及增長(zhǎng)

2015年，我國(guó)IC從業(yè)人數(shù)39.4萬(wàn)人，預(yù)計(jì)到2020年從業(yè)人數(shù)將達(dá)79.2萬(wàn)人。專(zhuān)業(yè)人才缺口越來(lái)越大，因此授課中應(yīng)擴(kuò)充運(yùn)放設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，具體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。集成運(yùn)放的設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮各種參數(shù)之間的折衷，同時(shí)兼顧噪聲、串?dāng)_、二級(jí)效應(yīng)、穩(wěn)定性及頻率補(bǔ)償?shù)取?/p>

圖2 集成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

（三）擴(kuò)充BJT與MOS管的工藝發(fā)展

運(yùn)放的工藝決定了運(yùn)放的一些性能參數(shù)。其中，輸入失調(diào)電壓及其漂移、輸入偏置電流及其漂移對(duì)運(yùn)放的影響最為直觀，具體如表2所示：

表2 運(yùn)放的工藝與性能參數(shù)

表2中列出了4種工藝的對(duì)比，包括：結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管JFET、互補(bǔ)金屬氧化物CMOS管、絕緣隔離場(chǎng)效應(yīng)管DiFET。其中，JFET工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)注意控制溫度，因?yàn)楣茏悠秒娏鲿?huì)隨溫度升高而翻倍增長(zhǎng)。CMOS是軌到軌輸出運(yùn)放，也稱(chēng)為滿幅運(yùn)放，它的自歸零（Auto-Zero）技術(shù)大幅降低了運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，零交越失真（Zero-Crossover）和零溫漂（Zero-Drift）技術(shù)抑制了運(yùn)放的失真和溫漂。絕緣隔離FET的寄生電容、晶體管飽和效應(yīng)、輸入泄漏IIB都很低，因此具有較好的帶寬和更大的輸出擺幅，然而其受限于復(fù)雜的工藝（價(jià)格昂貴）。以德州儀器（TI）和意法半導(dǎo)體（ST）的運(yùn)放為例，分析不同工藝的發(fā)展趨勢(shì)，[3]如圖3所示：

圖3 運(yùn)放的不同工藝新品占比趨勢(shì)

可以看出，CMOS正超越BJT成為業(yè)界主流工藝。因此，教學(xué)上應(yīng)該增加“場(chǎng)效應(yīng)管及其基本放大電路”的內(nèi)容，適當(dāng)縮略“晶體三極管及其基本放大電路”的內(nèi)容，更好地引導(dǎo)學(xué)生了解業(yè)界最新動(dòng)態(tài)、將理論知識(shí)與工程應(yīng)用緊密地聯(lián)系起來(lái)。

三、仿真驅(qū)動(dòng)理論學(xué)習(xí)模式

結(jié)合《模擬電子技術(shù)》這一專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的特點(diǎn)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出仿真驅(qū)動(dòng)理論學(xué)習(xí)方法，將“灌輸式”知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)向“探究式”仿真實(shí)例，[4,5]以提升教學(xué)效果。首先，與生活緊密聯(lián)系的案例使課堂教學(xué)充滿生機(jī)與趣味，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的印象；其次，通過(guò)仿真案例的任務(wù)分配將考核融入學(xué)習(xí)過(guò)程中，杜絕考前突擊的現(xiàn)象，督促學(xué)生平時(shí)多學(xué)習(xí)積累；最后，仿真的引入強(qiáng)化了理論與實(shí)踐的聯(lián)系，促使學(xué)生主動(dòng)地學(xué)習(xí)運(yùn)用模電理論知識(shí)來(lái)解決工程應(yīng)用問(wèn)題，提高學(xué)生分析問(wèn)題和學(xué)以致用的能力。

（一）設(shè)計(jì)仿真實(shí)例

仿真實(shí)例的設(shè)計(jì)，要求教師能夠熟練地運(yùn)用理論知識(shí)，結(jié)合自身充足的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，來(lái)激發(fā)和挖掘?qū)W生的實(shí)踐潛能。

第一，緊密聯(lián)系生活。教師在設(shè)計(jì)仿真實(shí)例時(shí)需要反復(fù)斟酌，盡量從學(xué)生的實(shí)際生活中提煉相關(guān)的趣味且實(shí)用型電子產(chǎn)品，作為相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的載體，如表3所示：

表3 仿真實(shí)例與知識(shí)點(diǎn)

可以看出，仿真實(shí)例都來(lái)自于日常生活。這樣在一定程度上可以避免學(xué)生在抽象、枯燥的理論知識(shí)中失去學(xué)習(xí)興趣，使其感受到學(xué)以致用的樂(lè)趣，找到課程知識(shí)的用武之地，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性、探究性和創(chuàng)新實(shí)踐能力，增強(qiáng)課程的教學(xué)效果。

第二，以能力為本位，因材施教。為了避免打擊學(xué)生的積極性，降低課程的入門(mén)難度，仿真實(shí)例的設(shè)計(jì)不宜難度太高，應(yīng)該以人為本，以確保仿真驅(qū)動(dòng)理論學(xué)習(xí)模式的順利實(shí)施。同時(shí)，教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)及時(shí)聽(tīng)取學(xué)生的反饋建議，不斷探索，不斷改進(jìn)。設(shè)計(jì)的仿真實(shí)例可按難度系數(shù)階梯式分布，由淺入深，不同層次的學(xué)生可以有不同的選擇范圍。這樣因材施教的模式，既照顧基礎(chǔ)薄弱的同學(xué)，又充分考慮學(xué)生的興趣導(dǎo)向，保證每個(gè)學(xué)生都能順利完成設(shè)計(jì)、調(diào)試，最大限度地發(fā)揮自身的探究性和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（二）仿真實(shí)例的輔助軟件

第一，課堂上的動(dòng)態(tài)直觀性。在課堂上利用Multisim、Proteus等虛擬儀器，[6]模擬實(shí)際電路的搭建及設(shè)計(jì)，學(xué)生可以隨時(shí)觀察輸入和輸出的時(shí)域波形、頻域譜線。在授課中，教師通過(guò)改變電路各參數(shù)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將抽象理論轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)的直觀形象的波形、譜線，并為學(xué)生進(jìn)行演示，讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)電路的變化過(guò)程，降低理解難度，縮短掌握知識(shí)點(diǎn)的時(shí)間，提高課堂效率。

第二，時(shí)間和空間上的拓展性。仿真驅(qū)動(dòng)理論學(xué)習(xí)模式能夠避免教學(xué)中學(xué)生申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)室困難、實(shí)驗(yàn)箱硬件電路固定不可調(diào)、元件損耗大的問(wèn)題，克服時(shí)間和空間上的局限性。學(xué)生可以利用課外時(shí)間，在宿舍、圖書(shū)館隨時(shí)隨地進(jìn)行仿真，擴(kuò)充課堂知識(shí)，實(shí)現(xiàn)探究式“知行合一”的實(shí)踐。

靜態(tài)工作點(diǎn)、瞬時(shí)分析、小信號(hào)分析和參數(shù)掃描是《模擬電子技術(shù)》課程的重中之重，表4列出了Multisim、Proteus的常用仿真功能：[7]

表4 Protel Mixed Sim與Multisim仿真

如表4所示，Protel Mixed Sim與Multisim仿真操作相似。以Protel Mixed Sim混合仿真為例，分析電路時(shí)執(zhí)行工作點(diǎn)分析（Operating Point Analysis）和瞬時(shí)分析（Transient Analysis）、交流小信號(hào)分析（AC SmallSignal Analysis）或參數(shù)掃描分析（Parameter Analysis）等仿真功能。使用軟件時(shí)，要求學(xué)生熟悉Multisim、Proteus等虛擬儀器的操作界面，明確選取元器件時(shí)的注意事項(xiàng)，掌握原理圖設(shè)計(jì)、布局、調(diào)試、PCB 設(shè)計(jì)等操作，為今后的課程設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)、就業(yè)打下厚實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）仿真實(shí)例的教學(xué)

1.引出授課內(nèi)容

教師在課堂上提出仿真實(shí)例作為相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的載體，將“灌輸式”知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)向“探究式”仿真實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)例所涉及的知識(shí)點(diǎn)，以此引出授課內(nèi)容。一方面，幫助抽象思維能力欠佳的學(xué)生更形象地了解電路；另一方面，促使學(xué)生帶著目標(biāo)去學(xué)習(xí)，積極主動(dòng)地運(yùn)用模電理論知識(shí)來(lái)解決工程應(yīng)用問(wèn)題。學(xué)生感到學(xué)有所得，學(xué)有所用，上課更有激情、更加投入，課堂效率大有提高。

2.電路拆分成子單元

實(shí)施案例仿真前，教師首先講解各仿真實(shí)例對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)。例如，汽車(chē)的玻璃除霜實(shí)例對(duì)應(yīng)電阻電路的設(shè)計(jì)；音頻信號(hào)放大器對(duì)應(yīng)放大電路的帶寬和負(fù)載設(shè)計(jì)；電子生日蠟燭對(duì)應(yīng)雙穩(wěn)觸發(fā)電路，熱敏電阻的阻值影響三極管集電極和基極的壓降，使由三極管構(gòu)成的雙穩(wěn)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

之后，教師再指導(dǎo)學(xué)生將各實(shí)例電路拆分成子單元，以直流穩(wěn)壓電源為例，如圖4所示：

圖4 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖

圖4中將直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)分解為變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓4個(gè)子電路。電路的拆分有助于學(xué)生進(jìn)一步理解仿真案例，一定程度上降低學(xué)習(xí)難度。仿真實(shí)例由學(xué)生分組合作完成，每個(gè)成員設(shè)計(jì)一個(gè)子電路。學(xué)生通過(guò)圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)搜集相關(guān)資料、利用Multisim、Proteus等虛擬儀器，搭建并設(shè)計(jì)電路。

3.探究電路

教師將仿真案例作為學(xué)生的課外仿真作業(yè)，如講授放大器時(shí)布置學(xué)生設(shè)計(jì)脈搏信號(hào)放大器或微弱信號(hào)檢測(cè)電路等。學(xué)生分組合作，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，通過(guò)答辯的形式互相交流，完善已有的知識(shí)，培養(yǎng)探究電路的興趣。

在運(yùn)用模電理論知識(shí)來(lái)解決工程應(yīng)用問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生慢慢學(xué)會(huì)將課本的精確計(jì)算的思維轉(zhuǎn)換為工程上的近似估算思維模式。近似估算一方面可以簡(jiǎn)化電路模型，節(jié)省繁瑣的計(jì)算時(shí)間；另一方面可以突出設(shè)計(jì)中的主要指標(biāo)，便于調(diào)試時(shí)候排查電路故障。

豐富的仿真案例不僅能夠鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)電路的能力，同時(shí)也為學(xué)生的創(chuàng)新思維提供更廣的發(fā)揮空間，為后續(xù)課程的延伸打下更厚實(shí)的基礎(chǔ)。仿真案例由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，符合學(xué)生理性認(rèn)知的過(guò)程，也降低理解難度，提升學(xué)生就業(yè)后的崗位適應(yīng)能力。

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