吳 濤,何松柏

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731)

模擬電路基礎(chǔ)課程是電子、通信、自動化等專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程以模擬電路應(yīng)用為背景，內(nèi)容包括半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)、放大電路基礎(chǔ)和集成運放電路等，使學(xué)生獲得模擬電子技術(shù)方面的基本知識、基本理論和基本技能。

這門課程集理論性、工程性以及實踐性于一體，但是存在知識點繁多，內(nèi)容抽象，缺乏清晰的主線等問題，諸多學(xué)生面臨初學(xué)困難而缺乏興趣，實際教學(xué)效果并不理想[2-5]。

針對上述問題，結(jié)合電子科技大學(xué)模擬電路基礎(chǔ)課程組的不斷摸索和探索，提出“多維度”的教學(xué)模式。在傳統(tǒng)課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，通過增加慕課、仿真和實驗演示等環(huán)節(jié)，充分吸引學(xué)生的注意，從而調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生對抽象、難懂的知識點有一個更具體更直觀的感性認(rèn)識，從而起到加深理解的作用。

1 現(xiàn)有教學(xué)模式存在的問題

理論課堂教學(xué)固然很重要，這是教師傳遞知識最有效的途徑，然而傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在以下的不足。

1)課堂中以教師理論講授為主，幾乎沒有課堂上的實踐環(huán)節(jié)。現(xiàn)在工科學(xué)生實踐少，工程理念不足，對于理論的理解非常困難。

2)現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)，存在動力不足現(xiàn)象。因為缺乏對知識的感性認(rèn)識，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程如果按照先聽理論講授，再進(jìn)行實驗驗證，缺少了與教師的互動，理論與實踐相互脫節(jié)。

3)計算網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，卻并沒有有效地引入到教學(xué)過程中，教學(xué)模式需要與時俱進(jìn)。

2 多維度教學(xué)模式的設(shè)計

針對傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，本文提出了一種多維度的教學(xué)模式，即在傳統(tǒng)理論課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，增加慕課、仿真和實驗演示環(huán)節(jié)。從多個角度對相關(guān)知識進(jìn)行展開，既豐富了教學(xué)環(huán)節(jié)，又有利于吸引學(xué)生注意，從而達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

2.1 慕課

慕課是英文MOOC(massive online open course)的音譯，是指大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程。慕課是一種嶄新的教學(xué)模式，其特點在于：1)大規(guī)模，人數(shù)無限制；2)在線，學(xué)習(xí)沒有時空約束；3)開放，無門檻，只要有上網(wǎng)條件即可[6]。慕課的提出與傳統(tǒng)的教育方式截然不同，緊密圍繞著數(shù)字化學(xué)習(xí)進(jìn)行[7-8]。

作為電子科技大學(xué)首批建設(shè)的慕課課程，模擬電路基礎(chǔ)上線中國大學(xué)MOOC網(wǎng)站(http://www.icourse163.org/)兩年來，累計報名人數(shù)2萬6千余人，除了面向全社會傳播模擬電路知識以外，也為本校學(xué)生預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、反復(fù)鞏固知識點提供了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)支持。學(xué)生可以在任意時間和地點觀看慕課視頻，通過反復(fù)地觀看對大腦形成一定強(qiáng)度的沖擊，有了對知識點的基本認(rèn)識(哪怕很少甚至理解有誤)，在課堂教學(xué)中再通過教師講授，會對知識點有更深入的理解。

課程組圍繞課程的基本內(nèi)容，提煉出50余個知識點視頻，每個視頻精心編排和設(shè)計，時間長度控制在5～15 min，委托專業(yè)團(tuán)隊攝像和后期制作，增加動畫等提升觀影效果。

每個知識點后設(shè)計5～10道簡單練習(xí)題，用于學(xué)生對知識點掌握情況進(jìn)行自查。并且提供單元練習(xí)和考試等環(huán)節(jié)，檢驗學(xué)習(xí)情況。

2.2 仿真

借助強(qiáng)大的EDA(電子設(shè)計自動化)軟件來做仿真實驗，通過對電路的搭建和仿真，可以非常直觀地觀察結(jié)果，并且學(xué)生也可以在任意裝有仿真軟件的計算機(jī)上進(jìn)行驗證性實驗以及課外的輔助設(shè)計，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性[9]。

目前在模擬電路教學(xué)中，主要用到的仿真軟件有Multisim和PSPICE[10-11]，本課程選用的是美國國家儀器(NI)有限公司的Multisim仿真軟件。

Multisim是NI公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

在模擬電路基礎(chǔ)課堂教學(xué)中引入Multisim仿真軟件，對于枯燥的平面電路分析，帶來了直觀、生動的結(jié)果顯示，有利于吸引學(xué)生注意力。

如對于半波整流電流，是二極管單向?qū)щ娦詰?yīng)用的最好例子，即是課程的重點之一，也是課程中第一個出現(xiàn)的實際應(yīng)用的例子。以往的教學(xué)中，比較方便的是用PPT的形式直接顯示輸入輸出關(guān)系，雖然顯示的結(jié)果是用計算機(jī)作圖很準(zhǔn)確，但是存在參數(shù)(輸入波形的幅度和頻率等)不能調(diào)節(jié)等問題。

而利用Multisim搭建仿真電路本身非常方便和直觀，如圖1所示。波形的測試使用虛擬示波器，可以觀察到輸入電壓和輸出電壓波形，這對初學(xué)者在沒有任何仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，還是容易看懂電路并且理解示波器的作用就是測量電壓波形。

利用仿真顯示模擬電路的結(jié)果非常的直觀，并且可以非常方便地展開討論問題。例如，要改變輸出電壓的波形為負(fù)半周輸出應(yīng)該怎么辦？或者，隨著頻率的升高，輸出電壓是否保持不變等問題，將仿真引入課堂教學(xué)，容易調(diào)動課堂氣氛，吸引學(xué)生注意和思考。

要求學(xué)生課后自學(xué)該仿真軟件，一方面對教學(xué)內(nèi)容利用仿真軟件平臺進(jìn)行結(jié)果驗證，以鞏固知識點；另一方面掌握一兩種仿真軟件，也有利于學(xué)生以后對實際電路的工程設(shè)計。

2.3 實驗

仿真固然重要，但需要讓初學(xué)者弄清仿真與現(xiàn)實電路之間的區(qū)別和聯(lián)系。仿真是對現(xiàn)實電路的抽象，是利用電路模型分析電路的參數(shù)。通過仿真可以快速顯示分析結(jié)果，但結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，取決于仿真過程的模型選擇、電路搭建以及仿真器的設(shè)定等諸多因素。

初學(xué)者很容易混淆二者關(guān)系，而過分夸大仿真過程和仿真的作用。要讓學(xué)生樹立“實踐”的重要性，這就是實驗。

高校一般都會開設(shè)相應(yīng)的實驗課程，提供學(xué)生認(rèn)識真實電路、動手搭建電路、測試電路以及完成課程設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)。

但實驗和課堂理論教學(xué)一般是由不同的老師，按不同的教學(xué)大綱完成，有一定的脫節(jié)。本文教學(xué)模式中提到的實驗是指除配套的實驗課程以外，在課堂教學(xué)中進(jìn)行直觀的實驗演示。這為學(xué)生認(rèn)識真實電路，提升興趣，提供了新的途徑。

模擬電路實驗中常用的信號源、示波器以及直流電源等設(shè)備存在體積大、成本高、攜帶不便等問題，所以在課堂教學(xué)中采用的是虛擬儀器解決該問題[12]。

虛擬儀器將計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與儀器技術(shù)結(jié)合起來，利用計算機(jī)分析能力和顯示界面，只需要一些核心模塊和相關(guān)軟件，就能將計算機(jī)變成測量用的儀器，有便攜和方便擴(kuò)展的優(yōu)勢。

在教學(xué)中常用到的虛擬儀器有NI公司的My DAQ和ADI公司的Analog Discovery。這里采用的是后者，Analog Discovery通過USB進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)5 MHz雙通道示波器和5 MHz雙通道函數(shù)發(fā)生器，以及正負(fù)5 V電源等功能，如圖2所示。

圖2 虛擬儀器硬件

配套Diligent公司的WaveForms軟件，如圖3所示，就可以對電路進(jìn)行簡單測試，并將結(jié)果顯示在計算機(jī)上，適用于在課堂教學(xué)中搭建實驗平臺。

圖3 WaveForms軟件

通過硬件和軟件的相結(jié)合，該虛擬儀器可以提供包括示波器、任意波形發(fā)生器、電壓表、波特儀、頻譜儀等基本模擬電路常用儀器。雖然在工作帶寬、精度等諸多指標(biāo)上，虛擬儀器遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)儀表；但這里主要將其用于簡單的課堂實驗演示，以及提供初學(xué)者在非實驗室環(huán)境中進(jìn)行簡單實驗驗證，其較低廉的價格和便攜性是非常適合的。

為了方便課堂演示實驗，設(shè)計并制作了一系列的電路板，包括二極管、三極管以及運算放大器等常見電路，二極管電路如圖4所示。

圖4 測試用電路舉例

利用實驗平臺，可以非常方便地進(jìn)行實驗演示，只需簡單幾步就可以將測試電路搭建完成，通過軟件進(jìn)行虛擬儀器參數(shù)配置，測試結(jié)果將直接輸出在計算機(jī)屏幕上，如二極管半波整流測試結(jié)果，如圖5所示。

圖5 測試實驗結(jié)果舉例

由此構(gòu)建出完整的圍繞理論課堂講授，具有在線知識點視頻觀看、仿真講解電路和實驗驗證電路的多維度教學(xué)模式。

通過該教學(xué)模式的運行，能明顯感覺學(xué)生積極性的提升。以前的傳統(tǒng)教學(xué)模式中，上課氣氛死板，課后學(xué)生的問題主要是某個知識點沒有明白，或者教材中某段話沒有看懂等比較淺顯的問題上，期末成績也不理想。采用多維度的教學(xué)模式，上課氣氛明顯活躍很多，知識點通過課堂講授和MOOC反復(fù)觀看容易理解透，而仿真和實驗環(huán)節(jié)更容易吸引學(xué)生關(guān)注，提的問題更是五花八門，從知識點到仿真模型、從實驗原理到新穎電路、從書本教材到工程應(yīng)用等等。學(xué)生積極性得以提升，課上和課后花精力去學(xué)習(xí)，掌握知識的同時也就取得了很好的成績。

3 多維度教學(xué)模式的建議

多維度的模擬電路基礎(chǔ)教學(xué)模式，在教學(xué)過程中進(jìn)行了試點，取得了較為滿意的結(jié)果。當(dāng)然從中也發(fā)現(xiàn)了一些問題和不足，需不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)和改進(jìn)。結(jié)合實際情況，對使用該教學(xué)模式提出幾點建議。

1)慕課視頻的制作需要精致。知識點的劃分要精細(xì)，以控制每一段視頻的長短，不能過長，否則易讓學(xué)生疲倦，一般5～10 min為宜。對重要的知識點需要增加練習(xí)、討論等環(huán)節(jié)，以達(dá)到鞏固知識的目的。

2)仿真環(huán)節(jié)宜精不宜多。學(xué)校模電課程的知識點幾乎都可以通過仿真驗證，但過多的仿真除了影響課堂時間進(jìn)度安排以外，還容易造成學(xué)生的惰性。并且仿真環(huán)節(jié)的設(shè)定需先明確目的，是為了驗證理論分析，而非替代理論分析。所以選擇幾個重要的知識點在課堂上仿真演示，如本課程中選擇二極管電路、單管放大電路以及集成運放比例運算電路等為重點仿真對象，不僅觀察仿真結(jié)果，還對仿真過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，用理論進(jìn)行解釋或者展開討論。必要的仿真題目可以提供學(xué)生課后練習(xí)。

3)實驗演示同仿真環(huán)節(jié)一樣，需精選幾個重要實驗進(jìn)行演示。演示注重過程和對學(xué)生的啟發(fā)，條件允許的情況下，鼓勵學(xué)生走上講臺輔助教師或者學(xué)生獨立測試，對實驗過程中的現(xiàn)象可作為思考題，讓學(xué)生利用理論進(jìn)行解釋，達(dá)到深入理解知識點的目的。

4 結(jié)束語

本文對“模擬電路基礎(chǔ)”課程教學(xué)中所采用的多維度教學(xué)模式進(jìn)行了介紹。在傳統(tǒng)的理論課堂教學(xué)基礎(chǔ)上，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、EDA軟件和虛擬儀器增加了慕課、仿真和實驗三個環(huán)節(jié)。從多角度、多方面地對理論知識進(jìn)行闡述，有利于學(xué)生對相對枯燥的理論有更感性和具體的認(rèn)識，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，起到提升教學(xué)效果的目的。