樊 華， 張 進(jìn)， 陳偉建， 張懷武， 謝實(shí)夢(mèng)

(1. 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院， 成都 610054; 2. 電子科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 成都 611731)

0 引 言

在全球新一輪信息化浪潮下，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、移動(dòng)通信、虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展使得人類眼花繚亂、應(yīng)接不暇，迄今為止，還沒(méi)有一個(gè)學(xué)科能夠像信息技術(shù)領(lǐng)域這般多姿多彩，千變?nèi)f化，人類已經(jīng)跨入了以高新科技綜合創(chuàng)新為代表的信息技術(shù)時(shí)代。信息技術(shù)的發(fā)展異常迅速，摩爾定律(微處理器的性能每隔18個(gè)月提高1倍，而價(jià)格下降1倍)、梅爾卡夫法則(網(wǎng)絡(luò)價(jià)值等于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平方)和新摩爾定律(Internet頻寬每9個(gè)月會(huì)增加1倍的容量，但成本也同時(shí)降低一半)等持續(xù)起作用，正如一些經(jīng)濟(jì)學(xué)家所言：“信息技術(shù)在全社會(huì)范圍的擴(kuò)張和滲透，無(wú)異于第二次工業(yè)革命，甚至比第一次工業(yè)革命的影響更加深遠(yuǎn)?！?/p>

2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)，達(dá)成了“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識(shí)。以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點(diǎn)的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，迫切需要培養(yǎng)大批新興工程創(chuàng)新人才。相對(duì)于傳統(tǒng)的工程教育，“新工科”人才應(yīng)是基礎(chǔ)知識(shí)厚、專業(yè)能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，并適應(yīng)泛信息化時(shí)代、敢于跨界并具有跨界創(chuàng)新集成能力、引領(lǐng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的精英人才。其中最重要的是培養(yǎng)學(xué)生最核心的能力——學(xué)習(xí)而且快速學(xué)習(xí)新事物的能力，其次學(xué)生需要在知識(shí)交叉和融合中學(xué)習(xí)[1-6]。

時(shí)代的變革促使我們必須進(jìn)行教學(xué)改革，課程建設(shè)要重構(gòu)一些核心知識(shí)，老的知識(shí)要升級(jí)換代，新的技術(shù)要加入教學(xué)內(nèi)容，專注于學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和工程思維的提高上進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。我校從2013年開始探索以學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)為核心，以行業(yè)發(fā)展需求為標(biāo)準(zhǔn)，推行課程體系的優(yōu)化整合，已取得一些好的成果。本文將介紹“電子電路基礎(chǔ)”課程的貫通教學(xué)改革情況[7-10]。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題分析

1.1 兩門獨(dú)立課程不利于原本一脈相承的知識(shí)體系進(jìn)行融會(huì)貫通

傳統(tǒng)教學(xué)是將“電路分析”和“模擬電路基礎(chǔ)”列為獨(dú)立的兩門課程，“電路分析”課程64學(xué)時(shí)，在大一的第二學(xué)期開設(shè)，“模擬電路基礎(chǔ)”64學(xué)時(shí)，在大二的第一學(xué)期開設(shè)，即“電路分析”為“模擬電路基礎(chǔ)”的先修課程。兩門課程獨(dú)立講授不利于原本是一脈相承的知識(shí)體系進(jìn)行融會(huì)貫通。例如“電路分析”第一章所講述的基爾霍夫定律(KCL、KVL)是所有電路中電壓和電流所遵循的基本規(guī)律，是分析和計(jì)算較為復(fù)雜電路的基礎(chǔ)，在“模擬電路基礎(chǔ)”中既可以用于直流電路的分析，也可以用于交流電路的分析，還可以用于非線性電路的分析；“電路分析”第二章“外加電源法”在“模擬電路基礎(chǔ)”中常用來(lái)化簡(jiǎn)電路，通過(guò)外加電壓源求電流或者外加電流源求電壓來(lái)求解放大電路的等效輸入、輸出電阻等；“電路分析”第三章“含受控源的電路分析”以及第四章“疊加定理、戴維南定理和諾頓定理”在“模擬電路基礎(chǔ)”中常用來(lái)化簡(jiǎn)和分析三極管放大電路、場(chǎng)效應(yīng)管放大電路以及多級(jí)放大電路等?！半娐贩治觥焙汀澳M電路基礎(chǔ)”兩門課程分別在兩個(gè)學(xué)期授課的缺點(diǎn)在于：大部分學(xué)生在開始學(xué)習(xí)“模擬電路基礎(chǔ)”時(shí)，已經(jīng)對(duì)“電路分析”的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)生疏了，不能融會(huì)貫通，這種教學(xué)模式使學(xué)生在認(rèn)知和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)時(shí)產(chǎn)生隔膜。

1.2 理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在脫節(jié)

兩門課程分屬于不同的學(xué)期開設(shè)，使得教學(xué)過(guò)程中銜接緊密的理論分析+仿真設(shè)計(jì)+實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的電子電路分析與設(shè)計(jì)方法無(wú)法連貫，理論與實(shí)際常常脫節(jié)。比如傳統(tǒng)電路分析課程，理論教學(xué)只從電路模型(圖形化的數(shù)學(xué)模型)入手進(jìn)行講授，基本不考慮實(shí)際問(wèn)題(如電阻的種類、功率和容差等)，一旦實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)與理論分析不完全吻合的情況，學(xué)生很難理解。

因此，我校將“模擬電路基礎(chǔ)”和“電路分析”整合成一門課程——“電子電路基礎(chǔ)”，96學(xué)時(shí)，6學(xué)分，在大一的第二學(xué)期開設(shè)，將“電路分析”的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)合理穿插到“模擬電路基礎(chǔ)”中。 改革后的“電子電路基礎(chǔ)”課程從元器件的抽象，到電路模型的分析，再到電子電路的分析與設(shè)計(jì)，有機(jī)融合教學(xué)內(nèi)容，包括從無(wú)源器件到有源器件、從線性到非線性、從實(shí)際電路到電路模型、從單元電路到功能電路、從電路分析到電路設(shè)計(jì)，節(jié)節(jié)深入、步步提高，消除了電路分析與模擬電路相關(guān)知識(shí)的隔膜，有利于知識(shí)的融會(huì)貫通。這是我校迄今為止唯一的一門6學(xué)分的專業(yè)基礎(chǔ)課，此教改項(xiàng)目——“電子電路(電路分析與模擬電路)課程的貫通教學(xué)”已被列入2015年學(xué)校的重大教改項(xiàng)目之一。

2 “模擬電路基礎(chǔ)”和“電路分析”的貫通教學(xué)

2.1 整合方案

“電路分析”和“模擬電路基礎(chǔ)”兩門課程的整合并不是簡(jiǎn)單的疊加，傳統(tǒng)的“電路分析”課程采用邱關(guān)源主編的普通高等教育“九五”國(guó)家級(jí)重點(diǎn)優(yōu)秀教材，包括兩部分：第一部分為電路穩(wěn)態(tài)分析，包括電路模型和電路定律、電阻電路的等效變換、電阻電路的一般分析、電路定理，含有運(yùn)算放大器的電阻電路、相量法、正弦穩(wěn)態(tài)電路的分析、含有耦合電感的電路、三相電路、非正弦周期電流電路和信號(hào)的頻譜等內(nèi)容；第二部分為電路動(dòng)態(tài)分析，包括一階電路、二階電路、拉普拉斯變換、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、電路方程的矩陣形式、二端口網(wǎng)絡(luò)、非線性電路簡(jiǎn)介[11-12]?！半娐贩治觥焙汀澳M電路基礎(chǔ)”[13]兩門課程整合之后，電路分析的內(nèi)容刪減了一半，這是由于隨著電子電路技術(shù)日新月異的發(fā)展，電路的計(jì)算機(jī)輔助分析已經(jīng)成為普遍采用的科學(xué)研究方法，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)以及各種電路仿真軟件的飛速發(fā)展大大簡(jiǎn)化了過(guò)去繁雜的電路分析和計(jì)算，因此，授課時(shí)應(yīng)該強(qiáng)化“電路計(jì)算機(jī)輔助分析”，使學(xué)生初步掌握大規(guī)模電路計(jì)算機(jī)輔助分析方法和過(guò)程，建立“科學(xué)計(jì)算”概念，不宜過(guò)細(xì)地分析模塊內(nèi)部原理以及進(jìn)行繁雜的電路計(jì)算，但經(jīng)典的電路分析理論知識(shí)以及向“模擬電路基礎(chǔ)”過(guò)渡的必備知識(shí)必須精講，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行歸納總結(jié)，兩門課程整合方案見表1。

2.2 “電路分析”和“模擬電路基礎(chǔ)”貫通教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)

“電路分析”課程應(yīng)該定位在為“模擬電路基礎(chǔ)”作鋪墊，“電路與電路模型”以及“電路分析方法”兩章的學(xué)習(xí)使得學(xué)生能掌握電子線路的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)電路的復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行抽象和表達(dá)，并對(duì)所建立的模型完成準(zhǔn)確的推導(dǎo)、計(jì)算。學(xué)習(xí)了“電路分析”中“電路與電路模型”以及“電路分析方法”兩章后就可以開始學(xué)習(xí)“模擬電路基礎(chǔ)”中“半導(dǎo)體器件”和“單管放大電路”兩章， 因?yàn)閷W(xué)生一旦建立起電路模型的基本概念以及掌握了疊加定理、戴維南定理以及諾頓定理之后，就可以運(yùn)用這些定理靈活分析三極管和場(chǎng)效應(yīng)管雙口網(wǎng)絡(luò)交流小信號(hào)等效放大電路。例如：?jiǎn)为?dú)對(duì)放大器進(jìn)行交流分析時(shí)，可以將放大器視為無(wú)源雙口網(wǎng)絡(luò)，而考慮信號(hào)源之后，放大器作為信號(hào)源的負(fù)載，應(yīng)該將放大器和負(fù)載合并視為無(wú)源單口網(wǎng)絡(luò)，無(wú)源單口網(wǎng)絡(luò)等效為電阻Ri，即放大器的輸入電阻Ri是信號(hào)源的負(fù)載電阻，而從負(fù)載端分析，信號(hào)源與放大電路等效為含源單口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于含源單口電路的分析采用戴維南或者諾頓定理畫出等效電路，將其等效為開路電壓源UOC與輸出電阻Ro的串聯(lián)或者短路電流源ISC與輸出電阻Ro的并聯(lián)。

表1 “電路分析”和“模擬電路基礎(chǔ)”課程整合方案

在“模擬電路基礎(chǔ)”中講到二極管、三極管以及場(chǎng)效應(yīng)管的分析時(shí)要用到疊加定理，需要特意強(qiáng)調(diào)只有把晶體管用交流小信號(hào)模型做線性化的處理之后才能用疊加定理，否則，對(duì)非線性的電路不能用疊加定理進(jìn)行求解；含有受控電源的戴維南定理、諾頓定理的計(jì)算，學(xué)生不知道如何將電路進(jìn)行劃分成單口網(wǎng)絡(luò)，講述例題的時(shí)候應(yīng)該多講解幾種思路和劃分方法，讓學(xué)生靈活掌握單口的概念，無(wú)論對(duì)電路怎么劃分都能得出正確答案；使學(xué)生掌握不同方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性，有效解決電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的復(fù)雜工程問(wèn)題。另外，含有受控電源的節(jié)點(diǎn)分析法，讓學(xué)生盡量抓兩個(gè)點(diǎn)：第一是控制量，第二是受控量，主要看受控電源關(guān)聯(lián)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于關(guān)聯(lián)一個(gè)節(jié)點(diǎn)和關(guān)聯(lián)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的方法上課時(shí)都給出實(shí)例，并增加課堂練習(xí)。

以上“電子電路基礎(chǔ)”第3、4章所涉及知識(shí)都屬于“模擬電路基礎(chǔ)”，第5章又重新進(jìn)入“電路分析”——正弦穩(wěn)態(tài)電路的學(xué)習(xí)，為第6章“放大電路的頻率特性”作鋪墊，這是由于分析放大電路的頻率特性(也稱頻率響應(yīng))時(shí)，通常對(duì)放大電路輸入正弦量，研究放大電路的幅頻特性和相頻特性，而正弦信號(hào)是時(shí)變信號(hào)，其幅度和相位隨著時(shí)間的改變而改變，對(duì)于時(shí)變信號(hào)的研究通常采用相量法，相量是電子工程學(xué)中用以表示正弦量大小和相位的矢量，當(dāng)頻率一定時(shí)，相量唯一表征了正弦量，放大電路頻率特性本質(zhì)是正弦穩(wěn)態(tài)電路的相量分析，因此，在學(xué)習(xí)“放大電路的頻率特性”之前，需要先講述“正弦穩(wěn)態(tài)電路”，以便學(xué)生能靈活運(yùn)用相量法分析放大電路的頻率特性，深刻理解放大倍數(shù)是信號(hào)頻率的函數(shù)，隨著輸入信號(hào)頻率低到一定程度或高到一定程度，放大倍數(shù)都會(huì)下降并產(chǎn)生相移。

“電子電路基礎(chǔ)”最后3章涉及的內(nèi)容都屬于“模擬電路基礎(chǔ)”，其中反饋部分是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，反饋和運(yùn)放都是模擬電路的精髓，大部分運(yùn)放都在閉環(huán)負(fù)反饋條件下使用，只有掌握好反饋類型的判別才能深刻理解負(fù)反饋對(duì)放大電路性能的影響，然而，反饋類型的判斷是學(xué)生不容易掌握的知識(shí)點(diǎn)，教科書上給出的判斷反饋的方法學(xué)生不容易理解，需要幫助學(xué)生對(duì)教科書上沒(méi)有的或者不容易理解的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行如表2所示的梳理和總結(jié)。

需要注意的是：交直流反饋可以通過(guò)耦合電容在電路中的連接方式進(jìn)行判斷，如圖1所示，電容和電阻R1并聯(lián)，因此，直流情況下，電容開路，R1和R2構(gòu)成電阻分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓的一部分反饋到輸入，存在直流反饋；交流情況下，電容短路， 將R1短路，反饋網(wǎng)絡(luò)無(wú)法對(duì)輸出電壓取樣，反饋消失，因此，在圖1所示電路中，由于R1和R2構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)有電容并聯(lián)，則為直流反饋。同理，在圖2所示電路中，R1和R2構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)有電容串聯(lián)，直流情況下，電容開路，反饋消失，交流情況下，電容短路，R1和R2構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電壓采樣，反饋到輸入端，則為交流反饋。

值得說(shuō)明的是：電壓反饋和電流反饋是反饋中最難講授的部分，學(xué)生也最不容易掌握，這里，對(duì)電壓反饋和電流反饋需要進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。教科書給出電壓反饋的標(biāo)準(zhǔn)定義是：將輸出電壓的一部分或全部引回到輸入回路來(lái)影響凈輸入量的為電壓反饋，簡(jiǎn)單來(lái)講，可以理解為反饋網(wǎng)絡(luò)和輸出接在同一點(diǎn)則為電壓反饋。如圖3所示，反饋網(wǎng)絡(luò)為一根導(dǎo)線，這是將輸出

圖1 直流反饋

電壓全部反饋回去的“電壓反饋”。如圖4所示， R1和R2構(gòu)成電阻分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電壓的一部分反饋到輸入，穩(wěn)定輸出電壓。

圖3 將輸出電壓全部反饋回去的“電壓反饋”

圖4 將輸出電壓部分反饋回去的“電壓反饋”

對(duì)于電流反饋，教科書給出電流反饋的標(biāo)準(zhǔn)定義是：將輸出電流的一部分或全部引回到輸入回路來(lái)影響凈輸入量的為電流反饋，簡(jiǎn)單來(lái)講，可以理解為反饋網(wǎng)絡(luò)和輸出接在不同點(diǎn)則為電流反饋，如圖5所示， R1和R2構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)，將輸出電流的一部分引回到輸入，構(gòu)成電流反饋，穩(wěn)定輸出電流。

圖5 將輸出電流部分反饋回去的“電流反饋”

實(shí)踐證明，“電子電路基礎(chǔ)”的貫通教學(xué)能夠使得學(xué)生分析電路的能力提高，學(xué)習(xí)電路的興趣變濃，為日后從事相關(guān)領(lǐng)域工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 教改成果

2016年5月，我校主辦了高校電子信息類課程教學(xué)改革研討會(huì)，吸引了來(lái)自清華大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等95所高校電子信息類的280多位老師和專家與會(huì)，課程組在大會(huì)上做了主題報(bào)告“電路類課程的融合與建設(shè)進(jìn)展”引發(fā)了老師們的熱烈討論，同時(shí)課程組也多次到全國(guó)高校電子信息類基礎(chǔ)課程系列研修班等教學(xué)會(huì)議上交流經(jīng)驗(yàn)，每年學(xué)校接待近百所兄弟院校前來(lái)交流學(xué)習(xí)，課程改革的效果得到高度認(rèn)可。

課程組有的老師連續(xù)三屆被評(píng)為學(xué)?！拔易钕矏鄣睦蠋煛?，有的老師講授的“電子電路基礎(chǔ)”課程每學(xué)期學(xué)生評(píng)教均在90分以上，并代表學(xué)校參加了教育部第二屆全國(guó)高等學(xué)校電子技術(shù)及電子線路基礎(chǔ)課程高校青年教師授課競(jìng)賽，獲西南賽區(qū)復(fù)賽模電組一等獎(jiǎng)，在比賽中，由于采用新穎的授課方式，將電路分析的知識(shí)靈活穿插到模擬電路中，給在場(chǎng)的評(píng)委一種耳目一新的感覺。此外，還多次應(yīng)邀出席教育領(lǐng)域的國(guó)際會(huì)議并作了介紹，拓展了國(guó)際視野，為今后的國(guó)際交流合作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為深化高校工程教育改革，我校啟動(dòng)了重點(diǎn)教改專項(xiàng)——電子電路課程的貫通教學(xué)。教學(xué)改革立足于打破原有的分段式教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)體系內(nèi)在的貫通和平滑過(guò)渡，推進(jìn)課程內(nèi)容有機(jī)融合[15]，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與工程實(shí)踐能力、解決復(fù)雜問(wèn)題的決策力以及自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。