李峻靈，李世明，倪蘊(yùn)濤

（哈爾濱師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引 言

2017年，教育部發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐的通知》，其中明確指出，物聯(lián)網(wǎng)工程專(zhuān)業(yè)是新工科建設(shè)的主要方向之一.明確新工科的培養(yǎng)和建設(shè)目標(biāo)是為未來(lái)新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要提供實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才.在新的人才培養(yǎng)定位的前提下，相當(dāng)一部分雙非院校和省屬及地方院校把培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才作為專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方向.

按照現(xiàn)在的培養(yǎng)計(jì)劃，大多數(shù)學(xué)校所開(kāi)設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典硬件課程體系主要包括模擬電子技術(shù)、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及體系結(jié)構(gòu)等課程，有些學(xué)校根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)和專(zhuān)業(yè)特色，甚至開(kāi)設(shè)包含控制類(lèi)及通信類(lèi)課程，如通信原理、信號(hào)與系統(tǒng)等.

對(duì)于將要從事學(xué)習(xí)和研究物聯(lián)網(wǎng)硬件知識(shí)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，有關(guān)電學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備基本停留在高中階段的水平.進(jìn)入到專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)階段，部分高校由于適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的需要及專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)方案的改革等各種客觀(guān)因素的限制，從課程體系的安排上，經(jīng)典專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)課程被削減課時(shí)，甚至被熱門(mén)學(xué)科替換.造成課程微觀(guān)知識(shí)點(diǎn)間的銜接不連貫，宏觀(guān)知識(shí)體系的不合理的現(xiàn)象.

對(duì)于遵照?qǐng)?zhí)行新工科培養(yǎng)方向所修訂的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，所開(kāi)設(shè)的課程體系中，大學(xué)物理等經(jīng)典理論課程已被列為公共選修課程，電路基礎(chǔ)課程在很多學(xué)校被取消.在物聯(lián)網(wǎng)硬件知識(shí)體系中，學(xué)生僅憑高中物理的知識(shí)直接學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)等硬件專(zhuān)業(yè)課程，很難達(dá)到該課程的基本要求［1］.

以經(jīng)典基礎(chǔ)類(lèi)課程知識(shí)為依托的專(zhuān)業(yè)課程，在教學(xué)活動(dòng)和專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，出現(xiàn)前期的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備不足，造成本門(mén)課程在現(xiàn)有課時(shí)量不變的前提下，處于無(wú)法完成課程教學(xué)任務(wù)的矛盾當(dāng)中.

現(xiàn)代電子電路中，模擬電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ)是以三極管為核心的放大電路基本理論體系，而現(xiàn)代電子電路分析仍然遵循經(jīng)典電路的基本理論和分析方法.本文在模擬電子技術(shù)授課過(guò)程中，以知識(shí)點(diǎn)銜接問(wèn)題而出現(xiàn)的一個(gè)比較集中的教學(xué)瓶頸問(wèn)題為例，分析教學(xué)現(xiàn)象，提出解決問(wèn)題的建議.

1 問(wèn)題實(shí)例

通常，教材給出的三極管對(duì)應(yīng)的h參數(shù)等效變換電路如圖1所示.在分析基本共射極放大電路時(shí)，學(xué)生還能夠基本理解.相當(dāng)一部分學(xué)生靠直觀(guān)分析去理解，而不是科學(xué)的理論依據(jù).學(xué)生在學(xué)習(xí)共射極放大電路的分析中，最常提出2個(gè)問(wèn)題：發(fā)射極區(qū)分不清；輸入回路和輸出回路似乎不相關(guān).

當(dāng)用此h參數(shù)等效變換模型分析，除基本共射極放大電路之外的復(fù)雜電路時(shí)，學(xué)生無(wú)從入手，甚至不能合理畫(huà)出電路圖.即使給出h參數(shù)等效電路（圖2），如基本共集電極放大電路.也存在相當(dāng)一部分學(xué)生不能獨(dú)立分析，甚至不會(huì)分析.

圖1 三極管h參數(shù)等效電路模型

這是因?yàn)楣布姌O電路中的三極管h參數(shù)等效電路模型與圖1中所提供的等效電路模型從直觀(guān)上根本不一致.若繼續(xù)把三極管h參數(shù)等效變換模型結(jié)合到以三極管為核心的復(fù)雜放大電路中，再進(jìn)行總體放大電路的分析，則因?yàn)楹诵膯?wèn)題沒(méi)有得到徹底的解決而使整個(gè)放大電路分析變得更加費(fèi)解和困惑.

圖2 共集電極放大電路h參數(shù)等效電路

2 問(wèn)題分析

以上是模擬電路學(xué)習(xí)中的三極管h參數(shù)等效變換的經(jīng)典實(shí)例，此電路模型理解程度，很大程度上決定了學(xué)生個(gè)體對(duì)模擬電路后續(xù)知識(shí)體系的學(xué)習(xí)和理解程度.通過(guò)大量學(xué)生的反饋信息，出現(xiàn)此種問(wèn)題的核心是缺乏前期的電路基礎(chǔ)知識(shí)的儲(chǔ)備.因此，學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備不足可概括為：節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)、受控源、經(jīng)典電學(xué)知識(shí).

2.1 節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)

電路中3或3條以上的支路相連接的點(diǎn)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，廣義的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)的科學(xué)擴(kuò)展.對(duì)于電路中任意一個(gè)閉合面，可稱(chēng)為電路中的廣義節(jié)點(diǎn).

物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)這個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)過(guò)程中，因沒(méi)有節(jié)點(diǎn)和廣義節(jié)點(diǎn)的概念，導(dǎo)致部分學(xué)生無(wú)法區(qū)分三極管h參數(shù)表達(dá)形式在圖1與圖2中的差別.造成在教學(xué)中存在用學(xué)生不知道的理論去解釋和說(shuō)明另一個(gè)學(xué)生不知道的關(guān)聯(lián)理論的現(xiàn)象.

2.2 受控源

受控源是指此支路中的參數(shù)，即電壓或電流會(huì)隨其他部分的電壓或電流的改變而改變，或者說(shuō)該參數(shù)不僅從數(shù)值上受已知參數(shù)的制約，并且其存在與否也取決于該已知參數(shù).

圖1和2中，小的菱形標(biāo)志，學(xué)生在此之前的學(xué)習(xí)中根本沒(méi)有接觸過(guò).在模擬電路中雖然只是一個(gè)電路元件標(biāo)識(shí)符號(hào)，但該受控源代表了此支路中的某一電路參數(shù)和其他已知電路參數(shù)之間的電特性的數(shù)學(xué)表達(dá).其中包含大量的數(shù)學(xué)信息和電學(xué)信息，而且是相互關(guān)聯(lián)的，即存在相關(guān)度，并且其受另一方的控制.也就是包含物理信息的復(fù)雜數(shù)學(xué)信息在電路分析中的結(jié)構(gòu)化表示.

在電路元件的定義中不包含受控源，該受控源在實(shí)際電路中是不存在的，即沒(méi)有相對(duì)應(yīng)的實(shí)在電路元件，但該支路中的參數(shù)必須也只能通過(guò)另外的已知參數(shù)間接標(biāo)定.

在不清楚電路中的元件和電路參數(shù)性質(zhì)的情況下，電路分析的教學(xué)難以開(kāi)展.以上僅是新工科培養(yǎng)方案改革后，模擬電子技術(shù)教學(xué)進(jìn)程中出現(xiàn)的一個(gè)比較集中的問(wèn)題，類(lèi)似問(wèn)題在該課程中不止一處，這些瓶頸問(wèn)題恰恰是模擬電子技術(shù)課程知識(shí)體系的重點(diǎn)與核心問(wèn)題.

3 問(wèn)題產(chǎn)生的根源

以上僅從問(wèn)題的一點(diǎn)或一個(gè)方面進(jìn)行原因分析.而問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因在于經(jīng)典電學(xué)知識(shí)對(duì)整個(gè)電路知識(shí)體系掌握和理解的宏觀(guān)作用.

電路分析的綜合理論知識(shí)，包括最基本的定理，如基爾霍夫定律、戴維南定理和諾頓定理.常用的基本電路分析方法包括支路電流法和節(jié)點(diǎn)電位法等.電路基礎(chǔ)知識(shí)中的電路參數(shù)概念、名詞和基本電路分析方法等，是模擬電路的學(xué)習(xí)和研究過(guò)程的重要理論依據(jù).電路分析需要正確、嚴(yán)密、開(kāi)放的邏輯思維.因此，在進(jìn)行電路分析過(guò)程中，缺乏系統(tǒng)的電路分析理論工具，沒(méi)有理論支持作為導(dǎo)向，導(dǎo)致面對(duì)相對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)代電子電路分析無(wú)從入手，電路分析片面化、直觀(guān)化，達(dá)不到模擬電路知識(shí)的教與學(xué)的根本目的.

4 問(wèn)題的解決

當(dāng)問(wèn)題產(chǎn)生的根源解決，即基本電學(xué)知識(shí)掌握之后，再回到前面的實(shí)例分析.學(xué)生可以獨(dú)立將三極管的h參數(shù)等效變換模型總結(jié)成應(yīng)對(duì)不同電路環(huán)境下的等效變換形式，得到三極管的h參數(shù)等效變換模型，如圖3所示.將圖3（a）的虛線(xiàn)框看作廣義節(jié)點(diǎn)，從而衍生到圖3（b）；再將該圖的虛線(xiàn)框作為一個(gè)點(diǎn)，各支路取直后即得到圖3（c），得到三極管h參數(shù)等效電路的科學(xué)和通俗描述.因此，3種表達(dá)形式完全等效，這是一個(gè)知識(shí)進(jìn)化過(guò)程.同時(shí)在實(shí)例分析中，解決此知識(shí)難點(diǎn).

圖3 三極管h參數(shù)等效變換模型

現(xiàn)代電子電路中，模擬電子技術(shù)研究以三極管為核心的各種放大電路的工作原理，一個(gè)不算復(fù)雜的電路至少存在2個(gè)以上的電源，甚至更多不同類(lèi)型的電壓源和電流源，以及受控源同時(shí)在一個(gè)復(fù)雜電路中.隨著課程內(nèi)容的深入，知識(shí)內(nèi)容復(fù)雜度及難度的增加，在集成電路的學(xué)習(xí)中，因?yàn)榻?jīng)典電路知識(shí)不足而表現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題會(huì)更加明顯和突出［2］.

后續(xù)課程中學(xué)習(xí)的三極管的交流π參數(shù)的等效變換，如圖4所示.因?yàn)槿龢O管的π參數(shù)等效變換中存在著多個(gè)等效的電容，并且電路中的電容在交流小信號(hào)條件下Cb，e串并聯(lián)關(guān)系復(fù)雜.若學(xué)生沒(méi)有學(xué)習(xí)和掌握電路基礎(chǔ)知識(shí)，則對(duì)電容在交流小信號(hào)狀態(tài)下的串聯(lián)和并聯(lián)分析的原則都不清楚.與第一個(gè)實(shí)例作比較，則更加難以理解.對(duì)于已經(jīng)具有電路基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備且掌握電路基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生，該問(wèn)題的分析則迎刃而解.

圖4 三極管的π參數(shù)等效模型

5 問(wèn)題的深度思考

任何一個(gè)知識(shí)體系的學(xué)習(xí)和掌握都是系統(tǒng)性的，缺少了某些環(huán)節(jié)，勢(shì)必會(huì)為后續(xù)的學(xué)習(xí)帶來(lái)困難，造成知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的離散化和知識(shí)孤島現(xiàn)象，這種情況在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)盡量避免和解決.否則，以上問(wèn)題帶來(lái)的直接結(jié)果是學(xué)生對(duì)整個(gè)知識(shí)體系理解和接受不通透，始終帶著“問(wèn)號(hào)”學(xué)習(xí)未知的“問(wèn)號(hào)”.累積下來(lái)，學(xué)生出現(xiàn)明顯的求知欲下降，甚至產(chǎn)生放棄此方向?qū)I(yè)學(xué)習(xí)的想法.連續(xù)的結(jié)果是后續(xù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)碎片化，不成體系.直接影響學(xué)生專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)質(zhì)量，不符合新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的基本要求.

6 方案調(diào)整及效果

6.1 方案調(diào)整

針對(duì)這些問(wèn)題，需要對(duì)教材選擇和授課內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在重點(diǎn)學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)知識(shí)之前，科學(xué)補(bǔ)充經(jīng)典電路部分基礎(chǔ)知識(shí).同時(shí)選用《電路與電子學(xué)》作為參考教材，并且增加經(jīng)典電學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí).目前新的方案已經(jīng)實(shí)施超過(guò)2個(gè)學(xué)年度［3］.

從課時(shí)方面，經(jīng)典電路基礎(chǔ)知識(shí)部分確實(shí)占用一定的課時(shí)，但是從整體教學(xué)效果來(lái)看，學(xué)生對(duì)模擬電路部分內(nèi)容的理解和領(lǐng)悟能力以及學(xué)習(xí)深度得到了明顯的改善，并沒(méi)有因?yàn)榻?jīng)典電路知識(shí)內(nèi)容的增加和課時(shí)分配的因素，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果，相反，卻使得學(xué)生的總體學(xué)習(xí)效果得到了質(zhì)的提升［4］.

6.2 整體效果

課程的整體效果評(píng)價(jià)首先是知識(shí)體系的合理性，可從課程全程教學(xué)效果以及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的師生互動(dòng)情景反映.

客觀(guān)上，從條件和研究方向相近的2個(gè)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行比對(duì).同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如基本共集電極電路分析課堂學(xué)習(xí)中，相較于只開(kāi)設(shè)模擬電子技術(shù)而沒(méi)有將電路基礎(chǔ)知識(shí)調(diào)整到授課方案中的其他平行專(zhuān)業(yè)方向，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和課后反饋顯示：學(xué)習(xí)過(guò)電路基礎(chǔ)知識(shí)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)學(xué)生表示，一次性學(xué)會(huì)或聽(tīng)懂的比例將近75%；而直接使用《模擬電子技術(shù)》教材作為學(xué)習(xí)起點(diǎn)的計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)會(huì)或聽(tīng)懂的比例明顯低于前者.并且針對(duì)不同關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行多次調(diào)查結(jié)果顯示，同樣對(duì)多個(gè)關(guān)鍵的關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的多次教學(xué)評(píng)價(jià)和學(xué)生對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)問(wèn)題獨(dú)立分析測(cè)試，得出相近的結(jié)論.調(diào)查采樣的關(guān)鍵的關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)列于表1.并且在跟蹤學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)中，學(xué)過(guò)電路基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生具有明顯的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì).

表1 典型關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)采樣列表

7 基礎(chǔ)知識(shí)的重要性

經(jīng)典電路基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備的深度很大程度上影響著模擬電路知識(shí)學(xué)習(xí)的理解和掌握，并且影響著物聯(lián)網(wǎng)硬件知識(shí)體系學(xué)習(xí)和研究的深入程度，以及在此基礎(chǔ)上的創(chuàng)新程度.在物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)硬件課程的某些關(guān)鍵知識(shí)節(jié)點(diǎn)能否突破，從而進(jìn)行繼續(xù)研究和學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素，只有足夠的電路基礎(chǔ)知識(shí)作為積淀，才能在后續(xù)的模擬電路學(xué)習(xí)中得心應(yīng)手，甚至是發(fā)展和創(chuàng)造，以至于后續(xù)可期待的硬件知識(shí)體系的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新.這樣的描述絕不是夸張和渲染，而是通過(guò)多年的專(zhuān)業(yè)教學(xué)探索和總結(jié)而得出的結(jié)論.

8 建 議

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)普遍采用的《模擬電子技術(shù)》教材，絕大部分是適用于電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)，或者前期有電路基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備的相關(guān)專(zhuān)業(yè).而對(duì)于新工科方向下的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)，由于整體培養(yǎng)方案的要求和課程體系的總體安排及學(xué)時(shí)的限制，有些學(xué)校沒(méi)有開(kāi)設(shè)電路基礎(chǔ)課程.但應(yīng)該考慮到專(zhuān)業(yè)情況和課程開(kāi)設(shè)情況，選用或編寫(xiě)《模擬電子技術(shù)》教材時(shí)，適當(dāng)加入電路基礎(chǔ)知識(shí)概論部分知識(shí)體系核心內(nèi)容，整合教材內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，使教材更加具有專(zhuān)業(yè)教學(xué)的科學(xué)性與專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)的合理性及知識(shí)體系的連貫性.