伍群芳 王 勤

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 江蘇·南京 211106）

0 引言

本文針對(duì)電子技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)，以電子技術(shù)應(yīng)用中的代表性教案為基礎(chǔ)，即線性穩(wěn)壓電源深化至開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源及其穩(wěn)壓原理，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)與難點(diǎn)，提出電子技術(shù)課程教學(xué)中問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式的實(shí)踐方法，為該課程的教學(xué)提供參考。

1 課程特點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)

電子技術(shù)是各大高等院校為各類理工科專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門技術(shù)類基礎(chǔ)課程，在人才培養(yǎng)體系中具有重要作用。本門課程由兩大部分組成：模擬電子技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)。其中模擬電子技術(shù)部分包括半導(dǎo)體二極管和三極管、基本放大電路、集成運(yùn)算放大器、正弦波振蕩電路、直流穩(wěn)壓電源；數(shù)字電路包括門電路和組合邏輯電路、觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路。具體教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）能對(duì)各種半導(dǎo)體元件構(gòu)成的基本放大電路、集成電路、穩(wěn)壓電源等進(jìn)行分析；能根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單模擬電子線路；

（2）能對(duì)各種組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)；能根據(jù)實(shí)際要求應(yīng)用這些單元和器件構(gòu)成簡(jiǎn)單數(shù)字電子系統(tǒng)。

值得一提的是，在問(wèn)題設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)原則：（1）問(wèn)題的提出應(yīng)以專業(yè)為背景，如以航空航天應(yīng)用背景設(shè)計(jì)問(wèn)題，利于豐富專業(yè)背景知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣；（2）問(wèn)題的提出源于課程理論體系，有助于構(gòu)建學(xué)生的理論知識(shí)架構(gòu)，將所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化；（3）問(wèn)題的設(shè)計(jì)可驗(yàn)證性強(qiáng)，可提供實(shí)驗(yàn)或仿真等開(kāi)放性平臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，加深對(duì)知識(shí)的理解，提高實(shí)踐能力。

2 問(wèn)題導(dǎo)向的電子技術(shù)課程教學(xué)舉例

電子技術(shù)課程中直流穩(wěn)壓電源章節(jié)的串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗低、效率高、體積小等的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天各類電子設(shè)備中。但是，由線性穩(wěn)壓電源深化至開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源及串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的穩(wěn)壓原理等基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)較為抽象，如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，其中的利用伏秒平衡原理計(jì)算輸出電壓的方法及脈寬調(diào)制（PWM）穩(wěn)壓原理學(xué)生往往不易理解，容易對(duì)其望而生畏，難以學(xué)以致用。因此，本文以航天衛(wèi)星電源“問(wèn)題導(dǎo)向”式引入教學(xué)主題并進(jìn)行教學(xué)與實(shí)踐，關(guān)鍵步驟如下。

2.1 提出問(wèn)題

一般而言，問(wèn)題的提出包含兩種方法：一是直接式，即開(kāi)門見(jiàn)山的拋出問(wèn)題；二是情境設(shè)置式，即從情境中提出問(wèn)題。顯然，后者更容易激發(fā)學(xué)生的興趣及好奇心。情境引入問(wèn)題的方式有多種，如短視頻、教具、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等?？紤]前面問(wèn)題設(shè)計(jì)的三個(gè)原則，本設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)與短視頻的方法，利用熟悉的、可接觸到事物引入課堂內(nèi)容，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，利于培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探索和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，通過(guò)展示已有應(yīng)用于航天衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)，如圖1所示。結(jié)合應(yīng)用指標(biāo)要求如輸入電壓15～25 V，輸出恒定5 V，功率25 W，提出如何實(shí)現(xiàn)降壓并穩(wěn)壓這一關(guān)鍵問(wèn)題。此外，通過(guò)播放一條衛(wèi)星環(huán)繞地球運(yùn)行短視頻，強(qiáng)調(diào)5V電源在系統(tǒng)中承擔(dān)提供能量的重要角色，同時(shí)航天應(yīng)用的穩(wěn)壓電源要求效率高、體積重量小等，通過(guò)強(qiáng)調(diào)樣機(jī)的應(yīng)用背景及需求，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與思考。

圖1：應(yīng)用于航天衛(wèi)星系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

2.2 分析問(wèn)題

在問(wèn)題明確后，需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行梳理與分析，即明確有沒(méi)限制條件，終于達(dá)到的效果是什么等。相當(dāng)于對(duì)問(wèn)題的進(jìn)一步解析。如：航天應(yīng)用的場(chǎng)合限制了效率不能低，體積重要不能大；最終實(shí)現(xiàn)的效果是無(wú)論輸入電壓或負(fù)載在規(guī)定范圍內(nèi)變化，輸出維持恒定5V電壓。明確問(wèn)題之后，在后面探尋解決問(wèn)題時(shí)重點(diǎn)突出，利于快速得到解決辦法。

2.3 解決問(wèn)題

解決問(wèn)題是問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在明確問(wèn)題之后，帶著問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生回顧所學(xué)過(guò)的串聯(lián)線性穩(wěn)壓電源、三極管工作狀態(tài)及低通濾波器等基礎(chǔ)知識(shí)，從效率視角剖析問(wèn)題并得到解決辦法。如三極管工作在線性放大狀態(tài)下?lián)p耗大、效率低，如果讓其工作在飽和與截止?fàn)顟B(tài)（開(kāi)關(guān)狀態(tài)），三極管理想情況下的損耗等于零，進(jìn)而效率100%，顯然與問(wèn)題需求相符，再結(jié)合濾波器知識(shí)可以得到高效開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2：降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)

在此基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)降壓與穩(wěn)壓呢？解決辦法源于本節(jié)課的重點(diǎn)內(nèi)容——脈寬調(diào)制（PWM）與伏秒平衡原理可以解決這個(gè)問(wèn)題。在此，教師先詳細(xì)講解這兩個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)，在講解過(guò)程中緊緊圍繞問(wèn)題來(lái)討論。首先，如何得到5V輸出，利于電感伏秒平衡原理分析得到輸出電壓Vo與輸入電壓Vin的計(jì)算關(guān)系(Vo=DVin，D為占空比)；其次，當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，如何穩(wěn)定5V恒定輸出，利于PWM調(diào)制原理予以實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示，即當(dāng)輸入電壓由15V上升至25V時(shí)，若采用PWM調(diào)制方法，調(diào)節(jié)邏輯為Vin↑→Vo↑→verr↓→vr↓→D↓→Vo↓（Vin：輸入電壓，Vo：輸出電壓，verr：誤差電壓，vr：調(diào)制電壓，D：占空比）,即若不采用PWM調(diào)節(jié)，輸入電壓的增加必然導(dǎo)致輸出電壓增加，但加入PWM調(diào)節(jié)后，輸出電壓可調(diào)節(jié)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。至此，前面提出的問(wèn)題都得以解決。

圖3：降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源PWM穩(wěn)壓調(diào)節(jié)原理

在理論知識(shí)學(xué)習(xí)之后，利用實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)完成對(duì)所學(xué)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)論證，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，同時(shí)增強(qiáng)實(shí)物感，鍛煉學(xué)生學(xué)以致用的能力，達(dá)到融會(huì)貫通的效果。值得一提的是，課堂時(shí)間往往有限，實(shí)驗(yàn)論證部分課堂上一般難以實(shí)現(xiàn)，但教師可以提前錄制好視頻，通過(guò)視頻的方式呈現(xiàn)，以節(jié)省時(shí)間，提高教學(xué)效率。

2.4 結(jié)論與拓展

最后，對(duì)本次課程予以總結(jié)，得出結(jié)論，在小結(jié)過(guò)程中，注重前后呼應(yīng)，問(wèn)題的來(lái)龍去脈及如何得到的解決辦法，如：為降低損耗、提高效率，利于三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；為降壓并恒定輸出電壓，采用PWM調(diào)制策略；通過(guò)伏秒平衡原理可得輸出與輸入電壓關(guān)系等，可見(jiàn)，做到了問(wèn)題的前后呼應(yīng)。

最后，對(duì)所學(xué)課程知識(shí)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行拓展，介紹我國(guó)最近發(fā)生的重要航天事跡，以開(kāi)闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷。

3 總結(jié)

電子技術(shù)是理工科專業(yè)的一門技術(shù)類重要基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。本文探討了問(wèn)題導(dǎo)向教學(xué)模式在電子技術(shù)課程教學(xué)的應(yīng)用與實(shí)踐，結(jié)合南京航空航天大學(xué)專業(yè)特色，以串聯(lián)降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源章節(jié)教學(xué)內(nèi)容為例，從問(wèn)題提出、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題、結(jié)論與拓展等方面系統(tǒng)闡述了教學(xué)方法。所提方法適用于其他章節(jié)課程的教學(xué)，旨在通過(guò)問(wèn)題導(dǎo)向并將理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，以培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力，提高學(xué)習(xí)興趣與教學(xué)效果。