李 玲 趙冬梅 宋 陽 艾 杰

(海軍大連艦艇學院 基礎部， 大連 116018)

教學模式是教師教學理念、教學方法、教學手段、教學藝術的綜合體現[1]。有效的課堂教學模式對學員知識的理解、能力的培養(yǎng)、全面素質的提高都具有重要意義[2]。

“模擬電路”是諸多理工科學員的重要專業(yè)基礎課，一方面課程所涉及的非線性器件和非線性電路的分析方法對后續(xù)專業(yè)課的學習具有重要作用；另一方面課程內容所蘊含的邏輯性、系統性、辯證性等對學員思維方式的培養(yǎng)和價值觀的塑造大有裨益。根據課程特點，針對教學內容探索適合的教學模式，可以更加有效地促進教學目標的達成。

1 “模擬電路”與“電路分析”

在教學實踐中發(fā)現，學員對“模擬電路”和“電路分析基礎”的認識比較混亂，會帶著“電路分析基礎”的思維定勢學習“模擬電路”，這對“模擬電路”的教學造成了很大困難。“電路分析基礎”也是理工科類學員的專業(yè)基礎課，更是“模擬電路”的基礎課程，兩門課程均是研究電路的，分析電路的依據都是元件約束和結構約束，但是研究的側重點有所不同，具體如表1所示。

表1 “電路分析基礎”與“模擬電路”對比

“電路分析基礎”側重電路的兩種分析依據和基本分析方法的學習；而“模擬電路”更貼近工程實際，側重于工程思維方式的培養(yǎng)，課程內容中所涉及的電路均是從實際電路抽象出來的電路模型，與“電路分析基礎”相比，所要分析的電路更復雜，這也是學員學習的難點。為了提高學員的主動學習意愿，更好地培養(yǎng)學員的工程素養(yǎng)，提出教學內容的講授基于實際任務需求的五星教學模式。

2 五星教學模式概述

五星教學模式也即“首要教學原理”，實質是：具體的教學任務應被置于循序漸進的實際問題解決情景中完成，即先向學習者呈現問題，然后針對各項具體任務展開教學，接著再展示如何將學習到的具體知識運用到解決問題或者完成整體任務中去[3]。

此教學模式將枯燥難學的授課內容與豐富有趣的實際任務相結合，使學員的學習有所依托，對每次課都有所期待，自覺建立課程的學習興趣，從而主動參與學習。只有達到了這樣的要求，才是符合學習過程和學習者心理發(fā)展要求的高效教學[3]。

3 典型教學設計案例

以康華光版第六版《電子技術基礎(模擬部分)》第10.8.1節(jié)單門限電壓比較器為例，給出基于五星教學模式的詳細教學設計。

3.1 聚焦解決問題

五星教學模式認為教學內容一定要聚焦解決問題，因此課程開始前首先要給學員明確本次課的任務。為使學員保持較高的學習興趣，任務的設置最好與工程實際或生活實際息息相關，因此課前教員要深入挖掘所講內容的實際應用，將教學內容與實際應用深度融合。如本次課提出的任務是：路燈的亮滅與光線的強弱關系密切，光線強時路燈滅，光線弱時路燈亮，請利用所學知識設計光控路燈電路。

3.2 激活原有知識

1) 任務分析

為方便任務的實現，首先需要對任務進行分析，并將實際問題轉化為電路語言。假設光線的強弱為輸入電壓vi，光線強時vi增加，光線弱時vi減小；路燈的亮滅為輸出電壓vo，輸出高電平時，路燈亮，輸出低電平時，路燈滅；路燈亮的瞬間所對應的光線為固定電壓VREF。電路需實現的功能是將輸入電壓vi與固定電壓VREF作比較，并將比較的結果用高低電平的形式表示出來，輸入-輸出電壓對應關系應為

(1)

2) 激活舊知

認知的發(fā)展具有連續(xù)性，新知識往往是已學知識的延續(xù)、深化和拓展，因此在學習新內容之前需要引導學員充分激活原有知識。如在本任務中，學員在第二章集成運算放大器中已學過實際運放的特點及其電壓傳輸特性曲線，如圖1(a)所示。

(a)實際運放傳輸特性曲線

(b) 理想運放傳輸特性曲線圖1 集成運放的電壓傳輸特性曲線

從圖1(a)可以看出，實際運放的輸出電壓與凈輸入電壓之間的關系分兩種情況，在凈輸入電壓較小時，輸出電壓隨凈輸入電壓的增加而線性增加，這一區(qū)域稱為線性區(qū)；而當凈輸入電壓大于某一電壓值時，輸出電壓維持不變，不再隨輸入電壓的變化而變化，這一區(qū)域稱為非線性區(qū)[4]。

實際運放線性區(qū)的范圍與其開環(huán)電壓增益有關，由于運放的開環(huán)增益很大，故線性范圍很窄，理想情況下運放的電壓傳輸特性曲線如圖1(b)所示[4]，可近似認為

(2)

即

(3)

從理想運放非線性區(qū)的輸入-輸出關系上看，該器件實現了同相輸入端電壓與反相輸入端電壓的比較，且用正負飽和值來顯示比較的結果，這便提供了思路：若將運放同相端電壓和反相端電壓分別設置成光線變化的電壓vi和固定電壓VREF，是否可實現二者的比較？按照這個思路，進入展示論證新知階段。

3.3 展示論證新知

1) 理論分析

由于理想運放非線性區(qū)的輸入-輸出電壓特點是：同相輸入端電壓高，輸出正飽和值；反相輸入端電壓高，輸出負飽和值。而所需實現的電路卻是：光線強時，路燈不亮，即輸入信號vi高時，電路輸出電壓vo應為低電平。故將輸入信號vi加在運放的反相輸入端，固定電壓VREF加在運放的同相輸入端，構成圖2所示電路。

圖2 單門限反相輸入電壓比較器

在該電路中，由于 ，結合運放非線性區(qū)的特點，可得

(4)

顯然，該電路實現了輸入信號vi與固定值VREF的比較，并將比較的結果用正負飽和值來表示，我們將這樣的電路稱為電壓比較器；由于該電路中輸入信號是加在運放的反相輸入端，所以將其稱為反相輸入電壓比較器；另外，只有當vi=VREF時，輸出電壓才會發(fā)生高低電平的跳變，因此將輸出電壓跳變瞬間所對應的輸入電壓值稱作門限電壓，由于該電路只有一個門限電壓，故將該電路稱為單門限反相輸入電壓比較器[4]。

2) 仿真驗證

該電路是否與理論分析相符，還需要仿真驗證。在Multisim仿真軟件中搭建電路，在運放反相輸入端加入一個隨時間增加幅值先增加再減小的信號，代表從天黑到天亮再到天黑的過程；在運放同相輸入端加入4.5 V的固定電壓，代表路燈亮時所對應的最弱光線；在運放輸出端接一個燈泡，代表路燈；示波器同時顯示輸入和輸出波形，紫色線代表運放反相端的輸入信號波形，藍色線代表運放輸出端的波形。仿真電路及仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真電路及仿真結果

從仿真結果上，當輸入信號小于4.5 V時，輸出電壓為高電平，燈泡亮；當輸入信號增加到大于4.5 V時，輸出電壓從高電平跳轉到低電平，燈泡滅；隨著輸入信號繼續(xù)變化，當輸入信號再次減小到小于4.5 V時，輸出電壓又從低電平跳轉到高電平，燈泡亮。這一過程與實際需求相符，初步實現了任務。

3.4 嘗試應用練習

為了使學員對已學內容有更深刻的理解，圍繞任務設計圖4擴展電路，電阻R是光敏電阻，且隨光照的增強，電阻值變小，請學員結合所學知識討論隨著光照的增加，發(fā)光二極管的變化情況。

圖4 光控路燈原理電路

在該電路中光敏電阻就是一個傳感器，將光照的變化轉換成了電阻的變化。由“虛斷”及電阻串聯分壓可知，運放同相端的電壓基本恒定為4.5 V。若光敏電阻阻值為1 kΩ，則運放反相端電壓也為4.5 V，電橋平衡，運放凈輸入電壓為0 V，輸出電壓也為0 V，二極管不亮。但是當光線較弱時，光敏電阻阻值增加，電橋不平衡，運放反相端電壓降低，同相端電壓大于反相端電壓，運放輸出正飽和值，發(fā)光二極管亮；反之，當光線較強時，光敏電阻阻值減小，電橋仍不平衡，運放反相端電壓升高，反相端電壓大于同相端電壓，運放輸出負飽和值，發(fā)光二極管不亮[5]。

在這一電路的討論中，運放兩輸入端的電壓需要利用運放“虛斷”的特點及電阻串聯的分壓公式才可得出，這是對知識的擴展；而輸入-輸出電壓的變化情況，仍需要利用運放非線性區(qū)的特點，這是對知識的鞏固；另外，該電路實際上是光控路燈的原理電路，可依據此電路在面包板上搭建實物電路，如圖5所示，這是對任務的實現。

圖5 光控路燈面包板電路

3.5 融會貫通掌握

通過對單門限反相輸入電壓比較器的分析，可歸納出單門限電壓比較器的相關知識：①電路的工作區(qū)域：運放的非線性區(qū)；②電路的結構特點：運放處于開環(huán)狀態(tài)；③電路的分析方法：運放非線性區(qū)的輸入-輸出電壓關系和“虛斷”。有了這三條結論就可類比分析所有的單門限電壓比較器。為了使學員更好地融會貫通掌握新學習的知識，此處可設計相關題目以便學員鞏固練習，如讓學員類比單門限反相輸入電壓比較器實現單門限同相輸入電壓比較器，還可讓學員應用所學方法分析單門限電壓比較器的綜合題目。

4 結語

采用五星教學模式將學員代入實際任務情景中展開教學，教學目標更加明確，針對性更強，學員直觀體會“學有所用”，主動學習意愿明顯增強，真正做到“以學員為中心”；教學過程中任務的實現是在學員已掌握知識的基礎上逐步論證達成的，符合認知發(fā)展理論，最終還能遷移提升應用到解決其他問題上，更加強調基礎與方法的重要性；實驗仿真、實物演示及時驗證了理論的正確性，增強學員的信心，使其保持學習熱情，并以此擴展鼓勵學員探究和創(chuàng)新。