“模擬電子電路”課程教學改革思考

曾鶴瓊,胡 駿

(1.中南民族大學工商學院電信系,湖北 武漢 430065;2.湖北生物科技職業學院計算機系,湖北 武漢 430074)

“模擬電子電路”課程是電子信息類專業一門重要的基礎課。許多學生對模擬電子電路的理解僅僅停留在解題計算上。而模擬電子電路實驗往往流于形式,使得學生使用現成的實驗箱,在驗證性實驗中只會插拔導線。在分組實驗時,小組中通常只有少部分學生動手。

我們為了提高“模擬電子電路”的教學質量,對計算機輔助教學、授課安排和實驗教學進行了較為深入的思考。

1 計算機輔助教學

現在的模擬電子電路計算機輔助教學流行使用Spice來驗證電路模型,設計簡單電路;使用EWB進行虛擬實驗;使用LabVIEW演示信號采集和虛擬儀器的設計等[1］。

我們結合Spice軟件,利用C語言開發能夠顯示電路3D影像的程序用于教學[2,3］取得了良好效果。該程序方運行如圖1所示。

圖1 程序的運行圖

圖2所示為一個講授晶體管輸出特性時的例子,該晶體管電路不加任何負載。在通過圖2講解晶體管截止、導通和飽和三種工作狀態的時候,僅分析晶體管三極的電位高低,學生缺乏感性認識。而經程序處理后可以得到3D晶體管電路圖截圖,如圖3所示。圖3(a)為晶體管處于截止狀態,基極電位VB和發射極電位VE接近,使得發射結電壓uBE小于開啟電壓Uon,因此圖中基極與發射極畫于同一平面;集電極電位VC在三個電極中最高,集電結反偏并滿足uCE>uBE,所以在圖中集電極所處縱軸位置抬高。圖3(b)晶體管處于導通狀態,uBE>Uon,uCE>uBE,生成的電路圖中畫基極位置高于發射極,集電極所處縱軸位置更高。圖3(c)晶體管處于飽和狀態,uBE>Uon,uCE

圖2 晶體管電路圖

圖3 3D的晶體管電路圖截圖

通過圖3所示3D圖,學生可以輕易判斷出晶體管三種工作狀態中三個電極電位的高低以及電流的流向。這種3D顯示能讓電路立體化,使學生通過圖形可以生動地理解電路原理。教師在課堂教學中,感到補充效果非常不錯。

程序的主要原理是從Spice軟件生成的代碼中提取節點的電壓,根據節點電壓高低決定生成的3D電路圖中元器件兩端在縱軸中的位置。為便于識別,在生成3D圖像的同時應顯示平面電路圖。

2 授課安排

學生對電子電路的各種元器件的符號見得多,但對實際的元器件了解得少,這樣就直接造成所學的知識與實際脫節。如在工程中電容器種類可分為鉛電解電容、聚苯乙烯電容、陶瓷電容、聚酯電容、云母電容和紙電容等。每種電容器的工藝不同,適用范圍也不同。因此在授課過程中如果遇到相關知識點,我們會進行穿插介紹,給出實物,并編出小冊子供學生參考[4］。

在小冊子中,電阻、電容、電感、晶體管、電源、開關、繼電器、振蕩器和放大器等都有詳盡介紹。此外,為貼近實驗教學還特地加入測試技術與測量設備一章,著重介紹實驗室儀器。小冊子在拉近學生的現實認知與理論學習之間的差距上取得較好效果。

3 實驗教學

“模擬電子電路”的實驗主要使用實驗箱。實驗分組較多時,教師無法監控所有學生,不可避免的就有疏漏之處。為了提高學生參與實驗的興趣,我們引入一個新型的實驗組織形式:“虛擬公司”。

“虛擬公司”的具體運作方案是,實驗指導教師擔任公司運作者,要求學生2～3人一組設計,并實現一個能包含“模擬電子電路”課程中主要知識點(如放大器、濾波器、比較器和限幅器等)。設計步驟如下所述。

1)我們將前8個實驗課時專門用來訓練學生的基本功——制作一個收音機。實驗室提供具體電路圖、PCB板及裝配器件、工具和示波器等。

2)完成基本功訓練后,教師組織學生用2個課時的時間,討論系統的規范與功能。

我們的實驗采用一個心電采集系統為例,該系統具有前置放大、高通濾波、低通濾波、50Hz陷波、后級放大和電平整定等前端六個模塊。要求在電平整定模塊輸出端接入示波器以觀察心電信號。在討論這六個模塊電路的時候,教師應該讓學生在教材中找到相應的章節。有了理論支持,再對具體電路進行討論,考慮如何對教材中電路圖進行修改才能滿足系統需要。

在設計過程中,學生可以通過計算機查詢設計方案和查閱各種器件數據表,做好前期的準備工作。他們可向教師就設計細節和操作細節等問題咨詢,但是咨詢時間必須轉換成為相應的“虛擬幣”。如果學生在整個設計過程中向教師咨詢的問題較少或者沒有提問,那么所花費的“虛擬幣”就少。這表明學生的自學能力越高。

3)方案確定以后,教師需對方案進行審核。若審核通不過,學生必須進行方案修正。審核過程也轉換為“虛擬幣”。審核越多,項目成本越高。這樣做能讓學生的自查意識提高。若審核通過,學生開始開出元器件采購單(boom單),并親自到市場調研。根據市場價格核算成本,對于沒有超過預算的,教師批準經費予以購買;對于超過預算的采購單,必須重做。相應的元器件購買費用必須轉換為“虛擬幣”,這樣可以培養學生的成本意識。

4)器件采購完畢后,學生通過面包板搭建電路,設計方案最終實現。

5)最后學生必須參加項目答辯。根據學生回答問題的情況及各項目所花費的“虛擬幣”多少,指導教師給出最后的實驗成績。

4 結語

在“模擬電子電路”教學中我們不斷調整方法來提高教學質量,已經取得良好的效果。同時也發現了一些問題,例如,“虛擬公司”實驗教學中我們遇到課時分配的問題以及學生不能統一完工等問題。這些問題有待于在今后的工作中加以解決。

[1］賀付亮,聶秋玉.“電子技術課程設計”課程探索[J］.南京:電氣電子教學學報.2010(2):32-33

[2］Autodesk Inc.,3D-Studio release 3,1993

[3］L.Adams,High-Performance CAD Graphics in C,TAB Books Inc.,PA,1989

[4］Centre for Electronics Design&Technology of India.Basic E-lectronic Components&Hardware.,1999