“模擬電子技術(shù)”課程教學中巧用PPT動畫功能

王桂星，章國安，宋長青

(南通大學電子信息學院，江蘇南通226019)

“模擬電子技術(shù)”課程具有很強的實踐性和廣泛的工程應(yīng)用背景，教學內(nèi)容往往涉及到許多元器件、基本功能模塊和一些實用電路。用PPT軟件恰當?shù)剡\用現(xiàn)代教學技術(shù)和手段，在教學課件中以動畫的形式，模擬一些實際電路中的動態(tài)過程，可為學生創(chuàng)造一些生動的學習情境［1]。本文結(jié)合教材［2]，介紹一些典型動畫的制作過程和播放過程效果。

1 動畫制作實例

1.1 放大狀態(tài)下BJT內(nèi)部載流子傳輸

圖1是表示BJT內(nèi)部載流子傳輸過程的動畫效果截屏圖，其中實心圓圈表示電子載流子、空心圓圈表示空穴，且采用不同的顏色加以區(qū)分。點擊播放后，電子載流子源源不斷地從發(fā)射極流出，經(jīng)過基區(qū)時與空穴復合，其余的電子載流子流過集電區(qū)后消失。與此同時，集電極和基極也分別有電子載流子不斷地流出，經(jīng)過各自的直流偏置電源(VCC或VBB)后流入發(fā)射極。圖中表示反向漂移電流ICBO的箭頭中有一個空穴和電子在反復慢速移動，分別表示集電區(qū)和基區(qū)的少子在電場力的作用下的漂移運動;另一個箭頭中的空穴表示基區(qū)的多數(shù)載流子，從上至下的方向在箭頭中連續(xù)移動，表示基區(qū)的空穴由濃度差引起的擴散運動和由此產(chǎn)生的電流IEP。此外，表示電流IEN、ICN和IBN的大箭頭和IEP類似，已在截屏圖之前出現(xiàn)過，此處不再贅述。

圖1 BJT內(nèi)部載流子傳輸過程動畫

該動畫生動形象地顯示出BJT內(nèi)部載流子的擴散運動和漂移運動，動態(tài)展示了各種電流產(chǎn)生的機理及其分配關(guān)系，使原本抽象的BJT內(nèi)部的工作過程變得直觀明了并在教學中起到化難為易的作用。

1.2 共射放大電路動態(tài)工作過程

圖2是共射放大電路動態(tài)工作情況的動畫效果截屏圖，由基本電路、輸入輸出特性曲線、靜態(tài)工作點、各點電壓(電流)的波形和必要的標注說明等組成。動畫效果如下:在基極輸入正弦信號的作用下，輸入端的實時工作點在輸入特性曲線上來回移動，集電極輸出端的實時工作點同步在交流負載線上運動，同時放大電路中各點的電壓、電流波形都在各自的靜態(tài)工作點上隨之同步變化。圖2是在輸入正弦信號變化到大約3/4周期時的動畫效果截屏圖。采用類似方法，可制作表示飽和失真或截止失真情況的動畫。

圖2 共射放大電路動態(tài)工作情況的動畫

該動畫直觀地顯示出在輸入信號作用下，基本共射極放大電路中直流偏置的作用、各點電壓、電流波形的幅值大小和相位關(guān)系，將現(xiàn)實中原本動態(tài)、而在教材中只能靜態(tài)描述的內(nèi)容以動畫的方式顯現(xiàn)出來，學生就能對這部分內(nèi)容形成一個完整的、形象化的概念，對動態(tài)工作過程有了全面認識。

由于該內(nèi)容是教學中的重點、難點之一，因此在動畫編排時制作了兩套可先后播放的內(nèi)容:①先編排能在屏幕上逐步動態(tài)呈現(xiàn)的教學內(nèi)容，依序為靜態(tài)時的工作點、靜態(tài)電壓(電流)值、輸入信號的加入、輸入端實時工作點的變化和輸出端的電壓、電流波形等;②通過插入幻燈片副本的方式，再獲得完全相同的另一張幻燈片，重新編排動畫，使各點電壓、電流的波形和實時工作點可連續(xù)、同步變化。

1.3 橋式整流電路

圖3是橋式整流電路在正半周工作時的動畫效果截屏圖。圖中電壓源v2表示變壓器的輸出信號，即橋式整流電路的等效輸入信號源(負半周工作時可自動旋轉(zhuǎn)1800)。圖右側(cè)的波形上虛線表示輸入電壓、負載上的電壓和電流在整個周期中的波形，左側(cè)的電路圖上箭頭表示電流的流動方向。此外，圖中還采用粗實線加有色填充制作了表示電壓、電流的完整的波形圖，并用一組無線條顏色、白色填充的矩形方框覆蓋。這些波形在動畫播放后將逐步顯現(xiàn)，如圖3中的部分實線波形所示。

圖3 橋式整流電路在正半周工作時的動畫

單擊幻燈片播放鍵后，表示電流方向的紅色箭頭在v2的正極性端出現(xiàn)并流出，通過二極管D1、RL和D3后流向v2的負極，箭頭的移動的表示電流流動，便于動畫播放結(jié)束后教師在課堂上進一步分析。在電流流動的過程中，各點的電壓和電流波形也隨之緩慢變化，在半個周期結(jié)束時箭頭也正好到達v2的負極。

2 動畫制作技巧

2.1 電流的模擬

在“1.1 BJT內(nèi)部載流子的傳輸”動畫中，主要有兩種類型的電子載流子流動。一種是發(fā)射區(qū)通過基區(qū)向集電區(qū)發(fā)送電子載流子，制作中采用了四組完全相同的6×7電子矩陣，放置在發(fā)射極的下方，并用無色線條、白色填充的矩形覆蓋，其動作路徑均由發(fā)射區(qū)指向集電區(qū)。該動畫效果選擇“重復次數(shù)—直至幻燈片末尾”和“播放動畫后隱藏”等。第一組電子矩陣的移動采用“單擊開始”，其后三組分別延時1.5秒、3秒和4.5秒，均采用“從上一項開始”觸發(fā)。另一種是單個電子連續(xù)不斷地在規(guī)定路徑上的定向運動，如圖2中載流子從集電極源源不斷地流出的電子，經(jīng)過電阻RC和偏置電源VCC后流入發(fā)射極。

2.2 多種元素的同步變化

動畫中波形或其它元素的同步變化最主要的制作技巧是靈活運用“觸發(fā)方式”、“延時時間”和“重復次數(shù)”。例如，在圖2所示的動畫中，輸入端和輸出端的實時工作點同步運動的制作過程如下:選用“自定義動畫—動作路徑—繪制自定義路徑—任意多邊形”命令，分別在各自的特性曲線上繪制出實時工作點的運動路徑。動畫編排:觸發(fā)—從上一項開始、速度—非常慢、效果選項—平穩(wěn)開始和平穩(wěn)結(jié)束、延時—10秒(輸入端的工作點)或15秒(輸出端的工作點)，重復—直至幻燈片末尾。播放效果:輸入信號vS變化兩個周期(10秒)后，輸入端的實時工作點隨之同步變化，再延時5秒后，輸出端的實時工作點也隨之同步變化，直至播放結(jié)束。

2.3 超慢速變化的實現(xiàn)

PPT軟件中提供的單個動畫速度最慢的是5秒(“非常慢”選項)，如果需要更緩慢的動畫效果，需通過一些特殊方法實現(xiàn)。例如，在圖3所示的動畫效果中，當表示電流的箭頭從v2的“+”極性端經(jīng)過D1、RL和D3流向“－”極時，所需時間大約為20秒，對應(yīng)的正弦信號前半周的變化也應(yīng)該是20秒，遠遠大于軟件提供的5秒，無法直接實現(xiàn)。解決方案如下:首先在幻燈片的底層放置用粗實線表示的正弦波形，然后用一組無線條顏色、白色填充的矩形框?qū)⑵涓采w，每個矩形的動畫均設(shè)置成“退出—自左側(cè)”，退出速度、開始方式根據(jù)整個動畫編排靈活選擇。播放效果:當白色填充的矩形框逐步退出時，視覺效果猶如正弦信號從左向右緩慢變化。

2.4 幻燈片切換方式應(yīng)用

有些復雜的動畫內(nèi)容需要制作在幾張幻燈片上，如橋式整流電路正負半周波形(兩張幻燈片)。為了獲得動畫連續(xù)播放的效果，制作時必須注意以下幾點:①后一張幻燈片必須采用“插入幻燈片副本”的方式獲取，在保留前一張幻燈片動畫最后時刻的畫面并刪除所有動畫效果后，再制作、編排新的動畫內(nèi)容或動畫效果;②在設(shè)置幻燈片的切換方式時，選擇“垂直百葉窗—慢速—應(yīng)用于全部幻燈片”功能，可達到播放時兩張幻燈片無明顯切換痕跡的效果［3];③在幻燈片的換片方式中再選中“每隔—00:00”。通過上述設(shè)置，在第一張幻燈片播放結(jié)束后將自動轉(zhuǎn)換到第二張幻燈片的動畫播放。

3 結(jié)語

高質(zhì)量的多媒體課件是提高教學效率和教學質(zhì)量的基礎(chǔ)條件。如要真正發(fā)揮其教學優(yōu)勢，還必須精心組織好課堂教學，控制好講課節(jié)奏，發(fā)揮教師在授課中的主導作用，才能真正促進教學質(zhì)量的提高。

［1] 范愛平，姚福安.精品課程與教學網(wǎng)站建設(shè)［J] .南京:電氣電子教學學報，2006，28(6):86-88

［2] 康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)［M] .北京:高等教育出版社，2006

［3] 王桂星，顧菊平，馮澤民等.基于PowerPoint的電路多媒體課件制作［J] .南京:電氣電子教學學報，2008，30(5):76-78