電子技術基礎課堂教學效果提升探究

翁玲?邢慶國?陳盛華

摘要：在電子技術課堂教學中加入教師的科研項目介紹，可加深學生對電路的理解，提高學生的學習興趣。以磁致伸縮正弦波振蕩電路為例，從相位條件和幅值條件兩方面分析了磁致伸縮凍雨傳感器的激振電路，幫助學生理解較為難懂的振蕩電路知識。事實證明教學與科研結合的方法取得的教學效果形象生動，學生反映很好。

關鍵詞：電子技術；科研；教學效果；課堂教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0088-02

電子技術基礎是電氣信息、電子信息類各專業的專業技術基礎課程，課程的教學任務是讓學生獲得電子技術方面的基本理論、基本知識和基本技能，培養學生分析、解決問題的能力和創新能力，為后續專業課程的學習打好基礎。電子技術基礎課程處于各專業教學的中間環節，是學生基本素質形成的關鍵課程。該課程課堂教學效果的好壞，直接影響學生后續專業課程的學習效果。課堂教學效果的好壞與教學內容緊密相關。內容陳舊、未能反映當今科技發展最新成果的教學內容已經不能滿足現有的電子技術基礎課堂教學的需要。將最新的科學研究成果融入到課堂教學中，通過課堂知識的具體應用，能提高學生的學習興趣，拓展他們的學習思維，使學生更容易理解和掌握課堂所學知識。目前，已有不少課程的教學中引入了科研項目和科研成果，提高了課堂教學效果。[1，2]很多院校在電子技術基礎課程中也將教學與科研結合，進行了有益的嘗試。[3，4]

河北工業大學（以下簡稱“我校”）電子學教研組積極進行教學和實驗的改革。2004年，筆者在實驗學時不變的情況下增加電子技術實驗仿真，讓學生做完硬件電路實驗后進行仿真驗證，提高了學生學習電子技術的興趣和學生的創新能力。[5，6]筆者還在電子技術課堂教學中也引入仿真，在理論教學的同時，利用仿真幫助學生理解難懂的內容，幫助學生掌握各種儀器的基本使用及電路參數的測試方法。[7]為了提高學生的學習興趣和聽課效率，筆者嘗試在課堂教學中引入最新的科研項目和科研成果，學生對于這種教學方法普遍反映較好。

一、目前電子技術基礎課堂教學中存在的問題

電子技術基礎課程尤其是模擬電子技術課程抽象難懂，學生曾戲稱為“魔鬼電子”。這種情況也反映了傳統的電子技術課堂教學中存在問題，學生對電子技術基礎課程學習興趣不大。電子技術課程中電子電路復雜，如數字電子技術和模擬電子技術集成芯片內部電路圖，在課堂上臨時畫出電路圖進行講解和分析，花費時間非常多，教學效果不好。近年來，筆者采用多媒體方式教學時，把仿真軟件引入課堂教學中，教學效果有了一定的提升。然而，電子技術基礎課程實踐性強，僅僅采用多媒體和仿真結合的方法依然不能把學生的聽課效果提到最佳狀態，課堂教學仍存在如下問題：

1.授課內容范圍狹窄

如果授課教師講課的內容僅局限于教材，不用最新科研成果融合電子技術課程的教學，學生即使理解了所學的電子技術基礎的內容，也不會知道這些內容應該在哪些方面應用。學生認為學習的電子技術知識以后也用不到，久而久之會逐漸喪失學習電子技術基礎課程的興趣。電子技術基礎課程的理論性和實踐性較強，包含的知識體系和內容也不可能完全與最新的科研成果同步，如果授課過程不對教材內容進行擴展，將影響課堂教學效果。

2.理論與實踐結合的環節較少

電子技術是一門實踐性較強的專業技術基礎學科，在進行教學時，理論與實踐相結合，才能使學生更好地領會、理解、掌握。我校的電子基礎課程除理論課之外，還包括電子技術實驗、電子技術課程設計、電子工藝實習等實踐教學環節。雖然筆者開設了這些實踐教學環節，但是大部分的實驗教學依然是以驗證性實驗為主。學生在進行驗證性的實驗時，因為實驗結果可以根據教材上的理論預知，加上教材內容相對陳舊，很多學生僅僅是能夠完成實驗，缺少主動學習的興趣。學生不知道所學的電子技術理論知識將來能用在什么領域，不知道真正的電子電路如何設計，設計過程中該注意哪些細節問題。

綜上所述，傳統的電子技術課堂教學效果較差，如果在課堂教學中適時地引入科研項目的研究成果，給學生介紹與科研成果相關的電子技術知識，能夠激發學生學習電子技術課程的興趣，使學生由被動學習轉變為主動學習，調動學生學習的積極性。同時還使學生能逐漸將學到的新知識、新技術、新手段應用到實踐中去，極大地提高學生的創新能力。

二、教學與科研結合實例

正弦波振蕩電路是在沒有外加信號輸入的情況下，依靠電路自己振蕩而產生的正弦波輸出電壓的電路。[8]正弦波振蕩電路由放大電路、選頻網絡、正反饋網絡和穩幅環節四個部分組成。正弦波振蕩電路按選頻網絡的不同，又分成RC正弦波振蕩電路和LC正弦波振蕩電路。RC正弦波振蕩電路以RC串并聯網絡為選頻網絡和正反饋網絡，以電壓串聯負反饋放大電路為放大環節，具有振蕩頻率穩定，帶負載能力強、輸出電壓失真小等優點。為了提高RC振蕩電路的振蕩頻率，必須減少電阻R和電容C的取值，當振蕩頻率高到一定程度時，其值與一些未知因素有關，還將受到環境溫度的影響。因此，當振蕩頻率較高時，應選用LC正弦波振蕩電路。[8]LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，放大電路多采用分立元件電路，必要時還采用共基電路。根據引入反饋的方式不同，LC正弦波振蕩電路又分為變壓器反饋式、電感反饋式和電容反饋式三種。對于振蕩電路，筆者的授課任務是通過對RC振蕩電路的講解，讓同學們掌握電路產生正弦波振蕩的幅值平衡條件和相位平衡條件，了解LC振蕩電路的工作原理并會判斷電路是否能產生正弦波振蕩。

對于LC正弦波振蕩電路，由于從原理上比較難理解，學生普遍反映理論性太強，不明白其具體應用場合，所以學習積極性不高。筆者將自己的科研項目與課堂教學結合起來，通過對科研項目較為系統的講解，讓學生將課堂教學知識通過具體應用來消化吸收。

這個科研項目是關于磁致伸縮凍雨傳感器的。凍雨傳感器是利用磁致伸縮材料的振動特性設計的一種用來測量凍雨的新型傳感器。美國已經有相應的凍雨傳感器產品，國內對這方面的研究較少。凍雨傳感器由探頭和變送器兩部分組成。探頭主要負責凍雨信號的探測，由振動體、驅動線圈、永久磁鐵、反饋線圈、外殼組成。振動體由具有磁致伸縮效應的恒彈性合金制成，振動體呈管狀，稱為振管。該振管在交變磁場的作用下發生反復伸長與縮短，從而產生振動。給驅動線圈通交變電流可以產生交變的磁場。永久磁場產生恒定磁場，恒定磁場和交變磁場疊加可以得到振動體需要的總磁場。振動體在磁場作用下的振動可以由反饋線圈上的信號采樣得到。經過對振管數學模型的分析，長度為59mm的振管軸向振動的基頻為40.2kHz。

由于該凍雨傳感器的振管振動頻率較高，其諧振電路的設計較為復雜。由于RC正弦波振蕩電路振蕩頻率低，因此項目中采用單諧振互感耦合LC正弦波振蕩電路產生振蕩，驅動線圈和反饋線圈通過振管進行耦合。利用振蕩電路產生的振蕩信號給驅動線圈產生交變磁場，振管在交變磁場作用下產生磁致伸縮而進行軸向振動，振動頻率通過反饋線圈組成的反饋網絡正反饋給激振電路，從而維持振蕩的繼續進行。電路原理圖如圖1所示。集成運放與電阻R3，R4構成電壓串聯負反饋放大電路，其輸入電阻高、輸出電阻低。集成運放的同相輸入端為具有選頻特性的L1C并聯回路，L1為振管外的反饋線圈。正反饋網絡則通過L1，L2之間的線圈互感耦合來實現。L2為振管外的驅動線圈。該電路是給學生講解完LC正弦波振蕩電路后的一個擴展知識，講解的重點仍然是該電路是否能夠振蕩，所以從以下兩個方面分析電路是否產生振蕩。

1.相位條件

利用教材中提到的瞬時極性法來分析電路的相位條件。將圖中L1和C與集成運放的同相輸入端斷開，在同相輸入端加輸入電壓ui，其瞬時極性假定為“+”，由于放大電路的輸出端與同相輸入端之間相位相同，集成運放的輸出端的極性也為“+”。R2，RT呈阻性，不會改變相位，根據圖中所示變壓器的同名端標識，在次級L1的同名端的極性為“+”，當振蕩頻率為固有頻率f0 時，L1C并聯選頻網絡的諧振阻抗為純電阻，所以輸入電壓ui與輸出電壓uo同相位，φA=0，由圖中同名端的標識，φF=0。因此，該電路能滿足振蕩電路的相位平衡條件φA+φF=2nπ。或者還可以理解為，反饋電壓uf可以取代輸入電壓ui，不依靠外界的輸入。

2.幅值條件

正弦波振蕩電路是靠電路中的擾動電壓起振的，當相位條件滿足后，只要滿足起振條件，電路中的微弱擾動電壓經過放大和正反饋網絡，就能使諧振頻率為f0的信號逐漸放大。當電路輸出的電壓幅度越來越大時，由于集成運放非線性特性的穩幅作用，電壓的幅值會自動穩定下來，達到平衡狀態，此時，輸出電壓的頻率為f0。由于反饋電壓uf的大小由L1，L2的匝數比決定，并且集成運放的放大倍數可以很大，所以只要集成運放的放大倍數和變壓器的匝數比選擇合適，就一定能滿足幅度平衡條件和起振條件。

經過對圖1的介紹，學生更加深刻地理解了振蕩電路產生的條件，并能根據相位平衡條件和幅值平衡條件正確判斷電路是否能產生正弦波振蕩。穿插的科研項目的介紹大約需要20分鐘，課堂教學效果較好。

教學與科研結合的教學方法還能夠引導學生主動將所學知識應用于后續的畢業設計和學生科研項目當中，提高了學生的創新能力。

三、結束語

電子技術發展迅速，在學時不變的情況下，傳統的課堂教學已經不能滿足越來越多的教學內容。在課堂教學中適時地引入科研項目的研究成果，給學生介紹與科研成果相關的電子技術知識，能激發學生的學習興趣，使學生由被動學習轉變為主動學習，調動學習的主動性和積極性，同時使學生能逐漸將新知識、新技術、新手段應用到實踐中去，極大提高了學生的創新能力。

參考文獻：

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[6]孫英，邢慶國，傅仲文.電子技術課程中多途徑培養學生的創新能力[J].河北工業大學成人教育學院學報，2009，24（2）：17-19.

[7]翁玲，陳盛華，孫英.仿真軟件在電子技術課堂教學中的應用[J].中國電力教育，2013，（14）：75-76.

[8]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

（責任編輯：王意琴）