模擬電子技術課程的問題導引式教學方法探析

羅銘　朱天橋　趙建勛　姚若玉

摘要：模擬電子技術基礎課程具有內容豐富、知識跨度大且電路分析方法靈活多變等特點，上述特點導致該課程學習難度大，并顯著降低了學生的學習興趣。鑒于此問題，本文結合模擬電子技術課程的特點和問題導引式教學方法優勢，探索結合該課程特點的問題導引式教學方法。

關鍵字：模擬電子技術基礎；問題導引式；器件發展史；電路演化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0204-02

模擬電子技術基礎是電類專業的基礎課程，以物理、數學、信號系統和電路基礎等課程為先導課程，是后續射頻電路、數字電路、微機原理等課程的專業基礎課程。模擬電子技術課程具有內容豐富、知識跨度大、電路模型抽象、電路分析方法靈活多樣等特點。諸多特點導致模擬電子技術基礎是電子類本科教育課程較難以學習的課程。學生在學習過程中更易降低學習興趣。

本文首先由分析該課程的主要特點入手，總結模擬電子技術課程教學中的具體教學困難。隨后，在簡要介紹問題導引式教學方法后，針對模擬電子技術基礎課程，給出了進行問題導引式教學方法探索的具體內容。

一、模擬電子技術基礎課程的特點與教學困難

1.課程內容豐富、知識跨度大。模擬電子技術課程涉及不同層面的知識內容[2-6]，從基本的半導體原理、典型的器件特性，到具體應用電路的分析和設計，知識內容豐富且跨度較大。例如：學習PN結的形成和特性時，需要清楚半導體中載流子的運動規律；分析三極管構成的基本放大電路時，必須掌握三極管在不同工作區域的工程近似模型；學習頻率特性時又需要建立電路在高頻、中頻和低頻區的不同的響應模型；學習運算放大器應用電路時候，需要采用運放的“黑盒”模型。從微觀載流子運動到宏觀的電路模型，所面臨的知識跨度較大，因而造成了學生學習的困難。

2.課程的電路模型抽象且電路分析方法靈活多變。模擬電子技術所涉及的器件具有的非線性特性，諸如二極管的伏安特性、三極管的共射輸入和輸出特性、集成運放的傳輸特性等，均呈現出非線性特點。分析此類非線性器件構成的電路時，一般采用分段線性化的工程近似思想，因而器件特性被劃分為不同的區域：如集成運放的線性區和限幅區；二極管的導通、截止和擊穿；三級管的放大、截止和飽和等區域。針對器件不同的工作區域需要建立相應的電路等效模型以方便分析。因而，課程學習中，器件狀態判斷、模型應用和電路計算分析糾纏在一起，增加了學習難度。同時，不同的工程近似精度要求會導致采用的電路等效模型的變化。因此，器件的非線性特性導致同一器件的多個工程近似模型，也導致電路分析方法靈活多樣，因而概念不易掌握。同時，模擬電子技術以構建電子系統、構成電子應用為目標。如何讓學生從系統構建的高度，清楚每個知識點的應用領域也頗為不易。

鑒于上述特點，模擬電子技術基礎課程學習難度較大，在學習過程中更易降低學習興趣。

二、問題導引式教學方法

基于問題式的學習模式起源于20世紀50年代，是一種以問題為導向的學習模式[1]，此種教學法可充分調動學生的積極思維，提高學生的批判性思維和創造性思維。問題導引式教學方法既注重教師的教學方式，且關心學生的學習方式。此方法要求教師在授課過程中重現具體問題的提出和解決的過程，促使學生基于自主、研究，合作等方法去解決具體真實的問題，同時學習相關知識內容。

應用基于問題導引的教學方法需要解決“問題設計”和“問題解決”兩個關鍵步驟。“問題設計”中需要明確問題提出，要求面向所需教學的知識內容，明確具體，最好有一定趣味性。“問題解決”步驟中關心解決問題的過程和方法，強調讓學生通過解決問題獲取知識、思維能力和成就感，從而誘發興趣，形成進一步學習的動力。

三、模擬電子技術基礎的問題導引教學方法探索

（一）回顧器件技術問題背景，引入器件，激發學生的學習興趣

模擬電子技術基礎課程的學習目標是為了構建特定功能應用電路，完成特定的信號處理的任務。各種電子器件的產生與應用，均是為了解決當時所面臨的具體技術應用問題。當前應用多種電子器件均是在最初器件原型基礎上升級、改進而得到的。因此，可以從技術歷史材料中取材，讓學生們了解器件的產生歷史，最好能夠在教學過程中重現具體器件所產生、改進的歷史技術問題及其解決過程，激發學習興趣。同時，通過了解器件的應用需求驅動原因、學生更易形成器件的應用觀點。

在教學過程中組織教學材料時可以采用如下方法：各個教學材料包括“引導問題”、“問題相應的知識內容”和“具體實施步驟概要”。下面具體給出兩個例子：

1.晶體管的教學。

引導問題：早期調幅無線電通信要求檢波和信號放大設備，而電子管功耗、體積以及壽命限制其應用，要求新型的單向化和放大器件產生。

問題相應的知識點內容：PN結的特性，二極管、三極管器件特性和應用電路。

實施步驟概要：①簡要回顧從二極管、三極管的產生歷史，包括主要的遭遇的技術問題，而導出二極管、三極管。②指出二極管、三極管其特性的分析實際可以歸結為PN結的特性，介紹PN結和器件的具體特性（伏安特性，輸入輸出特性等）。③從應用器件的角度，導致器件產生的技術問題也正是器件應用所要解決的問題：如二極管的整流、限幅、檢波均為單向化操作，給出相應電路。三極管構成的放大電路目的是完成信號放大，給出三種放大電路并分析比較其特性。

2.集成運算放大器的教學。

引導問題：早期貝爾實驗室所遭遇的電話網絡中語音放大問題：變化的供電電壓和環境因素引發的語音放大器工作增益漂移，導致語音音量時大時小的變化，電話服務質量下降。

問題相應的知識點：運算放大器特性，運放線性應用電路，負反饋原理的提出和理論。[2]

實施步驟：①通過對歷史材料的回顧，讓學生了解運算放大器產生的歷史背景和應用需求驅動問題，導出運算放大器。②給出運算放大器的特性和應用電路；③生成器件的技術問題也正是器件應用所要解決的問題：介紹負反饋原理和運放的線性應用電路。

（二）強調典型電路改進的驅動問題和改進過程

模擬電子技術基礎課程中的典型電路，其提出和應用均有其技術需求驅動。通過從技術需求的演進角度，講述電路的改進的驅動問題和改進方法，強調電路之間的聯系，促使學生從“死記硬背”的電路學習過程轉變為面向解決技術需求問題的增量式、創新設計性學習。通過具體電路的改進與演化，提高學生對電路分析和設計方法的掌握，從而達到鞏固學習知識，提高學生創新性思維能力。具體而言，如下簡要地給出幾個教學例子，應用時候在具體電路導出時候先指出問題，然后導出具體電路。

1.電壓跟隨器。

引導問題：電路分級隔離的需求。

問題相應的知識點：電壓跟隨器。

實施步驟：從同相比例放大器出發，通過將反饋電阻趨于零、接地電阻趨于無窮演化成為電壓跟隨電路，并討論電壓跟隨器的應用。

2.加法器。

引導問題：信號進行加法運算需求。

問題相應的知識點：基于運放的加法器。

實施步驟：從同相、反相比例放大電路出發，通過添加多個輸入信號演化為同相和反相加法器，并分析和比較兩種加法器的電路特性，如輸入電阻等。

3.加法器。

引導問題：信號減法實現問題。

問題相應的知識點：基于運放的減法器電路。

實施步驟：從同反相放大電路改進生成減法運算電路，并分析對比各種系數值的減法電路的構成實現。

4.差動電路。

引導問題：單晶體管共射放大電路溫漂問題，提高射極耦合差動電路抑制共模干擾問題。

問題相應的知識點：差動電路構成、特性分析，應用。

實施步驟：從普通的單晶體管共射放大電路出發，為了克服溫漂、抑制共模干擾演化為差動放大電路，進而改進成為采用恒流源的差動放大電路，最后，分析比較兩種差動電路的特點。

四、結論

本文探索模擬電子技術基礎課程的問題導引式教學方法。采用問題導引式教學框架，通過回顧器件發展技術問題、強調電路改進演化過程的技術問題，導出相應器件和電路知識。旨在以應用問題導向，幫助學生在學習過程中提高學習興趣、培養創新思維能力并形成系統應用的觀點。在實施過程中回顧器件歷史應簡明扼要，以避免聽者因時間過長產生厭煩情緒；在強調電路演化過程時候，需由需求問題或原電路存在缺陷出發，自然引出新的改進的電路。

參考文獻：

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