通信電子線路課程教學模式研究

樂燕芬　施偉斌

上海理工大學光電信息與計算機工程學院　上?！?00093

通信電子線路課程教學模式研究

樂燕芬施偉斌

上海理工大學光電信息與計算機工程學院上海200093

因涉及非線性和高頻電路，通信電子線路課程具有理論計算復雜、實驗課時有限、學生實踐創新能力培養受限的教學特點，傳統的教學模式教學效果不理想。針對這一現狀，提出了利用Multisim軟件進行電路仿真設計，作為操作性驗證實驗的有益補充，加深對理論知識的吸收內化；此外，根據課程特點設計了部分翻轉課堂的新型教學模式。以諧振放大器知識點為例，對所提出的教學模式的具體操作過程進行了介紹，以期為同類課程教學提供借鑒。

通信電子線路；Multisim；翻轉課堂；實驗教學

通信電子線路課程是電子信息類專業的核心專業課程，主要內容包括高頻選頻放大器、正弦波振蕩器、調制解調以及變頻，涉及的是電子元器件的非線性工作過程。對于這類非線性電路的分析通?；趶碗s的數學模型，涉及相對煩瑣的手工推導演算過程，費時費力[1]?？紤]到通信電子線路是工程性很強的課程，實際教學中的計算是建立在基本概念清晰的基礎上進行工程估算，例如在分析調諧功率放大器的指標時，通常采用折線近似準靜態分析法，有助于學生掌握基本概念，同時能避免過程煩瑣且實用價值不高的詳細計算。但調諧功率放大器工作原理及性能分析涉及較多的高難度知識點，通過純粹的理論抽象分析指導學生掌握電路參數變化對其工作狀態的影響還是有相當的難度，這一問題也存在于課程其他知識點，如角度調制與解調電路的講授。

在實際教學過程中，如何采用有效的教學模式，使學生在有限的課時內既能掌握課程的基礎知識點又具備工程設計、實踐操作能力是筆者多年教學實踐中一直探索和研究的課題。本文立足教學現狀，尊重學生個體差異，借鑒國內外的先進教學模式，在教學實踐中采用了Multisim結合翻轉課堂模式以期解決這一教學難題[2-4]。

1　常規實驗教學的特點

通信電子線路課程一般設置8～16個實驗學時，以基于實驗箱的驗證性實驗為主。因為硬件設計性實驗需查閱資料、設計電路、繪制電路圖、購買元器件、調試等過程，在學時有限的情況下無法開展[5]。而驗證性實驗一般基于實驗箱系統，通過電路模塊的簡單搭建完成實驗電路，通過觀察和分析實驗現象加深理論知識的理解，是培養學生設備操作技能、實踐動手能力的主要途徑。但通信電子線路課程涉及的是器件非線性工作狀態，該工作狀態往往與電路的設置參數有關，參數的調整可以使器件從線性轉入非線性工作狀態，基于實驗箱系統的模塊化電路搭建往往電路參數設置固定，靈活性不夠。以課程的調諧功率放大器這一知識點為例，我們首先來了解常規的教學模式。

調諧功率放大器是通信系統發送裝置的重要組件，也是一種以諧振電路作為負載的放大器。這種功率放大器輸入信號大，可以達到幾伏，晶體管工作區延伸到非線性區域：截止和飽和區，輸出功率大，以滿足信號從天線有效發射的要求。

調諧功率放大器具有欠壓、過壓、臨界3種工作狀態，不同工作狀態決定了輸出功率和效率。課堂教學時一般采用圖解分析法來探討電源電壓、基極偏置電壓、激勵電壓以及集電極等效負載電阻對調諧功率放大器工作狀態的影響，使學生理解調諧放大器的工作原理。同時也會安排適當的基于實驗箱的操作性實驗增加學生直觀感受，加深理論知識的內化吸收。

理論講授結合實驗操作的授課方式對學生掌握調諧功率放大器的工作原理顯示了較好的授課效果，但是，實驗箱實驗由于電路設計的局限性，一般難以觀察電源電壓和偏置電壓對調諧放大器的影響；而2個課時的實驗安排也難以充分達到實驗效果，經常由于操作不熟練，甚至1個實驗現象都不能獲取；另外，由于電路耦合元件—變壓器磁芯脆弱易碎，不方便學生調整調諧頻率，使得實驗中觀察到的集電極電流ic與理論分析不符，影響課堂理論分析的教學效果。

從調諧功率放大器這一知識點的常規講授方式可以看出，由于課時限制及實驗箱本身存在的局限性，使得不能對知識點進行充分驗證，同時實驗過程中也經常出現實驗結果與理論分析不完全相符的現象。針對這一現狀，首先提出了利用Multisim電路仿真軟件輔助進行理論知識點的分析驗證，同時提出部分翻轉課堂的教學模式，對具有相同電路結構的知識點進行串聯，發掘學生的主動性，充分利用課余時間以期解決課時有限的難題。

2　Multisim在調諧功率放大器中的應用

Multisim是美國NI公司推出的電子電路仿真軟件，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作、仿真分析。使用者借助該軟件平臺可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試的完整綜合設計流程，是對傳統基于實驗箱驗證性操作實驗的補充和完善。

經過課堂上對調諧功率放大器電路工作原理的理論分析，可在Multisim仿真軟件中建立圖1所示的仿真電路[6]。從圖1中可看出，激勵信號頻率為465 KHz，根據諧振頻率的計算公式可知諧振電容的大?。?/p>

實驗中首先調整可變電容C1的值，使回路諧振在465 KHz。根據2通道的信號波形(集電極電流ic在R1上產生的電壓波形)可知調諧功率放大器工作在過壓狀態下，微調C1使該電壓波形接近對稱的凹陷波形，此時功放工作在諧振狀態。示波器的通道1和通道3分別對應調諧放大器的輸入、輸出信號，可發現信號有20倍左右的放大。

圖1　諧振頻率的調整

由諧振功率放大器的理論知識可知，減小激勵信號的幅值、減小負載電阻的阻值或基極偏置電壓，都可使調諧放大器退出過壓工作狀態，此時可分別調整電路中相應的元件觀察實驗現象，并與理論分析結果進行比較。圖2(a)給出了把激勵信號從0.7 V調整至0.6 V后觀察到的實驗現象，此時調諧放大器退出了過壓狀態。通過調整R2使輸出信號最大，功率放大器工作于臨界狀態。雖然激勵信號減小，但輸出信號并沒有隨之減小，反而增大，功率放大器為最佳工作狀態。

圖2　諧振功率放大器工作狀態的轉變

根據理論分析可知，此時增大基極偏置電壓會使調諧功率放大器會再次進入過壓狀態。圖2(b)給出了基極偏置電壓從0 V增大至0.1 V時觀察到的仿真結果，可看出集電極電流又出現了凹陷，調諧放大器工作于過壓狀態，與理論分析相符。而圖2(c)則給出了由圖2(a)臨界狀態，調整集電極電源電壓由12 V至7 V時仿真結果圖，此時諧振放大器進入過壓狀態，符合調諧功率放大器的集電極調制特性。

通過Multisim電路仿真，可以直觀得到電路各參數對調諧功率放大器性能的影響，操作簡單，參數調整結果直觀明了，對學生掌握調諧功率放大器電路工作原理有很大幫助。由于高頻信號不穩定、易受環境干擾，在實驗時經常出現與理論不符的實驗現象，此時，在深入理解電路參數不同設置對放大器工作狀態的影響后，再進行實驗箱操作實驗，對于這類實驗現象也可給出合理的解釋。相比較單一的實驗箱操作實驗時，經常出現的實驗現象不會分析、實驗結果無法判斷的狀況有良好的改善。同時，Multisim提供虛擬儀器，包括常用的示波器、波特圖儀等，工作界面與實際儀器完全一致。通過仿真實驗使學生掌握儀器的正確使用辦法，避免了實際操作時因使用不當損壞儀器的可能，為操作性實驗奠定基礎。

3　部分翻轉課堂的實施

翻轉課堂屬于新型教學模式，也是近幾年教育界的研究熱點。這種新型教學模式翻轉或者說顛覆了傳統教師課內講授、學生課后內化的教學方式，采用課前學生自主學習、課內互動交流，解決問題，吸收內化，重新建構學習流程。翻轉課堂教學模式首先由美國的兩名化學教師在課堂采用，并隨著互聯網的普及，在美國中小學教育中使用并流行。國內學者在多領域對翻轉課堂展開了不同程度的研究，并結合不同類型課程實際的教學特點，提出了“基于任務的翻轉課堂”“啟發式翻轉課堂”以及“翻轉課堂結合項目式教學”等教學模式[3,7-9]。

筆者根據通信電子線路課程知識點抽象、概念性和原理性較強，理論分析復雜而又有相當高的實踐操作要求，提出了部分翻轉課堂的教學模式。

國內開展翻轉課堂研究的教師，在實踐中已發現完全照搬國外的教育模式存在“水土不服”。原因有幾個，如過高估計國內學生的自主學習能力；長久的課前觀看視頻學習，容易產生厭煩心理；翻轉課堂教學模式，教師除了參加課堂活動外，還需錄制大量的微型課程、準備練習題庫、制作教學素材等。這對教師提出更重的教學任務，在目前科研、教學任務均繁重的現實下，教師并不一定能勝任[8]。這些原因使得翻轉課堂的實際教學模式一定要根據課程特點適當調整，以達到最好的教學效果。

通信電子線路課程教學中，采用的是部分知識點翻轉的模式。以諧振放大器這一知識點為例，本章內容包含小信號諧振放大器和調諧功率放大器兩部分，前者用于通信系統接收端，后者則是發送機的重要組成部分。電路功能不同，但都采用放大器結合選頻回路這一基本電路結構。選頻回路的形式以LC串并聯諧振回路為基本形式，在小信號功率放大器中，為調整矩形系數可以采用部分接入等變化方式；在功率放大器中因考慮阻抗匹配，會以LC串并聯諧振回路為基礎發展型、T型諧振回路，但基于LC回路的諧振特性來完成選頻濾波是一致的。

因此在這一知識點的教學中，采用圖3所示的部分翻轉課堂模式：先通過集中授課完成基本知識點的講授，讓學生理解LC諧振回路實現選頻濾波的原理；然后借鑒翻轉課堂的模式，由學生觀看教學視頻了解具體的電路結構，回到課堂后再進行疑難問題解答、討論；最后一個階段則是學生在課外借助Multisim完成電路仿真設計，課堂內進行本知識點的評測和總結。

圖3　諧振放大器部分翻轉教學過程

教學實踐表明，這樣的教學模式對有內在聯系的小信號諧振放大器和調諧功率放大器兩個知識點進行有機融合，縮減了課時；發揮了學生自主學習的能動性，把Multisim仿真實驗安排至課外進行，充分利用課余時間。筆者多年教學實踐發現，相比較課堂內煩瑣的公式推導、抽象的電路描述，學生對動手搭建電路進行仿真實驗興趣更濃厚，愿意投入更多倍課時進行學習，相比較傳統教學方式中2個學時的實驗課時安排，自然有更好的學習效果。學習初期基本理論知識的集中講授使學生對本章節的內容有全局概念，明白重點、難點所在，既避免了學生在“翻轉課堂模式下”完全自主學習的盲目性，同時也改善了整個知識點講授以老師為核心、學生被動接受的講授模式，在學時一定的情況下，對教學效果有很大的改善和提高。

4　結束語

通過對通信電子線路課程中諧振放大器電路的教學方式探討，說明了應用Multisim電路仿真軟件及部分翻轉課堂的教學模式，對改變目前本課程教學效果不理想的現狀有積極的作用，充分發揮學生作為學習主體的能動性，解決了實驗課時有限的難題，也提升了學生的實踐能力。這一教學模式也為其他課程的教學改革提供了參考和借鑒。

[1] 謝沅清,鄧鋼.通信電子電路[M].北京:電子工業出版社,2008.

[2] 宋蓓蓓.高頻電子線路教學方法探討[J].中國現代教育裝備,2012(155):63-64.

[3] 李海龍,鄧敏杰,梁存良.基于任務的翻轉課堂教學模式設計與應用[J].現代教育技術,2013,23(9):46-51.

[4] 陳子超,蔣家傅.高校翻轉課堂教學模式探索與實踐[J].現代教育技術,2014,24(12):112-117.

[5] 李吼杰,劉巖川,趙繼印.通信電子線路“滲透式”立體化實驗教學模式的構建[J].實驗技術與管理,2011,28(1):134-136.

[6] 胡宴如.高頻電子線路實驗與仿真[M].北京:高等教育出版社,2009.

[7] 張銀霞,李壽祿.動態網站設計開發課程翻轉課堂教學模式探索[J].2015(215):78-81.

[8] 劉立,陽小華,汪琳霞.啟發式翻轉課堂教學模式研究[J].實驗技術與管理,2015,32(5):31-34.

[9] 宋朝霞,俞啟定,基于翻轉課堂的項目式教學模式研究[J].遠程教育雜志,2014(1):96-104.

Research on the Teaching Pattern for Communication Electronic Circuit Course

Le Yanfen, Shi Weibin
University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China

For the nonlinear circuits and high-frequency circuits are involved in the course, as well as the shortage of the experimental hour which make the course hard to teach and learn, and, to a certain extent, limit the improvement of the practical ability of the students. Under this situation, a new experimental mode is provided in this paper, which uses the emulation experiments carried out in Multisim as good supplements to the practical experiments. Besides that, a new teaching method of “partial fipped classroom” is presented according to the characteristics of this course. At last, taking the “resonance amplifer” as an example, the paper introduces the implementation of the new teaching mode, which also provides an reference for the other researchers.

communication electronics circuits; Multisim; fipped classroom; practical experiments

2016-01-08

樂燕芬，博士，講師。施偉斌，博士，副教授。