整合與貫通
——電子電路基礎課程教學改革實踐

樊 華， 張 進， 陳偉建， 張懷武， 謝實夢

(1. 電子科技大學 電子科學與工程學院， 成都 610054; 2. 電子科技大學 信息與通信工程學院， 成都 611731)

0 引 言

在全球新一輪信息化浪潮下，云計算、大數據、物聯網、機器人、移動通信、虛擬現實等領域的蓬勃發展使得人類眼花繚亂、應接不暇，迄今為止，還沒有一個學科能夠像信息技術領域這般多姿多彩，千變萬化，人類已經跨入了以高新科技綜合創新為代表的信息技術時代。信息技術的發展異常迅速，摩爾定律(微處理器的性能每隔18個月提高1倍，而價格下降1倍)、梅爾卡夫法則(網絡價值等于網絡節點的平方)和新摩爾定律(Internet頻寬每9個月會增加1倍的容量，但成本也同時降低一半)等持續起作用，正如一些經濟學家所言：“信息技術在全社會范圍的擴張和滲透，無異于第二次工業革命，甚至比第一次工業革命的影響更加深遠。”

2017年2月，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，達成了“新工科”建設復旦共識。以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟蓬勃發展，迫切需要培養大批新興工程創新人才。相對于傳統的工程教育，“新工科”人才應是基礎知識厚、專業能力強、綜合素質高、具有國際競爭力，并適應泛信息化時代、敢于跨界并具有跨界創新集成能力、引領未來社會發展的精英人才。其中最重要的是培養學生最核心的能力——學習而且快速學習新事物的能力，其次學生需要在知識交叉和融合中學習[1-6]。

時代的變革促使我們必須進行教學改革，課程建設要重構一些核心知識，老的知識要升級換代，新的技術要加入教學內容，專注于學習能力的培養和工程思維的提高上進行教學設計。我校從2013年開始探索以學習能力培養為核心，以行業發展需求為標準，推行課程體系的優化整合，已取得一些好的成果。本文將介紹“電子電路基礎”課程的貫通教學改革情況[7-10]。

1 傳統教學存在的問題分析

1.1 兩門獨立課程不利于原本一脈相承的知識體系進行融會貫通

傳統教學是將“電路分析”和“模擬電路基礎”列為獨立的兩門課程，“電路分析”課程64學時，在大一的第二學期開設，“模擬電路基礎”64學時，在大二的第一學期開設，即“電路分析”為“模擬電路基礎”的先修課程。兩門課程獨立講授不利于原本是一脈相承的知識體系進行融會貫通。例如“電路分析”第一章所講述的基爾霍夫定律(KCL、KVL)是所有電路中電壓和電流所遵循的基本規律，是分析和計算較為復雜電路的基礎，在“模擬電路基礎”中既可以用于直流電路的分析，也可以用于交流電路的分析，還可以用于非線性電路的分析；“電路分析”第二章“外加電源法”在“模擬電路基礎”中常用來化簡電路，通過外加電壓源求電流或者外加電流源求電壓來求解放大電路的等效輸入、輸出電阻等；“電路分析”第三章“含受控源的電路分析”以及第四章“疊加定理、戴維南定理和諾頓定理”在“模擬電路基礎”中常用來化簡和分析三極管放大電路、場效應管放大電路以及多級放大電路等。“電路分析”和“模擬電路基礎”兩門課程分別在兩個學期授課的缺點在于：大部分學生在開始學習“模擬電路基礎”時，已經對“電路分析”的關鍵知識點生疏了，不能融會貫通，這種教學模式使學生在認知和應用相關知識時產生隔膜。

1.2 理論教學與實驗環節存在脫節

兩門課程分屬于不同的學期開設，使得教學過程中銜接緊密的理論分析+仿真設計+實驗驗證的電子電路分析與設計方法無法連貫，理論與實際常常脫節。比如傳統電路分析課程，理論教學只從電路模型(圖形化的數學模型)入手進行講授，基本不考慮實際問題(如電阻的種類、功率和容差等)，一旦實驗中出現與理論分析不完全吻合的情況，學生很難理解。

因此，我校將“模擬電路基礎”和“電路分析”整合成一門課程——“電子電路基礎”，96學時，6學分，在大一的第二學期開設，將“電路分析”的關鍵知識點合理穿插到“模擬電路基礎”中。 改革后的“電子電路基礎”課程從元器件的抽象，到電路模型的分析，再到電子電路的分析與設計，有機融合教學內容，包括從無源器件到有源器件、從線性到非線性、從實際電路到電路模型、從單元電路到功能電路、從電路分析到電路設計，節節深入、步步提高，消除了電路分析與模擬電路相關知識的隔膜，有利于知識的融會貫通。這是我校迄今為止唯一的一門6學分的專業基礎課，此教改項目——“電子電路(電路分析與模擬電路)課程的貫通教學”已被列入2015年學校的重大教改項目之一。

2 “模擬電路基礎”和“電路分析”的貫通教學

2.1 整合方案

“電路分析”和“模擬電路基礎”兩門課程的整合并不是簡單的疊加，傳統的“電路分析”課程采用邱關源主編的普通高等教育“九五”國家級重點優秀教材，包括兩部分：第一部分為電路穩態分析，包括電路模型和電路定律、電阻電路的等效變換、電阻電路的一般分析、電路定理，含有運算放大器的電阻電路、相量法、正弦穩態電路的分析、含有耦合電感的電路、三相電路、非正弦周期電流電路和信號的頻譜等內容；第二部分為電路動態分析，包括一階電路、二階電路、拉普拉斯變換、網絡參數、電路方程的矩陣形式、二端口網絡、非線性電路簡介[11-12]。“電路分析”和“模擬電路基礎”[13]兩門課程整合之后，電路分析的內容刪減了一半，這是由于隨著電子電路技術日新月異的發展，電路的計算機輔助分析已經成為普遍采用的科學研究方法，電子設計自動化(EDA)以及各種電路仿真軟件的飛速發展大大簡化了過去繁雜的電路分析和計算，因此，授課時應該強化“電路計算機輔助分析”，使學生初步掌握大規模電路計算機輔助分析方法和過程，建立“科學計算”概念，不宜過細地分析模塊內部原理以及進行繁雜的電路計算，但經典的電路分析理論知識以及向“模擬電路基礎”過渡的必備知識必須精講，及時準確地進行歸納總結，兩門課程整合方案見表1。

2.2 “電路分析”和“模擬電路基礎”貫通教學的關鍵點

“電路分析”課程應該定位在為“模擬電路基礎”作鋪墊，“電路與電路模型”以及“電路分析方法”兩章的學習使得學生能掌握電子線路的基礎知識，對電路的復雜工程問題進行抽象和表達，并對所建立的模型完成準確的推導、計算。學習了“電路分析”中“電路與電路模型”以及“電路分析方法”兩章后就可以開始學習“模擬電路基礎”中“半導體器件”和“單管放大電路”兩章， 因為學生一旦建立起電路模型的基本概念以及掌握了疊加定理、戴維南定理以及諾頓定理之后，就可以運用這些定理靈活分析三極管和場效應管雙口網絡交流小信號等效放大電路。例如：單獨對放大器進行交流分析時，可以將放大器視為無源雙口網絡，而考慮信號源之后，放大器作為信號源的負載，應該將放大器和負載合并視為無源單口網絡，無源單口網絡等效為電阻Ri，即放大器的輸入電阻Ri是信號源的負載電阻，而從負載端分析，信號源與放大電路等效為含源單口網絡，對于含源單口電路的分析采用戴維南或者諾頓定理畫出等效電路，將其等效為開路電壓源UOC與輸出電阻Ro的串聯或者短路電流源ISC與輸出電阻Ro的并聯。

表1 “電路分析”和“模擬電路基礎”課程整合方案

在“模擬電路基礎”中講到二極管、三極管以及場效應管的分析時要用到疊加定理，需要特意強調只有把晶體管用交流小信號模型做線性化的處理之后才能用疊加定理，否則，對非線性的電路不能用疊加定理進行求解；含有受控電源的戴維南定理、諾頓定理的計算，學生不知道如何將電路進行劃分成單口網絡，講述例題的時候應該多講解幾種思路和劃分方法，讓學生靈活掌握單口的概念，無論對電路怎么劃分都能得出正確答案；使學生掌握不同方法的優點和局限性，有效解決電子系統實現過程中的復雜工程問題。另外，含有受控電源的節點分析法，讓學生盡量抓兩個點：第一是控制量，第二是受控量，主要看受控電源關聯幾個節點，對于關聯一個節點和關聯兩個節點的方法上課時都給出實例，并增加課堂練習。

以上“電子電路基礎”第3、4章所涉及知識都屬于“模擬電路基礎”，第5章又重新進入“電路分析”——正弦穩態電路的學習，為第6章“放大電路的頻率特性”作鋪墊，這是由于分析放大電路的頻率特性(也稱頻率響應)時，通常對放大電路輸入正弦量，研究放大電路的幅頻特性和相頻特性，而正弦信號是時變信號，其幅度和相位隨著時間的改變而改變，對于時變信號的研究通常采用相量法，相量是電子工程學中用以表示正弦量大小和相位的矢量，當頻率一定時，相量唯一表征了正弦量，放大電路頻率特性本質是正弦穩態電路的相量分析，因此，在學習“放大電路的頻率特性”之前，需要先講述“正弦穩態電路”，以便學生能靈活運用相量法分析放大電路的頻率特性，深刻理解放大倍數是信號頻率的函數，隨著輸入信號頻率低到一定程度或高到一定程度，放大倍數都會下降并產生相移。

“電子電路基礎”最后3章涉及的內容都屬于“模擬電路基礎”，其中反饋部分是一個重點和難點，反饋和運放都是模擬電路的精髓，大部分運放都在閉環負反饋條件下使用，只有掌握好反饋類型的判別才能深刻理解負反饋對放大電路性能的影響，然而，反饋類型的判斷是學生不容易掌握的知識點，教科書上給出的判斷反饋的方法學生不容易理解，需要幫助學生對教科書上沒有的或者不容易理解的知識點進行如表2所示的梳理和總結。

需要注意的是：交直流反饋可以通過耦合電容在電路中的連接方式進行判斷，如圖1所示，電容和電阻R1并聯，因此，直流情況下，電容開路，R1和R2構成電阻分壓式反饋網絡，將輸出電壓的一部分反饋到輸入，存在直流反饋；交流情況下，電容短路， 將R1短路，反饋網絡無法對輸出電壓取樣，反饋消失，因此，在圖1所示電路中，由于R1和R2構成的反饋網絡有電容并聯，則為直流反饋。同理，在圖2所示電路中，R1和R2構成的反饋網絡有電容串聯，直流情況下，電容開路，反饋消失，交流情況下，電容短路，R1和R2構成的反饋網絡對輸出電壓采樣，反饋到輸入端，則為交流反饋。

值得說明的是：電壓反饋和電流反饋是反饋中最難講授的部分，學生也最不容易掌握，這里，對電壓反饋和電流反饋需要進行進一步的說明。教科書給出電壓反饋的標準定義是：將輸出電壓的一部分或全部引回到輸入回路來影響凈輸入量的為電壓反饋，簡單來講，可以理解為反饋網絡和輸出接在同一點則為電壓反饋。如圖3所示，反饋網絡為一根導線，這是將輸出

圖1 直流反饋

電壓全部反饋回去的“電壓反饋”。如圖4所示， R1和R2構成電阻分壓式反饋網絡，將輸出電壓的一部分反饋到輸入，穩定輸出電壓。

圖3 將輸出電壓全部反饋回去的“電壓反饋”

圖4 將輸出電壓部分反饋回去的“電壓反饋”

對于電流反饋，教科書給出電流反饋的標準定義是：將輸出電流的一部分或全部引回到輸入回路來影響凈輸入量的為電流反饋，簡單來講，可以理解為反饋網絡和輸出接在不同點則為電流反饋，如圖5所示， R1和R2構成的反饋網絡，將輸出電流的一部分引回到輸入，構成電流反饋，穩定輸出電流。

圖5 將輸出電流部分反饋回去的“電流反饋”

實踐證明，“電子電路基礎”的貫通教學能夠使得學生分析電路的能力提高，學習電路的興趣變濃，為日后從事相關領域工作打下堅實基礎。

3 教改成果

2016年5月，我校主辦了高校電子信息類課程教學改革研討會，吸引了來自清華大學、東南大學、上海交通大學、浙江大學、西安電子科技大學、北京郵電大學、國防科技大學等95所高校電子信息類的280多位老師和專家與會，課程組在大會上做了主題報告“電路類課程的融合與建設進展”引發了老師們的熱烈討論，同時課程組也多次到全國高校電子信息類基礎課程系列研修班等教學會議上交流經驗，每年學校接待近百所兄弟院校前來交流學習，課程改革的效果得到高度認可。

課程組有的老師連續三屆被評為學校“我最喜愛的老師”，有的老師講授的“電子電路基礎”課程每學期學生評教均在90分以上，并代表學校參加了教育部第二屆全國高等學校電子技術及電子線路基礎課程高校青年教師授課競賽，獲西南賽區復賽模電組一等獎，在比賽中，由于采用新穎的授課方式，將電路分析的知識靈活穿插到模擬電路中，給在場的評委一種耳目一新的感覺。此外，還多次應邀出席教育領域的國際會議并作了介紹，拓展了國際視野，為今后的國際交流合作打下堅實的基礎。

4 結 語

為深化高校工程教育改革，我校啟動了重點教改專項——電子電路課程的貫通教學。教學改革立足于打破原有的分段式教學模式，實現課程知識體系內在的貫通和平滑過渡，推進課程內容有機融合[15]，培養學生的創新思維與工程實踐能力、解決復雜問題的決策力以及自主學習和終身學習的能力。