基于信號鏈下的模擬電子技術課程改革

薛玉峰

基于信號鏈下的模擬電子技術課程改革

薛玉峰

（隴南師范高等專科學校 機電工程學院，甘肅 成縣 742500）

在分析現有機電一體化專業模擬電子技術課程教學的基礎上，基于模擬信號鏈這一線索，圍繞傳感器調理電路，精簡原有課程理論知識體系，增加仿真與實訓電路內容．這不僅加強了對學生工程實踐能力的培養，而且在課程中融入智能制造的概念，使得課程教學效果大為改觀．

智能制造；模擬電子技術；傳感器；信號鏈

模擬電子技術是電類、非電類專業的重要基礎課，不同專業中，知識點的要求并不相同．在有限的課時下，教師一般會依據自身的知識背景和專業培養目標的要求，在教學過程中適當取舍，隨意性較大．模擬電子技術課程概念多、理論多、電路多、實驗多、工程實踐性強，且其定量計算中常常用到工程近似、圖像法、經驗法等估算方法．這對于不善理論學習的高職學生來說，很容易喪失學習的信心和興趣[1]．教學中如何合理組織課程，凸顯模擬電子技術的重點內容和發展方向，了解模擬電子技術在智能制造領域的應用，激發學生的學習興趣，是教學過程中急需解決的問題．從產品的設計角度理解電路，強調通過仿真和實驗實訓環節研究電路，是模擬電子技術課程學習的可行方法[2]．本文以機電一體化專業基礎課程模擬電子技術為例，從溫度/重量傳感器信號檢測調理的２種典型電路入手分析，圍繞模擬電子技術課程的核心內容與發展方向，從信號采集到處理的完整過程分析歸納，確立課程改革的邏輯思路，為課程內容的再組織與安排找到合理的參考依據．

1 現有的課程教學分析

現有的課程教學方式有項目化教學和理實一體２種方式．項目化教學方式過多注重學生技能的培養，卻忽略知識的傳承與內在邏輯，知識的碎片化嚴重．這種方式沒有把學生當作完整的受教育對象培養，僅僅是當作工具人訓練，這樣非常不利于培養學生的心智技能、策略能力、遷移能力和可持續發展能力[3]，學生在后續的職業能力提升時瓶頸很嚴重．理實一體的教學方式中理論一般都沿用本科教材知識體系，學科體系完整，邏輯嚴密，學生不僅能了解模擬電子技術的全貌，而且能建構完整的知識網絡．但由于課程理論知識系統而全面，其專業針對性模糊，配套實驗中驗證性的內容過多，實訓內容過于陳舊落后．教學中若能恰當篩選課程內容，合理改變實驗項目，就能大大改善現有的教學現狀．具體表現為：

（1）現有課程教學一般是從半導體器件、單管放大、多級放大、功率放大電路開始建立放大的基本概念，再講解集成運算放大器（后面簡寫為集成運放）、信號運算和處理，最后講解波形發生與直流電源[4]．這種依照知識點漸進式的學習方式對于高職學生沒有明顯的吸引力，且模擬電子的核心應用知識在教學中沒有顯現出來．

（2）實驗中驗證性的項目過多，這些項目大都提前設計好，學生只需按照步驟搭建電路、測量數據、完成報告即可，其學習形式過于單一，學生自主學習的空間有限，學習過于被動和封閉．

（3）實訓內容一般為焊接助聽器電路、音頻放大電路、收音機散件組裝焊接調試等電路[5]，這種內容與專業后續課程傳感器與檢測技術、單片機等銜接出現嚴重的脫離，不利于提升學生的專業實踐技能，更沒有涉及智能機電產品設計中需要的電子技術知識．

2 課程改革的思路與邏輯

要改變原有的課程內容和實驗實訓項目，首先，應以模擬電子技術的核心內容為中心，對課程教學內容取舍，選擇出專業最需要的知識內容．其次，應該從模擬電子的發展方向分析，整合原有的實驗項目．最后，應以智能機電產品為邏輯線索，找出相應的模擬電子技術應用實踐知識．

2.1 簡化原有的課程內容體系

2.1.1 信號放大電路 信號放大電路是模擬電子的核心內容．深刻理解放大電路是必須的，圍繞放大電路課程內容有單管放大電路、多級放大電路、功率放大電路、集成運放電路等．對于高職學生，掌握放大電路的概念實質，前期的理論知識鋪墊太多，講授和學習中往往花費很多的時間與精力，效果并不好，把這部分內容做一些簡化重整是適當的．例如：由于集成工藝的進步，MOSFET在模擬電子集成化中取代BJT逐漸成為主流，因此教學中應當重點講授此部分內容．但高職學生的數學和物理基礎知識的儲備很差，尤其是電磁學中電場知識概念了解不深，理解CMOS管及放大電路時普遍很困難．因此，教學中應以雙極型三極管來學習放大電路的概念、原理，建立交直流信號共存的微變信號放大的特點，再用類比的方式定性地學習CMOS管放大電路．在學完單管放大電路理論和實驗后，可將多級放大電路通過仿真的形式來學習，而功率放大電路可以在仿真和課外制作中學習．

直流穩壓電源在現有的電子產品設計中極為重要，其性能要求也越來越高．而有限的課時中幾乎不可能深入講解，與其蜻蜓點水式的講授，不如要求學生調查統計現有的電源產品，通過基本實驗驗證，再經仿真實訓的方式進行漸進式學習．由于直流穩壓電源這部分內容工程實踐性極強，也可以要求學生制作焊接一些簡單的直流電源直觀理解理論知識．

2.1.2 模擬電路的集成化 盡管模擬電子技術的發展遠不如數字電子技術那樣快，但是它從來沒有停止過，其重要表現就是集成電路的發展[6]． 集成運放是模擬電子技術集成化發展中的典型代表器件，在模擬電子領域應用的越來越廣泛，尤其對于微弱信號放大與檢測處理中有著非常普遍的應用．因此，將集成運放作為模擬電子教學的重點內容學習是必要的．例如：集成運放的內容可以通過理論講授、實驗驗證、仿真擴展多管齊下的方式深入地理解和學習，為后續實訓電路制作做好充足的準備．

2.2 課程改革中融入智能制造的概念

2.2.1 傳感器在工業制造中的廣泛應用從智能制造需求人才分析，未來需要大量的復合型人才，尤其是那些對于智能制造有深刻理解的技能型人才需求量將大大增加．機電產品操作人員不僅要有豐富的專業知識，同時還要具有熟練的動手操作能力和解決復雜問題的創新能力[7]．機器智能的實質是機器對于信息的感知、反饋、控制的能力，而要達到這些能力就必須給機器安裝大量的傳感器．作為傳感器信號檢測的前端電路，集成運放被大量的應用．例如：在智能吸塵器中有超聲波、紅外、溫度、光敏傳感器等數十種類型，每一種傳感器的信號都需要前端電路對信號放大與處理，這些電路都是需要模擬電路的知識，而現行的模擬電子技術課程內容中典型的傳感器信號檢測電路幾乎很少提及．因此，在模擬電子教學中將后續課程傳感器檢測與技術中的基本概念提前引入模擬電子課程教學中是必要的．

2.2.2 模擬信號檢測電路的集成化發展 從傳感器信號感知、檢測、處理、A/D轉換、控制、顯示信號的輸入到輸出完整過程，簡稱為信號鏈（見圖1）．信號鏈中最重要的電路是模擬前端信號檢測部分，這部分電路中，集成運放被廣泛應用，在模擬電子技術課程改革教學中應當加強．

圖1 信號鏈典型結構

SoC是芯片集成的一種發展方向，在電子產品設計制作實踐中也可以滲透進來．MCU是后續單片機課程的知識，這部分的基本概念也可以提前引入到模擬電子技術的課程教學中，這樣就形成了一條完整的信號鏈的圖像．讓學生在學習模擬電子基礎課的同時引入信號鏈的知識內容可以拓寬視野，激發學生的學習興趣，了解信號傳輸鏈的完整過程．

綜上分析，在高職機電一體化專業模擬電子教學中，以典型的智能機電產品為例，圍繞集成運放建立傳感器信號調理電路，并在基礎知識教學中體現模擬電路集成化的新方向是一條可行的邏輯線索．

3 新的課程結構設計與教學分析

改革后的課程內容劃分為理論知識、基本實驗、仿真與實訓、課外制作4個模塊（見表1）．

表1 改革后課程內容模塊結構與教學形式

3.1 基礎理論與實驗知識

第1，2個模塊為基礎理論知識和基本實驗，這部分可以采用理實一體的教學模式．理論學習中初步掌握晶體管基本概念、基本參數、基本放大電路和電路近似分析方法．基本實驗操作中對照元件型號，查閱二極管、三極管、集成運算放大器等元器件的數據手冊，了解元器件的封裝規范、主要特點、實際參數，再按照實驗要求學習基本儀器的使用方法與規范、數據的測量要求、實際電路中參數表現、實驗報告的撰寫等．理論講授和實驗操作可同步或交叉進行，這樣既可以比較理想元器件與實際元器件的差異，又能加深對元器件的理解．

3.2 仿真與實訓

第2個模塊是仿真與實訓，這部分可以采用理論講授、實驗驗證、仿真調試、電路制作多種方式混合教學的形式教學，這種靈活的形式可以適應不同基礎的學生學習理解電路．在模擬電子技術課程中采用虛擬實驗教學，可以降低學生學習的難度，拉近課程教學目標，提高課堂教學效率，激發學生的學習興趣[8]．整個過程按照一個電子產品的設計調試過程，調動了學生仿真與實訓中的積極性，從而提高學生分析問題、解決問題的能力[9]．按照選用的PT100測溫電路和2 kg稱重傳感器調理電路的要求，分解出若干子電路模塊．子電路分別為基準電壓電路、差分電路、濾波電路等．先仿真調試所有子電路模塊，再聯調完整的信號檢測電路．對電路中涉及的電路幅頻特性、有源濾波電路等較難的知識點，可以通過電路仿真定性直觀地了解學習．測溫和稱重電路2種傳感器分別是熱阻型和壓阻型，其模擬信號的檢測方法有一定的相似性，這種電路在智能機電產品中有著廣泛的應用，電路特征非常典型，電路結構也簡單，學生容易理解．因此，具有一定的代表性，教學中引入課程中是合理的．其調理電路通常采用惠斯通電橋和恒流源2種結構方式，學生容易理解，這一部分可采用仿真與實訓結合的方式進行．由于Multisim軟件中的元器件豐富，選擇靈活，軟件易用，可以作為仿真首選軟件[10]，它的應用拓展可結合慕課中電路仿真設計課程資源進一步學習．對于學習中碰到的疑難問題可以和任課教師通過QQ、微信等社交軟件溝通解決．這樣的處理不僅提高了學生自學的能力，又使學生拓寬了學習的途徑和方法．電路的制作可以先期制作模擬信號鏈部分，后續的D/A轉換、單片機控制與顯示部分教師可以提供相應的仿真電路或制作實物，這樣既可以降低制作難度，又可以激發學生的學習興趣．

3.3 課外焊接制作

第４個模塊是課外制作，學生可以在開放實驗室中利用課余時間，通過網絡資源自學音頻放大、直流電源的電路知識，經仿真調試后，再焊接制作電路，完成課外作品．為了督促學習效果，教師可在課程評價中對課外完成作品的學生給予適當的加分獎勵．對于有創新的學生作品，除鼓勵作品參加大學生挑戰杯，推薦學生參加全國電子設計大賽之外，對學生完成的優秀電路作品可在課程評價中直接評定為優秀，這樣就會進一步激發學生的學習熱情和潛力．

4 結語

以溫度/重量傳感器信號檢測調理電路為主線的課程改革思路，通過模擬信號鏈這一邏輯線索，圍繞傳感器調理電路的設計與制作，精簡了模擬電子技術課程理論知識體系，分散了知識重難點，使課程的指向性、應用性更加明確．并在原有的理實一體的基礎上融入了仿真與實訓和課外焊接制作這２個模塊，這樣的課程設計處理在保證知識體系完整的同時，豐富了教學學習方式，拓展了學生學習模式，改善了學習效果評價體系．課程內容中不僅加強了工程實踐內容，又提升了學生的學習興趣和熱情，使模擬電子技術的課程教學效果大為改觀．當然課程改革還有極大的提升空間，如何將電子技術、傳感器檢測、單片機３門課程融合在一起構建一個課程群，使學生更容易完整理解智能機電產品中的電器控制部分，從而獲得產品的開發調試、故障診斷和維修檢測等專業核心能力就是未來課程改革的方向之一．

[1] 賈寧，吳弋旻，彭斐．高職學生學習動機激發策略研究——以《模擬電子技術》課程為例[J]．職教論壇，2013（35）：34-36

[2] 葉朝輝，華成英，閻捷，等．模擬電子技術實踐能力創新的探索[J]．實驗技術與管理，2017（1）：29-32

[3] 劉冰，閆智勇，吳全全．職業教育課程開發模式的源流與趨勢[J]．中國職業技術教育，2018（33）：5-11

[4] 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎[M]．3版．北京：高等教育出版社，2001：1-9

[5] 蘇士美．模擬電子技術[M]．2版．北京：人民郵電出版社，2010：1-3，233-236，241-246

[6] 張林，鄧天平．“模擬電子技術”課程教學內容改革探討[J]．電氣電子教學學報，2015（2）：14-16，80

[7] 杜學文，邱茜茜，劉祥如，等．智能制造背景下職業技能銜接路徑研究[J]．成人教育，2019（2）：62-67

[8] 任英玉，王萍．李斌，等．“模擬電子技術”課程質量提升探討[J]．電氣電子教學學報，2016（2）：36-38

[9] 段福斌，朱建華．模擬電子技術實驗項目化教學改革[J]．實驗室研究與探索，2017（6）：223-226

[10] 付揚．基于Multisim技術的電子電路綜合設計改革[J]．實驗技術與管理，2017（4）：112-114，198

Reform of analog electronic technology course based on signal chain

XUE Yufeng

（School of Mechanical and Electrical Engineering，Longnan Teachers′ College，Chengxian County 742500，China）

It is based on the analysis of the teaching of analog electronic technology course for the major of mechatronics，based on the clue of analog signal chain，around the sensor conditioning circuit，the original curriculum theory knowledge system is simplified，and the contents of simulation and training circuit are increased．This not only strengthens the content of engineering practice，but also integrates the concept of intelligent manufacturing，which greatly improves the teaching effect．

intelligent manufacturing；analog electronics technology；sensor；signal chain

TN710∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.020

1007-9831（2020）04-0090-04

2019-10-29

2017年隴南師范高等專科學校教改項目（JXGG201718）

薛玉峰（1978-），男，甘肅禮縣人，講師，從事普通物理、電子技術的理論與實驗教學研究．E-mail：lnszxyf@163.com