實踐引導的“模擬電路”翻轉課程教學體系研究

沈諒平　汪寶元　劉春雷　盧仕

[摘 要] “模擬電路”課程是電子信息類專業的核心基礎課程之一，該課程既具有很強的理論性，也具有很強的實踐性。傳統的灌輸式教學嚴重影響了學生的積極性和主動性，因此，該文將翻轉課堂的教學模式引入“模擬電路”的課程教學中，進一步將電路仿真實踐和實驗實踐作為引導，以“器件單元電路多級電路集成電路簡單應用電路綜合應用電路”為知識主線，構建實踐引導的“模擬電路”講授和學習體系，開啟全新的“教”和“學”體驗。

[關鍵詞] 實踐引導;模擬電路;翻轉;教學體系

[作者簡介] 沈諒平（1976—），男，湖北恩施人，工學博士，湖北大學物理與電子科學學院教授，主要從事電子技術方面教學與研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）06-0125-04? ? [收稿日期] 2020-08-12

一、引言

模擬電路發展迅速、應用廣泛，“模擬電路”課程是電子信息類專業的一門專業核心基礎課，該課程具有理論深奧、實踐性強等特點，在構建學生電子技術基礎理論、基本技能和創新能力方面起著重要作用。然而，該課程概念抽象、理論知識點繁雜、單元電路繁多、涉及面廣，學生普遍難以理解，常常被學生稱為“魔鬼電路”。傳統的“模擬電路”課程教學中，往往采用以教師為中心的教學方式，主要采用“面對面+板書+多媒體+固定時間與地點”的教學模式，并且將實驗實踐學習與理論學習分開。這種教學模式只關注教師的“教”，忽略了學生的“學”，難以發揮學生的主體作用;課堂上只關注知識的講解，而忽視了學生分析問題、解決問題和動手實踐等能力的培養，不能充分發掘學生的創新潛能;教師和學生之間缺乏互動，不能很好地因材施教，忽視了學生的個性差異[1]。

近年來，翻轉課堂廣泛運用于國內外的各種教學活動中。在翻轉教學過程中，學生在課前利用教師分發的或者網絡獲取的數字化電子資源進行自主學習，課堂教學時教師與學生進行探究式互動，以學生為主體，以互動式學習為主線，改變了傳統課堂的教學理念。目前，針對“模擬電路”課程的翻轉教學在國外已經廣泛運用，如哈佛大學、麻省理工學院、賓夕法尼亞大學等在MOOC（慕課）網絡教學資源平臺上，構建了成熟的“模擬電路”課程翻轉教學體系。在國內，華中科技大學、電子科技大學和西安電子科技大學等大學都建立了完整的“模擬電路”慕課資源，但是在“模擬電路”課程的教學中運用翻轉教學模式才剛剛起步，如南京航空航天大學[2]、山西師范大學[3]等針對模擬電路的理論教學進行了翻轉教學課堂的初步探索，探索結果表明，翻轉課堂能夠充分激發學生的主觀能動性，有效地提高教學質量和學習效果。

基于此，本文將翻轉課堂的教學模式引入“模擬電路”的課程教學中，針對“模擬電路”課程實踐性強的特點，進一步將電路仿真實踐和實驗實踐作為引導，以“器件單元電路多級電路集成電路簡單應用電路綜合應用電路”為知識主線，構建實踐引導的“模擬電路”講授和學習體系，開啟全新的“教”和“學”體驗。

二、實踐引導的翻轉教學模式構建

如下圖所示為擬構建的實踐引導模擬電路課程翻轉教學體系。首先對模擬電路課程的主要內容進行知識重構，將器件、放大電路、集成放大電路、反饋放大電路等之間的聯系進行提煉，以“器件單元電路多級電路集成電路簡單應用電路綜合應用電路”為知識主線，將模擬電路的相關基本理論與實際器件和電路的性能參數測量分析聯系起來，理論聯系實際，并用實驗驗證理論。

在二極管（含普通二極管、穩壓二極管、發光二極管、光電二極管）、雙極性晶體管（含NPN型、PNP型硅管或鍺管）和場效應晶體管（含NJFET或PJFET、NMOSFET或PMOSFET結型，增強型或耗盡型）等單個器件的教學中，教師首先從理論上對各種器件在不同外部電場情況下的載流子輸運過程及其規律進行講解，然后實踐引導老師的“教”和學生的“學”，實驗過程中創建器件的外部電學條件使其工作在不同的狀態，主要從靜態的方法測試器件的工作參數，實驗引導學生掌握不同器件的工作原理及其外部電學條件。

在單極或多級放大教學電路中，主要從靜態和動態兩個方面研究放大電路的工作原理和特點。靜態分析時，改變電路中的各種參數調整電路的靜態工作點，在實踐過程中讓學生掌握合適的靜態工作設置和調整方法。動態分析時，讓學生掌握小信號放大的放大過程，能夠用定性分析放大電路的放大倍數、輸入輸出電阻和工作頻帶等，并通過測試分析了解共射極、共集電極和共基極等三種放大電路的特點。在此基礎上，引導學生利用雙口網絡函數的方法，將小信號微變模型引入放大電路的定量理論計算中，并利用微變等效模型計算各種組態放大電路的動態性能，特別是重點討論靜態和動態的交接參數，讓學生深刻理解靜態工作點設置的重要性。

在集成放大器的教學中，首先教師從理論上引導學生掌握理想放大器對放大電路的輸入輸出電阻、放大倍數、工作帶寬、帶負載能力和穩定性等方面的要求，進一步聯系各種組態放大電路的優缺點，從穩定性和共模抑制比出發引入差分放大電路，并從實驗和理論的方法研究差分放大電路放大差模信號和抑制共模信號的重要特點。為了進一步提高共模抑制比，引入電流源，研究電流源在放大電路中的作用。然后從帶負載能力出發，引入推拉式功率放大電路，引導學生從理論上計算功率放大電路的帶負載能力，利用實驗研究在波形不失真情況下的最大帶負載能力，并總結甲類、乙類和甲乙類等各種功率放大電路的特點和效率。在此基礎上，從靜態和動態兩個方面測試集成放大電路的綜合性能，并把理論分析、計算和測試進行融合，讓學生充分掌握集成放大電路工作原理的基礎上，了解其設計和運用方法，并掌握集成放大電路關鍵參數衡量方法和影響因素。

在反饋放大電路的教學中，首先引導學生對反饋、正反饋和負反饋等基本概念的了解，然后在閉環負反饋放大電路的教學中，分別測試開環和閉環電路的放大倍數、輸入輸出電阻和工作的上限和下限截止頻率等，從實驗中總結閉環負反饋對放大電路各種參數的影響，并進一步將實驗測試和估算聯系起來，分析閉環負反饋對放大電路性能的影響機制，從而讓學生掌握四種組態負反饋放大電路的特點。在此基礎上，對穩定電壓源和電流源設計必須建立在電壓和電流負反饋基礎上進入直流穩壓電壓，利用實驗研究直流穩壓電壓的降壓、整流、濾波和穩壓的四個過程，特別是分析線性穩壓電壓和開關穩壓電壓的電壓調節原理。在正反饋電路的教學中，首先從理論上引導正弦波振蕩器、比較器和波形發生器等電路中正反饋的作用，然后利用實驗驗證，正反饋電路中能夠引起周期性自激振蕩的原理。

總之，本文的宗旨就是構建從簡單到復雜、由淺入深的教學體系，實踐引導理論知識的學習體系，不僅可以加強學生對基本知識和基本理論的理解，還可以提高學生的實踐動手能力，為學生綜合電子線路等后續課程的學習打下良好的理論和實踐基礎。

三、實踐引導的翻轉課堂教學設計

模擬電路課程具有知識點多、理論復雜、實踐性強等特點。課程內容中涉及的器件和電路都存在相對應的實際器件或電路，實踐器件或電路的工作特性往往也能夠解釋課程涉及的相關理論。針對模擬電路課程課的翻轉課堂不可簡單借鑒現有翻轉課堂的教學經驗，基于此，本文構建了實踐引導的翻轉課堂，這種采用實踐引導理論學習，怎樣組織教學就顯得尤為關鍵，因此構建了如圖2所示的課程教學設計。

（一）課前學習設計

在普通課堂教學中，老師是教學過程的主角，教師課前需要花費大量的時間認真準備教學講義和課件等，而對學生而言課前一般沒有硬性的要求。翻轉課堂不同于傳統教學模式的重要區別之一就是完全轉換了教師和學生的角色，變被動接受學習為主動探索學習，課前不僅是老師需要備課，還需要學生的主動參與，學生需要根據老師的課前設計進行有針對性的學習。因此，將翻轉課堂引入模擬電路課程的教學中，翻轉課堂首先要求教師對整個課程的組織形式、組織過程進行精心地設計，課前的學習設計好壞也會直接影響課程的教學進程和教學效果。

在實踐引導的模擬電路課程翻轉教學中，教師在課前做好教學設計，包括學習目標、學習任務、學習內容、學習重難點等。學生根據老師提出的學習目標和任務，利用課程輔助網絡資源自我學習，并針對課程中的重點和難點通過網絡與老師或者同學互動討論，并在此基礎上對課堂上需要開展的實驗進行初步仿真，并將課前學習情況進行整理，做好互動課堂的準備。特別是為了充分發揮模擬電路同時具有實踐性強的特點，學生課前需要對相關的實驗仿真軟件進行自我學習和熟練操作，需要掌握實驗的實驗內容和實驗目的。

（二）翻轉課堂設計

在實踐引導的模擬電路課程翻轉教學中，老師需要根據學生的學習活動進行自我角色轉換，課堂上全程灌輸式的枯燥教學已經被摒棄，翻轉課堂的教學設計需要充分激發學生的主觀能動性，學生在課堂上主動參與、主動探索。因此，翻轉課堂的設計是整個翻轉教學的關鍵。

為了提高實踐引導的模擬電路課學翻轉課堂的“教”和“學”效率，需要對翻轉課堂進行精心設計，針對不同章節、不同內容和不同學習階段進行針對性地設計。需要重點設計好學習任務目錄，準備好啟發性學習的學習資源，設計好以學生為主體的課堂學習形式，特別是要設計好實驗實踐引導理論學習的循序漸進模式，將老師串講、學生課前學習情況匯報、學生動手實驗和交流討論等貫穿始終。特別是實踐引導課程學習引入課堂教學后，教師的理論講解時間會大大地壓縮，學生的實驗操作、數據分析以及結果的討論需要花費較多的時間。但是，模擬電路課程的理論性比較強，沒有老師的引導和講解學生對實驗目的和實驗數據往往也會一知半解。總之，所有教學活動的目的都是為了提高學生的學習效果，那么不管是老師的講解和學生的自我探索學習，都不能降低學生對理論知識的學習要求，甚至是需要提出更高的要求。因此，實踐引導的模擬電路課程教學主要采用了從理論出發（理論串講仿真實驗討論理論總結），最后要回歸理論的閉環教學主線，達到時刻不讓學生對理論知識學習產生輕視的目的。

（三）課后學習設計

傳統課堂在課后學生主要是完成老師布置的作業，教師對作業進行批改并在后續課堂上進行有針對性地講解。這種單一的開環師生交流模式存在兩個問題：一是學生對知識的掌握程度是無法確定的。首先，學生是不是獨立完成作業是沒有辦法確定的，特別是在信息技術和互聯網高速發展的今天，學生通過信息技術抄襲他人的作業或者借助互聯網不假思索的照搬，這些情況都時有發生。其次，學生在老師把作業中存在的問題進行講解之后，是否對相應知識點的內容進行針對性地鞏固也是未知的。二是，教師的教學效果也是無法確定的。教師教學效果的最直接最有效的評價方法就是學生的學習效果，因為學生的學習效果不能實時跟蹤，所以教師的教學往往采用一成不變的教學方式，這樣會嚴重影響了教師的“教”和學生的“學”。

模擬電路翻轉教學課后提交課堂實驗測試分析報告、作業并進行交流互動以及探究性實驗等。其中，重點是根據學生的實踐測試分析報告和線上線下作業完成情況，了解學生對相關理論和知識的掌握程度。實踐引導的突出特點是每個學生的實驗數據往往是有差異的，這種差異性會使得不同的學生進行不同的分析，老師也會從這些差異性的分析中了解學生的學習狀態，并與不同學生進行不同的課后互動討論，形成“教”和“學”的閉環，從而可以實時掌握學生的學習狀態，反過來促進教師的課前學習設計和課堂學習設計的優化，并有效促進課程的教學質量。

總之，實踐引導的翻轉課堂不僅可以充分發揮學生的學習主觀能動性，還可以理論聯系實際，強化學生的基本知識和基本理論學習的同時，也提高了學生的實踐能力。

四、結論及展望

“模擬電路”課程是電類專業最重要的技術基礎課程之一，它對專業課程起著承前啟后的重要作用。通過對課程中常用器件、單元模擬電路和綜合模擬電路的分析和實踐的學習，學生可以獲得模擬電子技術方面的基本知識、基本理論和基本技能，為深入學習電子線路相關課程打下基礎。本課程是集難教、難學、難懂于一體而又是一門非常重要的專業基礎課程，學生對模擬電子技術課程的掌握情況直接關系到后續專業課程的學習。因此，本文研究的基于實踐引導的翻轉教學體系將理論課和實驗課進行整合，構建了實踐引導理論的教學體系，并與基于移動“互聯網+”的翻轉云課堂這種現代教育技術結合起來，從而從根本上改變了學生的被動學習、依賴性學習等不良習慣。

參考文獻

[1]曹燕燕，張克輝，賈巨才，等.“模擬電路”課程翻轉課堂教學模式探索與實踐[J].中國教育信息化，2018（02）：45-47.

[2]胡志忠，王成華.“現代電子技術A（2）”課程改革探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2015，37（1）：32-34.

[3]張清泉，張亞喬，曳永芳.基于“翻轉課堂”模式的模擬電路課程教學實踐研究[J].科技視界，2018，33（3）：53-54，136.

Abstract： The course of Analog Circuit is one of the core basic courses of electronic information majors， which is both theoretical and practical. The traditional teacher-centered teaching model has seriously affected the students' enthusiasm and initiative. Therefore， a flipped teaching model is introduced into the teaching of Analog Circuit， which is guided by the practice of circuit simulation and experiment and based on a knowledge mainline of single device， multiple amplifier， Integrated Circuit（IC） and complicated analog circuit. This study aims to build a practical teaching and learning system of Analog Circuit， and provides a new experience for both teaching and learning.

Key words：guided by practice; Analog Circuit; flipped; teaching system