基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出導(dǎo)向的模擬電子技術(shù)教學(xué)創(chuàng)新

張 寧 王 君 張衛(wèi)華 仇 磊 丁學(xué)鳳

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州 畢節(jié) 551700；2.七星關(guān)區(qū)思源實(shí)驗(yàn)學(xué)校,貴州 畢節(jié) 551700）

1 產(chǎn)出導(dǎo)向的教育理念

基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式（Outcomes-based Education，縮寫為OBE）最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革，由美國學(xué)者Spady提出，并在《基于產(chǎn)出的教育模式：爭議與答案》一書中對其進(jìn)行了深入研究。此模式在美國、英國等發(fā)達(dá)國家的教育教學(xué)改革中起到了重大的作用。產(chǎn)出導(dǎo)向教育強(qiáng)調(diào)教育教學(xué)充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，更重視學(xué)生接受學(xué)習(xí)知識和技能后取得的學(xué)習(xí)成果[1]。產(chǎn)出導(dǎo)向的教育模式是以學(xué)生的學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向的教育理念，倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生獨(dú)立思考、創(chuàng)新、實(shí)踐等能力的培養(yǎng)，體現(xiàn)了學(xué)生個性化的培養(yǎng)，是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念之一[2]。

2 傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)教學(xué)中存在的問題

模擬電子技術(shù)是電子、通信、電氣自動化及機(jī)電一體化技術(shù)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是一門理論性強(qiáng)，并與實(shí)踐緊密結(jié)合的應(yīng)用型工程技術(shù)課程。通過課程教學(xué)，使學(xué)生具備常用半導(dǎo)體器件、電子電路、系統(tǒng)的分析能力；要求學(xué)生掌握基本放大電路、負(fù)反饋放大電路、集成運(yùn)放應(yīng)用等低頻電子線路的組成、工作原理、性能特點(diǎn)、基本分析方法和工程計算方法，使學(xué)生具有一定的實(shí)踐技能和應(yīng)用能力；培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為后續(xù)課程和深入學(xué)習(xí)電子電路設(shè)計領(lǐng)域的內(nèi)容打好基礎(chǔ)；同時也使學(xué)生了解電子技術(shù)的發(fā)展概況，理解近年來的新器件、新技術(shù)、新方法等[3-4]。

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)4.0的實(shí)踐等產(chǎn)業(yè)革命及經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，為高等教育模擬電子技術(shù)教學(xué)改革及課程建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)。要求學(xué)生具有應(yīng)用更新快、理論抽象、分析建模過程復(fù)雜、電路形式多樣等特點(diǎn)。加之傳統(tǒng)教學(xué)定位強(qiáng)調(diào)理論學(xué)習(xí)的完備性，而忽略了學(xué)生工程實(shí)踐性的培養(yǎng)，因此造成了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生課程枯燥無味、無明顯目的性等困惑。

3 開關(guān)電源技術(shù)教育探索

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電源成為人們生活必不可少的一部分，在日常生活中隨處可見電源的身影，可以說一切的電子設(shè)備都離不開電源技術(shù)的支持。迄今為止電源制造業(yè)已經(jīng)成為很重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，并得到了廣泛應(yīng)用，目前的發(fā)展趨勢是繼續(xù)朝著高效、高頻、高可靠性、低壓、大電流化以及多元化發(fā)展[5]。電源產(chǎn)品主要分為線性電源和開關(guān)電源兩種。線性電源與開關(guān)電源相比具有體積大、效率低等缺點(diǎn)，因此開關(guān)電源的研制成了電源研發(fā)的主流。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。因此從事開關(guān)電源學(xué)習(xí)和研究的高校師生及從事開關(guān)電源設(shè)計研發(fā)的工程技術(shù)人員，都迫切需要理論性、實(shí)用性強(qiáng)的電力電子基礎(chǔ)知識作為支撐。如能將模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)與開關(guān)電源技術(shù)理論進(jìn)行融合，將大大提升模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)的主觀性與活力，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的過程中更加理解開關(guān)電源這門技術(shù)科學(xué)。

4 模擬電子技術(shù)教學(xué)設(shè)計

模擬電子技術(shù)課程改革的核心在于將模擬電子技術(shù)基本理論、分析方法應(yīng)用于開關(guān)電源技術(shù)實(shí)踐當(dāng)中，打破以教師為中心的傳統(tǒng)教育模式，以開關(guān)電源技術(shù)學(xué)習(xí)成果輸出為導(dǎo)向，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐探索的熱情[6]。根據(jù)產(chǎn)出導(dǎo)向的教學(xué)理念，可將模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容分為半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識、分立元件、集成電路及實(shí)用電路4大模塊，各模塊再進(jìn)行詳細(xì)的內(nèi)容拆解，并在學(xué)習(xí)的過程中結(jié)合開關(guān)電源技術(shù)需要應(yīng)用的模擬電子技術(shù)基本理論、方法，有的放矢地進(jìn)行學(xué)習(xí)和知識補(bǔ)充。詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計流程

5 模擬電子技術(shù)教學(xué)與開關(guān)電源技術(shù)的融合

為了使模擬電子技術(shù)與開關(guān)電源技術(shù)實(shí)現(xiàn)融合，本文通過以下例子作為參考，從一個具體的開關(guān)電源設(shè)計開始，結(jié)合開關(guān)電源技術(shù)與模擬電子技術(shù)的知識體系融合，最終將理論產(chǎn)品化。

5.1 技術(shù)要求

某系統(tǒng)總體提供1路1.5 kW的（100±10 ）V直流電壓到載荷的配電單元，再由載荷配電單元給自己設(shè)備和儲能電池供電。系統(tǒng)供電設(shè)備供給為DC+5 V、+12 V。供電電路要求見圖2。

圖2 技術(shù)要求供電圖

載荷工作模式：100 V供電母線給儲能電池充好電后，控制設(shè)備及系統(tǒng)供電設(shè)備開始工作；儲能電池充電時，控制設(shè)備不工作，系統(tǒng)供電設(shè)備部分工作。根據(jù)該工作模式，載荷供電電路如圖3所示。

圖3 電路原理框圖

5.2 電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

5.2.1 開關(guān)實(shí)現(xiàn)

圖3中開關(guān)1、2通過磁保持繼電器控制電路實(shí)現(xiàn)，具體應(yīng)用了模擬電子技術(shù)中二極管的鉗位原理實(shí)現(xiàn)。原理為：OC信號低電平有效，當(dāng)給繼電器一個脈沖信號時，線圈中流過電流產(chǎn)生電磁效應(yīng)，繼電器銜鐵在電磁效應(yīng)的影響下克服彈簧的拉力吸向磁鐵，此時繼電器動作；當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力隨之消失，由于彈簧的反作用力會使得銜鐵回復(fù)到最初位置。磁保持繼電器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其應(yīng)用電路如圖5所示。

圖4 磁保持繼電器的結(jié)構(gòu)圖

圖5 繼電器應(yīng)用電路圖

5.2.2 開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的開關(guān)電源技術(shù)需要掌握電路主功率拓?fù)洹⑤斎攵搪繁Ｗo(hù)、輸入浪涌抑制、EMI濾波電路、輸出整流、輸出濾波、穩(wěn)壓電路、控制電路、過壓過流保護(hù)電路、反饋電路網(wǎng)絡(luò)等，涉及的電子電路知識領(lǐng)域較廣，其常見電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。在學(xué)習(xí)過程中，可對開關(guān)電源各基本模塊進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)，開關(guān)電源各模塊中不明白的理論可通過模擬電子技術(shù)的基本理論來尋找答案。

圖6 開關(guān)電源常見電路結(jié)構(gòu)框圖

以PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制電路為例。控制電路的主要功能是接收信號、處理信號及反饋信號，可通過控制導(dǎo)通時間調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定，所以控制電路的設(shè)計至關(guān)重要[7]。PWM控制電路通過控制改變占空比進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源輸出電壓的穩(wěn)定。可選擇集成電路控制方式，選擇控制集成電路也就是控制芯片，選擇的依據(jù)主要有工作電壓范圍、工作頻率范圍、輸出基準(zhǔn)電壓和電流、內(nèi)部功耗等。以UC3525PWM控制芯片為例，控制電路邏輯流程如圖7所示，控制邏輯思想如下：誤差放大器的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓，反向輸入端接反饋電路，通過采樣電阻獲得采樣電壓；兩者在誤差放大器內(nèi)，經(jīng)過運(yùn)算輸出誤差電壓，然后把誤差信號給到比較器的反向輸入端；振蕩器外接電容電阻和死區(qū)電阻產(chǎn)生時鐘脈沖和鋸齒波，鋸齒波與誤差電壓在比較器中比較，從而產(chǎn)生PWM信號，而時鐘脈沖與PWM信號同時送到兩個或非門電路中進(jìn)行運(yùn)算；當(dāng)兩個輸入都為低電平時，輸出為高電平，當(dāng)只有一個輸入為高電平時，輸出為低電平；如果輸出為“低”，此時開關(guān)斷開從而實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)，如果輸出為“高”，輸出端會產(chǎn)生一個相位差180 °的PWM矩形波；PWM矩形波能驅(qū)動開關(guān)電源的開關(guān)器件，通過調(diào)制PWM矩形波脈沖的寬度調(diào)整能量的傳遞與關(guān)閉，最終實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

圖7 控制電路邏輯流程圖

6 結(jié)語

本文基于模擬電子技術(shù)教學(xué)中的枯燥、復(fù)雜等考慮，結(jié)合開關(guān)電源技術(shù)，深入剖析模擬電子技術(shù)在開關(guān)電源技術(shù)中的融合。針對開關(guān)電源技術(shù)中出現(xiàn)的新技術(shù)、新電路、新器件、新方法，可一一進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)指導(dǎo)，使得學(xué)生在掌握開關(guān)電源技術(shù)的同時更好地理解和掌握模擬電子技術(shù)的相關(guān)理論知識體系，使兩者達(dá)到深層次的技術(shù)融合，讓學(xué)生學(xué)習(xí)的產(chǎn)出導(dǎo)向結(jié)果更為明確。