新工科背景下重塑電子技術(shù)教學(xué)體系實(shí)踐研究

丁國強(qiáng)，王延峰，周衛(wèi)東

摘? 要：面向新工科高素質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，在電子技術(shù)教學(xué)中切實(shí)踐行 “教育強(qiáng)國”理念，通過對電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容組織、教學(xué)主線與關(guān)鍵點(diǎn)梳理、教學(xué)運(yùn)行實(shí)踐等方面研究，提出了電子技術(shù)教育教學(xué)重塑觀點(diǎn)，經(jīng)由電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容重塑性分析，提出電子技術(shù)以電子器件為基礎(chǔ)，以反饋分析法貫穿電子電路教學(xué)思路，以技術(shù)創(chuàng)新為引導(dǎo)，注重電子電路近似化模型教學(xué)，電子技術(shù)數(shù)學(xué)建模思維培養(yǎng)的教學(xué)理念和教學(xué)思路。經(jīng)由電子技術(shù)課程組近幾年的教學(xué)實(shí)踐與總結(jié)，文章提出的創(chuàng)新性教學(xué)理念與教學(xué)設(shè)計(jì)是有成效的，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：電子技術(shù);教育教學(xué);創(chuàng)新性重塑教學(xué);近似化數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì);數(shù)學(xué)思維教學(xué)

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）30-0098-04

Abstract： To meet the requirements of training high-quality professionals in new engineering， the? study practices the idea of "Powerful Educational Country" in the teaching of Electronic Technology Course， and through the organization of electronic technology teaching content， the main line and key points of teaching， teaching practice and other aspects of research， it puts forward the viewpoint of teaching remodeling of the electronic technology education. Reshaping analysis of teaching content for electronic technology course， it puts forward the teaching thoughts in which electronic technology is based on electronic device， feedback analysis is used to run through the teaching ideas of electronic circuits， guided by technological innovation is used to the instruction， the approximate model teaching of electronic circuits is strengthened and the mathematical modeling thinking of electronic technology is cultivated. With teaching practice and summary of electronic technology course group in recent years， the innovative teaching concept and teaching design put forward in this paper are effective and achieve good teaching results.

Keywords： electronic technique; education and teaching;innovative reshaping teaching; approximate mathematical model designing; thinking teaching of engineering mathematics

習(xí)近平總書記在全國教育大會上進(jìn)一步提出“加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國”的新要求，“教育強(qiáng)國”論述是習(xí)近平總書記新時代教育新理念新思想新觀點(diǎn)的重要內(nèi)容，是新時代建設(shè)教育強(qiáng)國的行動指南。當(dāng)今世界強(qiáng)國在其發(fā)展過程中都十分重視發(fā)展教育，教育為其經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、確立和維持強(qiáng)國地位等方面都發(fā)揮著巨大作用。當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入“新常態(tài)”模式，正從規(guī)模速度型粗放增長轉(zhuǎn)向質(zhì)量效率型集約增長，增長動力從要素驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新驅(qū)動，在此新形勢下國內(nèi)一大批高校相繼提出應(yīng)用型人才培養(yǎng)任務(wù)，為社會經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展提供強(qiáng)大的人才與智力支持。

應(yīng)用型人才培養(yǎng)本質(zhì)在于培養(yǎng)的人才具有扎實(shí)專業(yè)基礎(chǔ)知識，良好工程素養(yǎng)以及較強(qiáng)的實(shí)踐動手能力，能夠系統(tǒng)性運(yùn)用專業(yè)知識解決工程實(shí)踐中的實(shí)際問題。高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)過程是一個系統(tǒng)性工程，涵蓋培養(yǎng)目標(biāo)和人才標(biāo)準(zhǔn)的確定，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的整個教學(xué)體系以及與之匹配的管理和評估機(jī)制等多個環(huán)節(jié)，其中課程作為人才素質(zhì)培養(yǎng)和專業(yè)能力教育的中心環(huán)節(jié)，在塑造人才特質(zhì)過程中具有不可替代的基礎(chǔ)性作用。鑒于此，在電子技術(shù)教學(xué)過程中，以高素質(zhì)應(yīng)用型人才特質(zhì)和能力要求為導(dǎo)向深化課程改革，對于高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)具有重要意義。

電子技術(shù)是電子信息、通信、機(jī)械電氣、計(jì)算機(jī)等理工類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，包括模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)兩大部分，學(xué)習(xí)常用半導(dǎo)體器件和集成芯片或者模塊的組成結(jié)構(gòu)、基本原理和電氣特性，以此為基礎(chǔ)著重闡述半導(dǎo)體器件及其集成模塊器件構(gòu)建的電子電路基本組成、工作原理和分析方法，從而形成復(fù)雜電子電路系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的計(jì)算方法體系。該課程要求學(xué)生在掌握高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路分析等基礎(chǔ)課程知識基礎(chǔ)上，進(jìn)一步系統(tǒng)性地學(xué)習(xí)電子電路技術(shù)、非線性分析方法和實(shí)踐應(yīng)用技能，最終形成適應(yīng)信息時代電子技術(shù)發(fā)展要求的電子電路分析、計(jì)算、仿真與設(shè)計(jì)能力，為深入學(xué)習(xí)后續(xù)課程和從事專業(yè)相關(guān)技術(shù)工作奠定基礎(chǔ)。因此電子技術(shù)課程在眾多理工科專業(yè)課程體系中扮演著承前啟后的角色，同時還是一門重要的專業(yè)技術(shù)崗位能力課程，在構(gòu)建電子信息領(lǐng)域應(yīng)用型人才工程素養(yǎng)和綜合能力方面起著至關(guān)重要的作用。

本文基于電類、機(jī)械類專業(yè)工程認(rèn)證和新工科人才培養(yǎng)需要，從電子技術(shù)課程的教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，以高素質(zhì)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，根據(jù)深入理解對復(fù)雜工程問題的把握，符合具備解決復(fù)雜工程問題設(shè)計(jì)和創(chuàng)新綜合解決方案的能力要求，系統(tǒng)梳理和分析電子技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容組織及教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)環(huán)節(jié)所做的重塑化創(chuàng)新改革措施，從而在有限教學(xué)時間內(nèi)優(yōu)化電子技術(shù)課程內(nèi)核，強(qiáng)化滲透工程培養(yǎng)的目的。

一、電子技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)分析

電子技術(shù)課程是以半導(dǎo)體器件、放大電路、非線性電路分析方法和應(yīng)用電路的脈絡(luò)主線組織起來的，其主要內(nèi)容包括PN結(jié)、二極管、三極管和場效應(yīng)管及其放大電路、集成運(yùn)算放大器、差分放大電路、功率放大電路、負(fù)反饋放大電路、信號發(fā)生電路，以及信號運(yùn)算和信號整形電路、直流穩(wěn)壓電源電路等基本內(nèi)容，其中二極管、三極管和集成運(yùn)算放大器可歸類為半導(dǎo)體器件部分，三極管和場效應(yīng)管組成的基本放大電路和差分放大電路及功率放大電路可歸類為放大電路部分，RC正弦振蕩電路、LC正弦振蕩電路以及石英晶體振蕩電路歸類為信號發(fā)生器電路，三角波和方波發(fā)生器電路可都是由正弦振蕩電路經(jīng)由RC積分電路和比較器電路整形獲得的信號波形整形電路結(jié)構(gòu)，直流穩(wěn)壓電源電路作為電子裝置的直流供電模塊呈現(xiàn)出來，從非線性電路分析方法角度來看，波形發(fā)生和整形電路可看作是基于反饋分析法的基本放大電路應(yīng)用部分。而直流穩(wěn)壓電路電路的部分是基于反饋分析法的基本放大電路的功能應(yīng)用電路[8]。

從電子技術(shù)革新發(fā)展的角度看，電子技術(shù)課程體現(xiàn)著電子電氣理論與技術(shù)螺旋式的發(fā)展路徑，始終遵循著技術(shù)需求與任務(wù)設(shè)計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)電路，實(shí)際功能需求擴(kuò)展與電路改進(jìn)和完善策略，提出新的電路設(shè)計(jì)思路滿足當(dāng)下電子技術(shù)發(fā)展需求。如分壓偏置共射放大組態(tài)電路，其提出的目的是解決分布式三極管放大電路中存在的靜態(tài)工作點(diǎn)會隨溫度變化而發(fā)生偏移的現(xiàn)象實(shí)施的改進(jìn)電路策略。另外，為克服多級放大電路中的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，提出在多級放大電路的輸入級電路采取差分放大電路組態(tài)，從而引入新的差分電路形態(tài)及其設(shè)計(jì)和分析技術(shù)。還有串聯(lián)型穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)和分析，其來源于簡單的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，但其存在帶負(fù)載能力弱、輸出電壓不可調(diào)等問題，那么利用三極管或者場效應(yīng)管的調(diào)整作用，以及負(fù)反饋放大器組件，將其修改設(shè)計(jì)為具有調(diào)整元件、負(fù)反饋放大比較環(huán)節(jié)、取樣環(huán)節(jié)和基準(zhǔn)源等四個組成部分的新型串聯(lián)型穩(wěn)壓電源模塊，從而進(jìn)一步擴(kuò)展穩(wěn)壓電源功能和用途。集成運(yùn)算放大器模塊本質(zhì)上是由差動輸入級、中間電壓放大級、輸出級以及偏置電路等四個部分組成的，其輸出級采用推挽式OTL或者OCL電路組成，在降低管子功耗時交流動態(tài)信號完整輸出。原理講解過程中突出電子技術(shù)疊加改進(jìn)措施，依據(jù)提高放大管效率、減小交流信號失真和管子保護(hù)等思路對功率放大電路進(jìn)行講解，從而使學(xué)生深入理解電子技術(shù)革新的思路和解決措施。

電子技術(shù)課程是在電路理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，靈活運(yùn)用電源等效原理和KCL、KVL定律解決復(fù)雜電子電路的設(shè)計(jì)與分析，構(gòu)建復(fù)雜電子電路設(shè)計(jì)與分析的工程解決方法，同時引入電子技術(shù)新的分析理論與方法，這就是電子技術(shù)學(xué)習(xí)的負(fù)反饋分析法。在電子技術(shù)學(xué)習(xí)中處處體現(xiàn)出反饋分析思維方法，如集成運(yùn)算放大器電路組成，比例運(yùn)算電路、差動運(yùn)算電路、積分微分運(yùn)算電路等都是采用負(fù)反饋方法設(shè)計(jì)出來的典型電路;集成運(yùn)放器的理想化模型中的“虛短虛斷”概念本質(zhì)上是由深度負(fù)反饋方法推導(dǎo)出來的;分壓偏置放大電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)也是運(yùn)用了負(fù)反饋方法，正弦震蕩電路設(shè)計(jì)與分析中相位平衡法也是負(fù)反饋方法應(yīng)用，直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中比較放大環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中也用到了負(fù)反饋放大器?？梢钥吹皆陔娮蛹夹g(shù)課程教學(xué)中，反饋分析法是電子技術(shù)課程內(nèi)容教學(xué)的核心分析方法，因此對反饋分析理論方法教學(xué)要充分結(jié)合電子電路實(shí)例，把眾多反饋概念融入到電子電路教學(xué)的眾多組成部分中去，強(qiáng)調(diào)出反饋分析法的重要作用。

二、電子技術(shù)課程創(chuàng)新性重塑教學(xué)研究

（一）電子技術(shù)課程中線性近似模型分析方法

電子技術(shù)是在學(xué)生充分掌握高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理以及電路理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)電類專業(yè)課程的關(guān)鍵基礎(chǔ)性課程。首先它要求學(xué)生能夠熟練應(yīng)用電學(xué)定律、定理和基本概念并將其運(yùn)用到復(fù)雜電子電路系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)中，達(dá)到面向復(fù)雜電路問題能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識，思考問題解決思路和設(shè)計(jì)解決措施的創(chuàng)新性素質(zhì)能力培養(yǎng)的目的，這其中包括復(fù)雜電子電路問題的理論驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，而其中最重要的教學(xué)建模思維就是電子電路的線性化近似模型分析能力。電子電路分析教學(xué)內(nèi)容中面向的對象是由三極管、場效應(yīng)管及集成運(yùn)算放大器組成的非線性放大電路，那么教會學(xué)生掌握非線性電路的線性化近似分析方法已成為學(xué)習(xí)本門課程的基礎(chǔ)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，非線性電路線性化模型是課程分析方法的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，本門課程電子電路線性化近似電路模型如圖1所示，根據(jù)放大電路分析技術(shù)指標(biāo)，可分為電壓放大電路模型、電流放大電路和互導(dǎo)放大與互阻放大電路模型等，任何復(fù)雜非線性電路都可以歸結(jié)到這幾類放大電路模型中去。

同樣，在放大器件學(xué)習(xí)中非線性器件的線性化近似模型分析也是很重要的，如根據(jù)二極管伏安特性方程及其伏安曲線可逐步線性化近似為理想開關(guān)模型、恒壓源模型、電壓源模型以及小信號近似模型等，非線性的三極管和場效應(yīng)管可等效為H參數(shù)模型及理想集成運(yùn)放模型等，構(gòu)成本門課程器件學(xué)習(xí)與應(yīng)用的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。并且對于部分電路模型的簡化為電壓源或者電流源分析思路也是電子電路問題分析的重要思路方法，如圖1所示的電子電路模型，在放大電路部分看其前面部分電路，可簡化為一個電壓源或者電流源的信號源模型，其后面部分電路可看作是一個負(fù)載阻抗模型，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路的簡化建模與分析計(jì)算。理想集成運(yùn)算放大器的理想化指標(biāo)由來，在于深度負(fù)反饋基礎(chǔ)上總結(jié)出的“虛短、虛斷”概念基礎(chǔ)上無限大與無限小的推廣關(guān)系。

（二）電子技術(shù)課程中數(shù)學(xué)建模思維教學(xué)

數(shù)學(xué)建模思想是電類專業(yè)人才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)素養(yǎng)教育的重要組成部分，在于培養(yǎng)學(xué)生對于繁雜問題的簡單數(shù)學(xué)描述與計(jì)算解決思路的工程化數(shù)學(xué)思維培養(yǎng)。所謂電子電路數(shù)學(xué)模型是指對于復(fù)雜電路對象，利用電路定律定理，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，利用數(shù)學(xué)語言表述出來的一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到一種對于電子電路數(shù)學(xué)模式的研究與設(shè)計(jì)目的，最終引導(dǎo)學(xué)生把理論知識轉(zhuǎn)化為電子技術(shù)研究與設(shè)計(jì)能力，包括學(xué)生對于電子電路的軟件分析與模擬計(jì)算、電子電路設(shè)計(jì)研究能力。在電子電路理論教學(xué)和實(shí)踐操作過程中，高等數(shù)學(xué)和矩陣分析等數(shù)學(xué)思維方法浸透在整個課程的教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)過程，其主要表現(xiàn)在基于電路基本的KCL和KVL定律、戴維南或者若頓等效定理和全電路歐姆定律公式，利用數(shù)學(xué)思維方法構(gòu)建復(fù)雜電路的數(shù)學(xué)模型方程開展電路參數(shù)計(jì)算求解過程;通過基本電子電路分析，找出電子電路存在的問題，利用數(shù)學(xué)思維工具獲取問題的解決思路和方法，從而構(gòu)建學(xué)生的創(chuàng)新性數(shù)學(xué)思維訓(xùn)練。如多級放大電路提高電路放大增益，但其存在的零漂問題需采取差分放大電路組態(tài)的解決思路。復(fù)雜運(yùn)算電路的分析與設(shè)計(jì)問題，需要在集成運(yùn)算理想化模型基礎(chǔ)上利用KCL和KVL定律列寫出數(shù)學(xué)方程組，利用矩陣分析技術(shù)計(jì)算電路輸入/輸出關(guān)系式。功率放大電路中采用推挽式互補(bǔ)對稱的OTL和OCL電路結(jié)構(gòu)，其工作原理與機(jī)制分析、電路效率分析等，都涉及數(shù)學(xué)建模思維方法。

三、電子技術(shù)新工科教學(xué)的創(chuàng)新性實(shí)踐

常規(guī)電子技術(shù)教學(xué)注重電子器件及其組成電路的教學(xué)過程，但是面向新工科培養(yǎng)目標(biāo)，這種教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)組織方式存在嚴(yán)重缺陷。電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容本質(zhì)上是以元器件組成的放大電路及其應(yīng)用電路為對象，以反饋分析方法為工具，以電學(xué)定律、定理和公式為依據(jù)，利用數(shù)學(xué)思維方法構(gòu)建線性化近似模型解決放大電路分析和復(fù)雜電路參數(shù)計(jì)算問題這一主線統(tǒng)領(lǐng)教學(xué)過程。在此教學(xué)過程中注重面向電子技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際需求，提出解決問題的方法和措施，利用數(shù)學(xué)工具給出解決思路，從而培養(yǎng)學(xué)生工程技術(shù)創(chuàng)新思維新方法。在電子技術(shù)課程教學(xué)中提出教學(xué)內(nèi)容重塑概念，面向新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)具有自主學(xué)習(xí)、獨(dú)立思考和解決復(fù)雜工程問題的創(chuàng)新型人才。在課程學(xué)習(xí)過程中，培養(yǎng)學(xué)生歸納總結(jié)知識的能力及學(xué)習(xí)知識的方法和創(chuàng)新應(yīng)用知識的能力。在此過程中把課程教學(xué)分為知識、方法和思維三個層次實(shí)施電子技術(shù)教學(xué)部署，電子技術(shù)課程教學(xué)中面向二極管、三極管和場效應(yīng)管、集成運(yùn)算放大器件組成的非線性放大電路開展教學(xué)任務(wù)，這些內(nèi)容和前期電路中電學(xué)原理性知識學(xué)習(xí)不同。在理解半導(dǎo)體PN結(jié)知識基礎(chǔ)上，教會學(xué)生掌握半導(dǎo)體器件的知識之外，學(xué)生應(yīng)該歸納總結(jié)半導(dǎo)體器件的電氣特性，如二極管的伏安V/I特性，測試其V/I特性曲線、數(shù)學(xué)擬合器件的特性方程，進(jìn)而在后續(xù)學(xué)習(xí)電路分析中能夠根據(jù)器件特性曲線構(gòu)建相應(yīng)的電路模型，三極管和場效應(yīng)管的學(xué)習(xí)過程也是如此。從而讓學(xué)生在掌握器件知識基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出半導(dǎo)體器件或者電子電路的一般化數(shù)學(xué)建模分析和設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而將其應(yīng)用到放大電路的數(shù)學(xué)模型分析中去，從而實(shí)現(xiàn)由感性認(rèn)識到理性思維的較變，學(xué)會抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，建立一般化放大電路的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)由特殊案例電路到一般化放大電路，由簡單到復(fù)雜，再由思維抽象到思維具體，總結(jié)出適用于該類器件及其組成電路的分析方法，從而實(shí)現(xiàn)知識到能力的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化目標(biāo)。如在乙類雙電源功率放大電路（OCL）內(nèi)容在講授過程中，首先讓學(xué)生知道OCL電路來源于NPN管構(gòu)造的射級輸出器電路，但是要達(dá)到提高功率放大電路的效率，減小信號失真的功率放大電路目的，需要做出兩點(diǎn)修改：讓其靜態(tài)工作點(diǎn)Q盡可能地降低到橫軸上來減小靜態(tài)管耗，但是這樣做的話很明顯引起了交流信號失真，由此再引入PNP管組成雙管互補(bǔ)的OCL電路形態(tài)，從而達(dá)到讓學(xué)生利用放大電路基礎(chǔ)知識分析和設(shè)計(jì)應(yīng)用電路的目的。在直流穩(wěn)壓電源部分教學(xué)過程中，穩(wěn)壓模塊來自于穩(wěn)壓管電路，那么教學(xué)過程中就要分析其存在的輸出電壓不可調(diào)和、帶負(fù)載能力差的問題，根據(jù)前面章節(jié)所學(xué)習(xí)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生思考采取什么樣的措施來改進(jìn)該電路存在的問題。提出了加入調(diào)整管措施和增加放大環(huán)節(jié)的改進(jìn)思路，進(jìn)而開展分立元件及集成運(yùn)模塊組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源電路分析與計(jì)算，并且順利引入三端集成穩(wěn)壓器件應(yīng)用分析與計(jì)算學(xué)習(xí)。

四、結(jié)束語

面向新工科高素質(zhì)人才教育目標(biāo)，把習(xí)近平總書記“教育強(qiáng)國”理念要求植入高校電子技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中，通過對電子技術(shù)課程的教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性分析與組織教學(xué)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了電子技術(shù)課程教學(xué)關(guān)鍵點(diǎn)及其教學(xué)思路，抓住教學(xué)內(nèi)容主線把新工科學(xué)生創(chuàng)新性工程思維培養(yǎng)融會貫通于教學(xué)過程，達(dá)到切實(shí)提高學(xué)生創(chuàng)新性工程素質(zhì)培育水平的目的。通過鄭州輕工業(yè)大學(xué)電類專業(yè)的電子技術(shù)教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和教師教學(xué)主動性得到明顯改善和提高，學(xué)生學(xué)習(xí)效果也得到改善，從而達(dá)到了教學(xué)實(shí)踐改革的目的。由此總結(jié)出電子技術(shù)課程教育教學(xué)切實(shí)可行的實(shí)踐做法值得在全國高校中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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