集成運放應用電路設計虛擬仿真實驗教學研究

倪 雪，龔 晶，盧 娟，閔 銳，黃 穎

（陸軍工程大學通信工程學院，江蘇 南京 210007）

0 引言

“模擬電子技術實驗”課程作為為理論課程的有益補充，在教學中占有重要地位。對于培養學生的實踐動手能力、創新思維和科學素養等方面起到十分重要的作用。目前，模擬電子技術實驗平臺多由實驗箱與傳統儀器儀表組成，實驗內容以驗證性實驗為主，學生主要通過操作儀器儀表、連接實驗電路、測量電路參數以及查找排除故障等一系列環節完成實驗，達到深化理解基本原理、掌握電路測量方法、提高實踐動手能力的教學目的[1]。然而，由于教學內容固定、教學模式單一，教學場地和設備限制，傳統實體實驗難以調動學生的主動性、拓展學生的創新思維。同時，實驗中設備故障、電路連接錯誤、測量誤差大等問題，也給學生實驗帶來較大的困擾[2]。因此，實體實驗主要側重鍛煉培養學生的儀器儀表操作技能、電路測量方法，分析和排除故障的能力。

近年來，隨著教育部對國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的推進，國內各高校逐漸認識到虛擬仿真實驗的價值，積極開展基于虛擬仿真的實驗教學研究[3]。虛擬仿真實驗突破實驗教學對客觀條件的依賴，不受時間和空間限制，內容豐富且易拓展，學生可以在虛擬環境下進行任意電路的方案設計、仿真、調試、測量以及優化、創新等，并且利用仿真在線平臺可以方便地實現教學過程的管理[4]。理論研究和實踐探索表明，推進虛擬仿真實驗教學工作，將實體實驗和虛擬實驗進行有機的融合，才能最大限度地發揮實驗對培養人才的作用[5]。

集成運算放大器（簡稱集成運放）在電子電路中應用廣泛，是模擬電子技術課程的教學重點。實驗內容涵蓋集成運放基本放大電路應用、集成運放在信號運算方面的應用以及集成運放在波形產生中的應用等。其中，集成運放基本放大電路應用為線下驗證性實驗，通過該實驗，學生已經掌握同相和反相比例放大電路的基本原理和電路測試方法。為了構建優化模擬電子技術課程實驗教學體系，將集成運放在信號運算方面的應用由傳統驗證性實驗變為設計類實驗，即集成運放應用電路設計。利用虛擬仿真平臺的實驗靈活性、資源豐富性，開展虛擬仿真實驗教學內容的研究與教學模式探索，以切實提高實驗教學效果。

圍繞“集成運放應用電路設計”這一教學目標，結合教學內容特點，精選了“極性信號轉換電路設計”作為實驗內容，以任務驅動實驗、以現象驅動思考、以討論啟迪思維、以問題激勵探索，提出“電路理論設計—仿真實驗驗證—方案交流討論—問題研究探索—電路改進優化—課后實踐提高”的六步教學模式。課前，學生根據設計任務完成方案設計與理論分析；課中，學生借助仿真平臺進行方案驗證，并交流闡述不同方案的設計思路及特點，然后老師進一步提出設計相關問題，引導學生開展深入思考與實驗探索，實現電路的優化與改進；課后，學生結合仿真電路完成線下實體實驗，并進行實驗總結與分析。虛擬仿真實驗教學既兼顧基礎理論的鞏固提高，又融合前沿的應用技術，有利于激發學生的實踐興趣和求知欲，培養學生創新意識和科學探究能力。

1 虛擬仿真實驗教學研究與探索

1.1 教學內容設計

集成運算放大器的線性應用是實驗教學的重點，學生前期進行了基本放大電路的實體實驗，對同相比例放大電路和反相比例放大電路的結構和原理有了基本的了解，對儀器儀表的使用方法、放大電路的測量方法進行了初步的訓練。

本次實驗的教學內容為集成運放在信號運算方面的應用，重點使學生掌握加法運算電路、減法運算電路的結構與工作原理，以及運算電路的測試方法。為了深化學生對運放電路理論知識的理解，開拓學生的創新思維，采用設計型實驗代替驗證型實驗，采用虛擬仿真教學代替實體教學。

圍繞教學目標，根據設計類實驗的難易程度、可實現性、可拓展性、實用性等角度出發，教學團隊經討論確定實驗設計選題為“雙極性信號轉單極性信號電路設計”。該電路常用于數據采集系統中的信號調理部分，若前端傳感器采集的數據輸出為雙極性信號，該信號經過模數轉換器（ADC）采樣后進行傳輸和處理，而大部分ADC只能對單極性信號進行采樣。因此，在信號調理電路中需要將雙極性信號轉化為單極性信號輸出，具體轉換是通過信號放大/縮小和電平移位的方法實現。極性轉換本質上是一個加法運算，設計中可采用一個同相加法電路實現，也可以由一個反相比例放大電路和一個減法電路共同實現，設計方案具有多樣性，涵蓋了加法運算和減法運算電路等理論知識，選題內容合適。

1.2 教學模式設計

針對虛擬仿真實驗教學內容安排，提出了“電路理論設計—仿真驗證測試—方案交流討論—問題研究探索—電路改進優化—實踐總結提高”的六步教學模式，分為課前、課中和課后三個階段完成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實驗教學模式

1.2.1 課前預習——電路理論設計

老師依托虛擬仿真實驗在線平臺發布設計任務，提出實驗要求，并提供實驗原理學習資料以及仿真操作視頻，鼓勵學生開拓思維，從多個角度設計方案。學生根據設計任務，主動查閱資料，積極思考，利用所學運算電路理論知識完成方案設計與理論分析。

該過程以實際應用電路設計為驅動，激發學生對專業知識的學習興趣；通過資料查閱，培養學生的信息素養。

1.2.2 課中實驗探索——仿真驗證測試、方案交流討論、問題研究探索、電路改進優化

首先，老師講解分析設計任務和電路應用背景，學生借助仿真設計平臺完成設計電路的搭建和仿真性能驗證，當仿真結果和理論設計值不相符時，積極思考并查找原因，老師在一旁觀察并給予適當指導。當學生完成仿真實驗后，老師組織學生開展交流討論，闡述各自方案的設計思路及特點。隨后，老師圍繞設計任務進一步提出拓展性問題，引導學生開展深入的分析研究與實驗探索，學生經過驗證與分析，最終實現電路的改進與優化。

課堂上通過仿真平臺的靈活性，讓學生快速直觀地看到實驗結果，并對電路設計中出現的問題進行反復驗證與分析，加深學生對運算電路原理的理解，樹立實踐探索的信心；通過設計方案的交流，培養學生的溝通表達能力；通過問題的延伸拓展，啟發學生工程思維和創新思維。

1.2.3 課后提高——實踐總結提高

學生結合仿真電路自主完成線下實體實驗，并對實驗進行總結分析，形成實驗報告。老師根據需求開展課下指導，并根據實驗過程記錄開展實驗評價。通過課后實踐提高與總結環節，進一步培養學生的實踐創新能力。

1.3 教學過程實施

1.3.1 布置預習任務

圍繞教學目標，老師在虛擬仿真平臺上發布課前預習任務——將-250mV～+250mV雙極性信號轉為0～+5v單極性信號輸出。要求學生根據任務要求畫出電路設計方案，列出元件參數，給出理論設計依據，并將設計圖上傳到實驗平臺。

1.3.2 講解實驗原理、指導學生實驗

圍繞設計內容，首先簡要講解加法運算、減法運算的工作原理和設計方法，指出運算電路設計中參數選取的問題，并介紹電路的應用背景和設計思路。然后，由老師指導學員開展在線仿真實驗，并完成電路性能的驗證。對于實驗中出現的問題，引導學員主動思考并解決。

1.3.3 組織交流討論

選取學生代表闡述設計方案及電路設計相關問題，其他學生可以提出問題，并展開討論。學生在設計方案的交流討論中，可以加深對運算電路理論的理解、拓寬電路設計思路，學習體會到不同電路的特點。

1.3.4 設計延伸拓展

為了進一步深化實驗教學內容，啟發引導學員積極探索、開拓創新，提高實驗教學的高階性、延展性，實驗中設置了多個拓展性問題。例如：電源大小對電路的影響、電阻取值大小的影響、單電源供電問題等。學生圍繞這些問題，繼續開展仿真實驗和思考探索。通過直觀的現象激發學生的探索欲、求知欲，通過問題的剖析，培養學生的科學思維和工程素養。

1.4 教學總結評價

實驗成績采用多元化評價，做到有理有據。根據實驗打分標準，老師分別從預習（10%）、仿真實驗（40%）、交流討論（10%）、方案優化（20%）、實驗報告（20%）五個方面對學生的本次實驗進行評分。

開展課后總結有利于提高教學效果和教學質量，是教學過程中必不可少的一個環節。老師分別從教與學兩個方面開展本次實驗課教學總結。教的方面，主要從教學內容安排、教學實施過程中總結好的方面以及不足的方面；學的方面，主要從課前預習、課堂表現、完成情況、實驗報告等方面關注到每一位學生的學習效果與收獲，課后盡可能主動與學生交流、采用課后評價的方式了解到本次課學生的學習情況，鼓勵學有余力的學員利用課余時間完成實體電路的焊接與調試，為參加科技競賽打下扎實基礎。

2 結論

將虛擬仿真實驗引入模擬電子技術實驗教學改革中，針對集成運放應用電路設計開展了仿真實驗教學的研究與探索。以“極性信號轉換應用電路設計”為任務驅動，引導學生課前完成理論電路設計，課堂進行仿真驗證測試與方案交流討論，并通過問題拓展啟發學生開展研究探索以及電路改進優化，課后開展實踐提高與實驗總結。構建的仿真實驗教學模式有助于模擬電子技術課程虛實一體實驗體系的打造，充分發揮學生學習的主動性、積極性和創造性，培養學生的創新思維和科學素養，最終實現院校高素質專業人才培養目標。