新工科背景下模擬電子技術實驗課程教學創新實踐

收稿日期：2023-04-11

基金項目：安徽省教育廳教學研究一般項目（2020jyxm1148）；安徽省教育廳教學研究重點項目（2019jyxm0470）；蚌埠學院新工科教學研究一般項目（2020XGKJY6）；線下課程（2020xxkc2）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.21.043

摘" 要：新工科背景下，電子信息產業迅猛發展，對電子信息人才的專業素質和綜合能力提出了更高的要求。為了適應新工科背景下電子信息專業人才培養要求，對模擬電子技術實驗課程的教學改革與創新進行探索，提出一些教學改革和創新措施，取得了顯著的教學效果。文章借助仿真和唐都模擬電路實驗箱，對單管共射放大電路進行分析，使學生對放大電路工作原理、靜態工作點分析及電壓增益等知識有直觀的認識，提高了學生的參與度和學習興趣，實踐表明該教學方法取得了良好的教學效果，有利于促進新工科的建設。

關鍵詞：教學改革；實驗課程；模擬電路；新工科

中圖分類號：TP39；G434" " 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）21-0191-05

Innovation and Practice of Teaching in Analog Electronic Technology Experiment Course under the Background of New Engineering Education

SUN Changwei， LIU Xu， WANG Yanchun， DONG Kun

（Bengbu University， Bengbu" 233030， China）

Abstract： With the rapid development of the electronic information industry under the background of new engineering education， higher requirements are put forward for the professional quality and comprehensive ability of electronic information talents. In order to meet the requirements of talent training for electronic information majors under the background of new engineering education， this paper explores the teaching reform and innovation of analog electronic technology experiment course， and puts forward some corresponding teaching reform and innovation measures， which have achieved significant teaching effects. This paper takes the analysis of single-tube common emitter amplifying circuit with the assistance of simulation and Tangdu analog circuit experiment box， which intuitively presents the knowledge of amplifying circuit working principle， static working point analysis and voltage gain to students， and improves their participation and interest in learning. Practice has shown that this teaching method has achieved good teaching effect， which is conducive to promoting the construction of new engineering education.

Keywords： teaching reform; experimental course; simulation circuit; new engineering education

0" 引" 言

近期教育部發布了《教育部高等教育司關于開展“新工科”研究與實踐的通知》，要求各大院校建設有自己特色的“新工科”任務[1]。高校實驗教學是重要的教學環節，可以幫助學生更好地理解和鞏固理論知識，同時也可以培養學生的實踐能力和創新思維[2]。通過實驗教學，學生可以親身體驗科學研究的過程，從中發現問題，探索解決問題的方法，并最終形成自己的思考和創新能力。實驗教學還可以培養學生的合作精神和團隊意識，通過小組合作、互相協作來完成課程實驗任務，鍛煉學生的溝通能力和合作意識。最終，實驗教學可以幫助學生全面發展，達到立德樹人、三全育人的教育目標。基于新工科建設，面向中國制造2025，實踐教學在培養學生的工程思維、批判性思維、自主終身學習能力、團隊協作能力、跨學科交叉融合能力等方面起著至關重要的作用。課程設計需要緊密結合新工科培養目標和要求，注重實踐性和創新性，鼓勵學生自主設計實驗方案、探索實驗方法，培養學生的創新能力和自主學習能力。實驗操作需要注重學生動手能力的培養，鼓勵學生積極參與實驗操作，解決實際問題，把理論知識靈活應用到實踐中。課程實驗是一個貫穿整個本科教學的課題，對培養學生動手能力和工程意識至關重要，需要根據新工科背景下的培養目標和要求進行深度改革和創新。

Multisim仿真技術在實驗教學中得到廣泛應用。通過Multisim搭建實驗平臺，進行各種電路實驗仿真，如數字邏輯電路、模擬電子電路、通信電路等[3]。仿真實驗能夠大大節省實驗開展所需時間和成本，同時還可以降低實驗風險，讓學生在安全的環境中快速掌握實驗技能和操作方法，幫助學生更好地掌握電路的運行原理和應用技術，提高電子電路實驗教學的質量和效果。

模擬電子技術是電子信息工程專業的一門重要的專業基礎課[4]。模擬電子技術是電子信息工程專業必修的基礎課程，學生通過學習，將掌握模擬電子技術的基本理論、知識和技能，了解常用電子器件和電子電路的工作原理及分析設計方法，并能夠熟練運用電子儀器和調試方法，為后續相關課程和電子技術在實際應用中打下基礎[5]。此外，學生還能夠通過學習培養自己的創新思維能力和實踐能力，提高分析解決問題的能力，為未來從事相關行業提供技術支持和素質保障。

傳統的模擬電路實驗箱設計存在許多問題[6]。例如，連線復雜、易損壞、操作麻煩，同時功能單一，無法滿足復雜電路的設計需求。此外，由于缺少可視化功能，難以觀察電路中各部分的運作情況和實時參數變化。因此，傳統的模擬電路實驗箱在綜合性設計方面存在較大局限性[7]。針對以上存在的問題，蚌埠學院電子與電氣工程學院經過充分調研引進唐都的模擬電子技術實驗箱。與傳統實驗系統相比較，實驗內容得到進一步完善，實驗系統集成了信號源、實驗電路和測量與分析儀器性，為模擬電子技術綜合性和設計性實驗的完成提供了條件。本文通過三極管放大電路靜態工作點和交流動態特性的直觀測量實驗對模擬電子技術實驗教學模式進行研究和探索。

在理工科專業實踐教學中采用簡單的實驗設備或者實驗箱動手操作，學生不能真正地參與到原理性的思考中，對抽象的概念缺乏深刻的理解。實驗室原有的試驗箱，實驗內容單一，無法真正引發學生的興趣，難以激發他們的創造性思維和創新精神。無法提供真實的實踐環境和場景，難以使學生獲得實踐能力和解決實際問題的能力[8]。模擬電子技術實驗課通過引入軟件仿真和功能強大的試驗箱，為學生提供更多真實的實踐情境、引導學生進行獨立思考、加強理論與實踐的結合等，以提高學生的實驗能力和創新能力。教師通過對學生學習方法的指導，幫助學生掌握基本理論知識，探討學生發展方向，引導他們培養更深入學習的態度。

1" 傳統學習方式和虛擬仿真技術結合

面向“新工科”建設的需求，蚌埠學院電子與電氣工程學院針對目前電子信息工程專業實驗教學中存在的問題，依托唐都模擬電子技術實驗平臺，以培養創新應用型人才為目標，突出專業特色，從實驗教學內容設計、實驗教學方法改進以及實驗考核體系構建三方面出發，對電子信息工程專業模擬電路實驗教學模式進行了研究與探索。

1.1" 教學內容設計

模擬電子技術課程設置的實驗課程是完成理論課程提高和應用的重要環節，整個實驗內容通過軟件仿真與實驗箱結合的方式來完成，在基礎實驗的基礎上加強綜合性實驗和設計性實驗，縮減驗證性實驗。通過引入模擬仿真同實驗相結合，在設計的初期階段，可以通過仿真軟件來模擬電路的工作狀態，觀察信號波形、電流、電壓等參數的變化，評估電路設計是否符合預期要求。仿真可以快速、靈活地進行多種電路參數的修改和調整，比實際搭建和測量要方便和經濟。但對于學生而言還是缺乏真實電路的直觀感受，僅依靠仿真的波形圖和數字學生難以真正理解電路的運行和現象。因此，為了提供更好的學習體驗，首先明確任務和設計方案，根據要求完成電路原理圖設計，接著，在Multisim環境下創建虛擬實驗模型，對電路進行仿真和調試，不斷修改調整參數，直到滿足設計要求，在確保虛擬實驗模型有效后，進行實際的硬件電路搭建和調試驗證，確保電路符合設計要求，并能夠正常工作。教學架構如圖1所示。

本文以單管放大電路靜態工作點和交流動態特性為例，對模擬電路實驗教學模式進行探索和研究。對于單管放大電路靜態工作點和交流動態特性，傳統實驗通過對電路各節點電壓和支路電流進行測量，通過估值計算和粗略想象完成靜態工作點的設置，難于被學生理解和掌握。

通過仿真可以對電路進行多次模擬，并檢查模擬結果，以獲得理想的測試數據，模擬結果可以很容易地重復并與其他數據進行比較，從而獲得更準確的實驗結果。同時采用的實驗箱可以實現單管放大電路靜態工作點與動態特性觀測儀，可使學生真實直觀地測量觀察到三極管放大電路靜態工作點的位置和相關數據，通過調整電路的各偏置電阻，可實時直觀地觀察到不同靜態工作點的變化情況。在此基礎上，可進一步觀測三極管放大電路的動態放大特性，使三極管放大電路實驗教學內容得到形象化的展現，解決了以往靠估值計算和粗略想象而造成的學習困難。

單管共射放大電路是模擬電子技術課程中比較基礎的一種電路，它具有電壓增益、電流放大和功率放大等特點，可用于放大低幅度的交流信號，分析方法有：估算法、圖解法、微變等效電路法。對于學生而言，圖解法和微變等效法需要一定的數理基礎和操作技巧，在剛開始學習時可能需要一些時間來理解和掌握。圖解法依賴于手工畫圖，因此可能會出現作圖不準、誤差較大的情況，而且作圖煩瑣，學生理解起來需要一定過程。因此在教學工程中采用仿真和實驗來直觀的講授。

1.2" 單管放大電路仿真設計

最基本的共發射極放大電路，雙電源供電，集電極電流由基極電源和偏置電阻確定。如圖2所示。

可以在電路中串聯電流表分別測量出基極電流和集電極電流；也可以并聯電壓表分別測量出基極對地電壓和集電極對地電壓。但也可以利用軟件本身的分析功能，求出各節點的電壓。執行菜單命令Simulate/Analysis/DC Operating Point，在打開的對話框中，選中分析節結點，看到被測節電電壓。通過改變滑動變阻器的阻值、電容值等參數，進而調整電路的特性和性能。在調整過程中，可以使用Multisim內置的仿真工具，實時觀察電路性能變化的結果，并據此調整電路參數，直至達到預期的效果。同時，還可以使用示波器觀察輸入和輸出波形，計算出交流放大倍數等性能參數，對單管共射電路進行更細致的分析和評估。

通過仿真基本得到了單管共射電路的理想參數，為后續電路實驗提供了參數。

2" 單管共射電路實驗的改進

圖2中電源Vcc經過RB1和RB2中的電阻分壓后供給三極管的基極，保證了三極管工作在放大區。此時，三極管的集電極電流由電源UCC和集電極電阻RC來決定。集電極電阻RC的另一個作用是將集電極電流的變化轉換為集電極電壓的變化，實現了電壓放大。輸出信號通過隔直電容C1和C2的交流耦合作用，經過放大電路，沒有直流偏置的干擾。基于Multisim仿真得到的實驗參數，指導對實驗箱上實驗的探索。

Vcc連接+12 V電源，Ui接地，將試驗箱集成的分析儀器探頭CH1接三極管T1的集電極c端，探頭CH2接三極管T1的發射極e端，點擊儀器功能選擇“靜態工作點”，進入三極管靜態工作點的靜態特性觀測界面。如圖3所示，左上角為靜態工作點相關參數，二維坐標圖中的Uceq為靜態工作點的橫坐標，Rc為晶體管C端電阻值，Icq為靜態工作點的縱坐標，Q為靜態工作點。通過調節Rp，可以觀測到靜態工作點Q（Uceq，Icq）在直流負載線上的運動，結合左側的數據，選擇合適的Q點，點擊“確認Q點”，可進入三極管動態特性的觀測界面。

2.1" 非線性失真觀測

唐都儀器所帶探頭CH1接輸入端Ui，Ui為頻率1 kHz、幅度600 mV的正選波，探頭CH2接輸出端Uo。選擇儀器功能選擇為“示波器”，探頭CH1和CH2耦合方式均設定為交流耦合，輸出波形如圖4所示。

儀器功能選擇為靜態工作點界面，得到三極管非線性失真動態特性觀測圖，如圖5所示。基于圖3中所設定的靜態工作點，圖5輸出信號Uo和輸入信號Ui反向放大，沒有失真。

2.2" 截至失真觀測

重復上述實驗，通過調節Rp使靜態工作點Q偏低，此時觀察三極管真動態特性觀測圖如圖6所示。圖中可以觀測到Uo波形頂部失真，即截至失真。

2.3" 飽和失真觀測

重復上述實驗，通過調節Rp使靜態工作點Q偏高，此時觀察三極管真動態特性觀測圖如圖7所示。圖中可以觀測到Uo波形底部失真，即飽和失真。

這樣的實驗裝置確實可以幫助學生更好地理解單管放大電路的靜態工作點與動態特性。靜態工作點是指三極管在靜態情況下的直流偏置狀態，通過調整偏置電阻Rp可以改變靜態工作點，進而影響三極管的放大系數、輸出偏置電壓等參數，從而影響輸出波形的形態和幅度。通過實驗裝置，學生可以實時、動態地觀察調整Rp對輸出波形的影響，同時可以觀察到三種不同狀態下的輸出波形情況，即放大、截止失真和飽和失真，有助于加深學生對電路特性的理解和認識。此外，由于實驗裝置實時、動態地展示了電路的工作情況，可以幫助學生更好地掌握實驗過程和結果，同時能夠更好地發現和解決問題，提高學生的實驗能力和技巧。綜上所述，該實驗裝置可以為學生提供直觀形象的實驗體驗，是一種有效的教學手段。

通過仿真，學生可以直觀地觀察到電路中各個元器件的工作情況，深入理解電路中各個元器件之間的相互關系，從而提高學生對電路原理的理解和掌握。此外，電路仿真也為學生的實驗提供了更好的準備和支持。學生可以通過仿真分析電路的工作特性、優化電路參數和分析電路故障等，減少實驗中的失誤和浪費，提高實驗效率和精度。通過電路仿真的實踐，學生還能夠培養自主學習、觀察和分析問題、解決問題的能力。

新工科著眼于培養具備創新思維、實踐能力和跨領域協同合作能力的工程人才，要求工程教育教學必須符合新工科的要求和理念。在這一背景下，模擬電子技術實驗的改革可以使學生更好地了解電路理論知識和實踐能力的結合，培養學生的跨領域協同合作能力和創新思維，使得學生更具有競爭力和實戰能力。

通過理論仿真，學生可以在模擬實驗中嘗試不同的方案，通過模擬實驗結果來分析并優化電路設計，培養其創新思維，同時也可以提高學生的實踐能力，讓他們能夠運用虛擬實驗進行學習，掌握更多實踐技能。通過實驗設備的升級，能夠讓學生更好地了解和應用最新的電路技術和工具，培養創新思維。

3" 結" 論

Multisim仿真可以幫助學生更好地理解理論知識，同時也能夠提高實驗效率和降低實驗成本。在仿真中，學生可以通過模擬不同的情境，自由調整參數，進行實驗分析，并且可以通過觀察仿真結果了解電路的工作原理和特性。此外，仿真還具有數據記錄和存儲等優勢，可以讓學生更好地進行數據分析和處理，幫助他們更好地理解電路的特性和優化設計。借助于實驗設備，可以提供更加先進的測量工具和更加精準的實驗結果，也可以讓學生更好地了解和應用最新的電路理論和實驗方法，提高動手實踐能力和素養。將這些教學手段應用到工程教育中，可以更好地培養學生的能力和素質，適應復雜的實踐。

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作者簡介：孫長偉（1982—），女，漢族，山東濰坊人，副教授，碩士，主要研究方向：傳感器技術和嵌入式開發。