以设计制作为主导的模拟电路教学研究

卢厚元，王 襄，王建华

（湖北工业职业技术学院电子工程系，湖北十堰442000）

以设计制作为主导的模拟电路教学研究

卢厚元，王 襄，王建华

（湖北工业职业技术学院电子工程系，湖北十堰442000）

模拟电路内容庞杂、实践性强、学习难度大，实行以设计制作为主导的教学模式，经历知识准备、组织实施、质量检测、反馈提升等教学环节，使学习活动依径而行，有序推进，教学效果显著提高。

模拟电路；设计制作；教学环节

模拟电路内容庞杂、实践性强、应用分析难度大，最早在理论加实验的教学模式下，学生上课难听懂，作业不会做，实验入门时间长，教学效果不好。后来，模拟电路课程进行教学改革，更新实验设备，实行理论与实验一体化的教学模式，教学效果有较大的提升。专业建设的改革与发展，对模拟电路课程提出了更高要求，我们发现，实验设备的模块化、应用电路的现成化以及较高的集成度与教学中要求学生在掌握电路结构、培养基本的设计能力以及实际的在线分析与应用能力方面存在诸多的不匹配、不协调。于是，我们探索以设计制作为主导的教学模式，在此将教学研究的情况作以汇报，望能起到抛砖引玉的作用。

在我院电子信息类的不同专业中，模拟电路课程的教学课时是不一样的，对于课时数中等的，该课程设计了十几个学习项目。项目之间有并联关系的，也有递进关系的。我们把这些项目看成一个个子系统，并定义为“目标实施系统”，由它们就组成模拟电路学习活动的一个整体系统。本文要叙述的是目标实施系统的完成过程。

目标实施系统的首要任务是进行系统目标定位，确定该系统在模拟电路课程整体系统中的地位，实现的目标，它是目标实施系统的根本和出发点。目标实施系统的完成过程设计了四个环节，即知识准备环节、组织实施环节、质量检测环节和反馈提升环节。系统框图如图1所示。

图1 目标实施系统完成过程示意图

一、知识准备环节

知识准备是使项目顺利开展、实现教学目标的前提保障，是推动教学系统发展的动力源泉。基于本课程的特点，知识准备环节有两大任务：第一是明确单元电路的功能、电路结构、工作条件、电路的工作原理以及信号及能量的传输过程。第二是掌握仿真软件的应用方法。教学选用是multisim11仿真软件，该仿真软件是一款界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用的优秀EDA软件，具有：（1）集成化的设计环境。利用计算机模拟真实的电子实验室工作平台，平台上电子元器件，实验仪器设备可以任意调用，直接在平台上完成电路构建、检调分析任务。（2）拥有丰富的元器件和齐备的虚拟仪器。有的仪器的面板与实际的仪器一模一样。（3）分析功能强大。它为电路的仿真分析提供了十几种分析方法，足以满足学生对电路仿真分析与设计的需求。在应用中，制作电路若出现了故障，并不会出现危险，分析效果立竿见影。教学要求学生“玩转”此软件，为实际的硬件制作做好准备。

二、组织实施环节

模拟电路教学以功能电路作为载体，以其对知识、能力目标的承载能力来确定教学项目，教学实行集中授课，分组实施。大部分项目每人一组，少数大一点的项目两人一组。依据知识递进和学生的认知规律，我们把这些学习项目分为三个层次实施。

1．基础项目

基础项目占项目总数的一半，其基本目标是了解基本电路的功能，掌握其结构、工作原理、检测与调试方法。工作的流程固定，教学分为四步，第一步：提供典型的功能电路，熟悉电路结构、工作原理、学习电路的分析方法。第二步：电路仿真及分析。第三步：硬件电路制作，用面包板或万能焊接板装配硬件电路。（面包板装配电路简单易行，省时，但故障率高。万能焊接板装配故障率低，但对装配工艺要求高，费时。）第四步：电路测试分析，学生对其所做的电路进行测试。测试过程的教学分为两步，第一步是引导入手：利用电气试验台或实验箱以及检测仪器，通过老师的引导、演示，明确测试要素和测试方法。第二步是学生自己动手：学生对所制作的电路进行检测调试和性能分析。若出现电路故障会有老师帮助查找原因，排除故障。以上的工作流程固定，学生有规律可行，自然形成了以学生为主体，老师为主导的局面。

2．设计性项目

设计性项目占三分之一左右。这些项目的基本目标是：在掌握了典型电路的基础上设计制作出适用电路。相对于基础项目的学习是一个大的提升，要求学生熟悉电路的偏置与工作状态的关系，电路的级联方法，信号及能量的传输特性。老师一般只要求使用元器件的类型（如分立元件与集成元件），制作出具有一定功能的电路，根据需要可以提供一些参考电路。教学步骤也相对固定；第一步：电路模型构建。根据对电路所要实现的功能要求，确定电路模型，构建结构电路。第二步：电路仿真制作。同样按步骤而行，第一步：仿真电路理想化设计，仿真电路构建时先进行理想化的设计，即只考虑元器件的核心参数（如三极管的管型、电阻的阻值）而不考虑其它因素（如三极管的功率，该电阻的阻值在实际中的有无），以实现所要求电路的基本功能。第二步：完成仿真电路的优化及可实现性设计，根据实训室条件和真实元件的实际情况对所设计的电路参数进行修改，使设计出的电路能够进行硬件电路的制作。鼓励对同一功能用不同形式的电路实现的设计作品，培养学生对基本电路的运用能力。第三步：硬件电路的制作。第四步：硬件电路的测试。第三、四步的工作过程与基础项目相似。

3．综合性强、成本较高的项目

这样的项目一般只做一两个，属于大项目，实用性强，放在课程快结束时开展，具有课程设计的性质。这种项目对知识的综合应用、安全性、制作技能等要求较高，制作成本也高。基于制作成本及时间考虑，由学生制作电路的主要部分，其余部分由老师事先制作完成，待学生制作的完成之后再对接形成整体电路。例如我们有一个项目为“大功率功放的制作”，学生做功放的主体部分，老师制作好直流电源和功放末级，提供大功率的喇叭。老师制作的部分选几个动手能力强的学生（事实上他们会主动积极地）来帮忙。老师制作部分不要成为学生学习的盲点。例如直流电源部分（电源知识先已学过）用到了多绕组大功率变压器，要教会学生对同名端的识别以及绕组之间的连接方法；市用交流电经变压器降压后再整流滤波使直流电压达到96V，远远超过了安全电压，从而教给学生对整流管的选择、电源的安全使用方法（如加装的保险管的规格、电源在调试中的放电方法等）；末级功放管的散热方法以及输出功率的计算方法。

学生的学习能力是有差异的，这能从电路制作整体过程反映出来，但只要学生设计制作的电路能够实现所要求的基本功能就认为是成功的，就要进行肯定，并给予基本（合格的）成绩。成绩高低的区别体现在加分项上，加分项涉及到工作态度、工作过程、电路优化创新等等。可以这样认为，电路制作出现了问题，但能够努力解决问题的都应该重点加分。

组织实施环节的工作流程是固定的，而质量检测和反馈提升环节的教学步骤则相对灵活。

三、质量检测环节

硬件电路是教学的载体，如果说硬件电路的制作是知识构建、技能形成的基础，那么质量检测则是对知识的理解、问题的发现及处理、合作等能力提升的关键。

质量检测的任务是对所制作的电路进行测试及性能评价，学习发现问题（例如在调试中怎样利用声、光、气味等判断电路的异常，怎样利用仪器仪表判断电路的工作状态等）和处理问题（例如电路不放大，是先换放大的核心元件还是先查偏置电路等）的方法，提高语言表达能力以及互助协作能力。

教学过程分两大步骤，先确定测试方案，后进行测试操作。测试方案的确定，学生以小组为单位分两小步进行：第一步是对电路功能的描述，包括电路的工作条件和状态，信号及能量的传输流程，输入和输出特性。第二步是测试方案表述，包括电路的调整方法，测试指标及测试点，测试结果及现象，测试仪器的使用等。走过这两小步，学生对测试过程应该胸有成竹。

测试方案，在基础项目中由老师引导完成，而在设计性项目中，要求小组协作，学生自觉完成，老师抽查。接下来的是测试操作，老师辅助并检查。

质量检测环节对学生的评价要重视过程，并以加分奖励为主，要善于捕捉发现学生的优点。教学中我们充分利用了“互补学习法”，本课程教学虽然是以小班为单位，测试中两人一组，老师还是不可能每组都照顾到的，但总有些会做的“能手”，鼓励并要求他们去帮助别的组。这样，“能手”也开阔了视野，更提高了能力，而接受帮助的小组在平等互助的氛围中，易于显现问题，解决问题更具针对性，结果是共同提高了。对学生解决不了的问题，老师要参与解决。

四、反馈提升环节

电路制作通常不是一帆风顺的，无论是设计制作还是检测与调试，只要有一个环节不完善，就难以得到所期望的结果，这时称电路存在故障，然而这些“故障电路”却是教学的好素材，应充分利用它提高学生的知识水平和排除故障的能力。

1．利用随机故障，解决个性问题

电路故障现象千奇百样，故障问题的产生涉及到电路设计和硬件制作、元器件质量及装配工艺、测试台、实验箱及仪器仪表故障以及操作方法等各个方面，不同的小组，故障问题是随机的。解决方法是：引导学生从故障现象入手，利用电路原理知识推理分析，有目标有步骤地查找故障点，直至排除故障。

2．查找典型故障，解决共性问题

教学中发现，有的故障出现的几率较高，大部分小组都会遇到，称之为典型故障。典型故障往往集中处理，其方法是：以一组为突破点，召集学生（或每组选派代表）与老师一起分析原因，排除故障。例如在“多级放大电路分析与调试”项目中，电路由两级共射极放大电路组成，正常情况下放大倍数在几千倍，而很多组只有几十倍，结果的差距太大。于是老师选了一个电路装配无问题的小组作为示例，引导学生从输出入手，由后级向前级逐级调试，分级查找，找到故障级后，再将输入输出移位到这级，然后从偏置电路到核心元件逐一检查，发现故障并排除。训练方法是：分析找规律，操作按套路。共性问题集中解决，既节省时间又提高了效率。

3．设置故障，强化重点问题

要求掌握的重点知识，可以设置故障，放大故障现象以增强效果，加深记忆。现举例说明，举例一：集成运放有开环和闭环两种应用方法，施加的条件不同实现的功能不一样。由集成运放组成的比例运算电路要求的是集成运放的闭环应用，应该接负反馈网络。如果老师事先有意将反馈网络断开（在反馈网络中用上一根外观完好而内部断开的连接线，注：这样的“断线”是在教学中被发现并被老师收藏的），其结果是无论输入信号多小（毫伏级），输出总是饱和值，接近为电路提供偏置的电源电压。这是严重偏离比例运算规律的错误结果。于是引导学生从结果着手，分析得出此时的集成运放工作在开环状态，而比例运算电路中集成运放应是闭环工作状态，并要满足负反馈条件。问题直指反馈网络，故障很快排除，正确与错误对比鲜明，印象深刻。举例二：在OCL功放制作中，应该掌握的一个重点知识是电路中点的直流电压为0V，此中点直接连接负载——喇叭。中点直流电压不为0V就属于故障，此时若喇叭被接上就会烧坏。为放大故障现象并考虑到安全性，我们在中点与喇叭之间串联了一个电解电容，在学生制作的电路中找来一个中点直流电压为10V左右的电路，将此电路的中点通过电容与喇叭相连，不输入音乐信号，进行静态调节，在调节中电容损坏爆炸，响声较大，负载电路断开。“事故”发生后，师生一起分析事故原因，深刻认识了中点电压不为0V的危害。需要强调的是，这样的故障设置一定要保障人和物的安全。

4．反馈评价，探索新问题

项目完成之时进行反馈评价对提升教学效果具有重要意义。反馈评价应从“教”与“学”的双重层面多维度展开。要求学生对学习过程作出客观评价，包括工作过程、方法和态度；对制作的产品作出评价，探索电路的优化以及功能扩展的思路，追求深层的学习目标。要求教师对教学活动进行整体评价，从教学目标实现、教学情景设计、教学组织形式、教学方法手段、教师角色、教学评价方法等多要素寻求提高教学质量的有效性，以构建科学的教学目标实施策略。

五、结语

反馈提升环节并不是项目的终点，它将植入知识准备环节，进一步充实知识，也为后面的项目实施积淀能量。

目标实施系统根据目标定位，经历知识准备、组织实施、质量检测、反馈提升各个环节，教学设计促成环间递进，教学过程强化各环完善，形成一个目标实施的负反馈系统，它能够完善教学活动，增强教学效果，提高教学效率。

以设计制作为主导的模拟电路教学，教学过程的依径而行、有序推进，能调动学生的主观能动性，激发学习兴趣，培养创造性思维能力，设计制作及检测调试过程反作用于知识的准备过程，互为制约，互为促进。学生在学中做、做中学，实现了理论与实践学习的相融共进，有力提高了教学质量。

［1］胡宴如．模拟电子技术［M］．北京：高等教育出版社，2012．

［2］黄培根，任清褒．multisim10计算机虚拟仿真实验室［M］．北京：电子工业出版社，2008．

［3］卢厚元．multisim11在电子技术教学中的应用［J］．十堰职业技术学院学报，2013（3）：98⁃101．

Study on Design and Production Oriented Analog Circuit Teaching

LU Hou⁃yuan，WANG Xiang，WANG Jian⁃hua
（Dept．of Electronic Engineering，Hubei Industrial Polytechnic，shiyan 442000，China）

Since simulation circuit is large in content and hard in practice，it is difficult for students to learn．Applying design and production oriented analog circuit teaching mode can significantly improve teaching effect with the steps of knowledge preparation，organization and implementation，quality inspection，feedback and improvement，which makes learning activities go in good order．

analog circuits，design and production，target implementation system，teaching links，teaching effect

TN710－4

：A

：2095⁃8153（2015）05⁃0098⁃04

2015⁃09⁃20

卢厚元（1962－），男，湖北工业职业技术学院电子工程系副教授；王 襄（1965－），男，湖北工业职业技术学院资产管理处副处长，副教授；王建华（1973－），男，湖北工业职业技术学院电子工程系专业带头人，讲师。