“问题导向”教学模式在电子技术课程中的探索与实践

伍群芳 王 勤

（南京航空航天大学自动化学院 江苏·南京 211106）

0 引言

本文针对电子技术课程教学目标，以电子技术应用中的代表性教案为基础，即线性稳压电源深化至开关稳压电源及其稳压原理，结合教学目标与难点，提出电子技术课程教学中问题导向教学模式的实践方法，为该课程的教学提供参考。

1 课程特点及教学目标

电子技术是各大高等院校为各类理工科专业学生开设的一门专业基础课程，也是一门技术类基础课程，在人才培养体系中具有重要作用。本门课程由两大部分组成：模拟电子技术与数字电子技术。其中模拟电子技术部分包括半导体二极管和三极管、基本放大电路、集成运算放大器、正弦波振荡电路、直流稳压电源；数字电路包括门电路和组合逻辑电路、触发器和时序逻辑电路。具体教学目标如下：

（1）能对各种半导体元件构成的基本放大电路、集成电路、稳压电源等进行分析；能根据实际要求设计简单模拟电子线路；

（2）能对各种组合逻辑电路和时序逻辑电路进行分析和设计；能根据实际要求应用这些单元和器件构成简单数字电子系统。

值得一提的是，在问题设计过程中，应当遵循以下几个原则：（1）问题的提出应以专业为背景，如以航空航天应用背景设计问题，利于丰富专业背景知识，增强学习兴趣；（2）问题的提出源于课程理论体系，有助于构建学生的理论知识架构，将所学知识系统结构化；（3）问题的设计可验证性强，可提供实验或仿真等开放性平台，鼓励学生进行实验论证，加深对知识的理解，提高实践能力。

2 问题导向的电子技术课程教学举例

电子技术课程中直流稳压电源章节的串联降压型开关稳压电源具有功耗低、效率高、体积小等的优点，广泛应用于航空航天各类电子设备中。但是，由线性稳压电源深化至开关稳压电源及串联降压型开关稳压的稳压原理等基础知识相对较为抽象，如果采用传统的教学方法，其中的利用伏秒平衡原理计算输出电压的方法及脉宽调制（PWM）稳压原理学生往往不易理解，容易对其望而生畏，难以学以致用。因此，本文以航天卫星电源“问题导向”式引入教学主题并进行教学与实践，关键步骤如下。

2.1 提出问题

一般而言，问题的提出包含两种方法：一是直接式，即开门见山的抛出问题；二是情境设置式，即从情境中提出问题。显然，后者更容易激发学生的兴趣及好奇心。情境引入问题的方式有多种，如短视频、教具、实验样机等。考虑前面问题设计的三个原则，本设计采用实验样机与短视频的方法，利用熟悉的、可接触到事物引入课堂内容，容易激发学生的学习热情，利于培养学生主动探索和解决实际问题的能力，通过展示已有应用于航天卫星系统的稳压电源实验原理样机，如图1所示。结合应用指标要求如输入电压15～25 V，输出恒定5 V，功率25 W，提出如何实现降压并稳压这一关键问题。此外，通过播放一条卫星环绕地球运行短视频，强调5V电源在系统中承担提供能量的重要角色，同时航天应用的稳压电源要求效率高、体积重量小等，通过强调样机的应用背景及需求，以激发学生的学习兴趣与思考。

图1：应用于航天卫星系统的稳压电源实验样机

2.2 分析问题

在问题明确后，需要对问题进行梳理与分析，即明确有没限制条件，终于达到的效果是什么等。相当于对问题的进一步解析。如：航天应用的场合限制了效率不能低，体积重要不能大；最终实现的效果是无论输入电压或负载在规定范围内变化，输出维持恒定5V电压。明确问题之后，在后面探寻解决问题时重点突出，利于快速得到解决办法。

2.3 解决问题

解决问题是问题导向教学模式最为重要的一个环节，在明确问题之后，带着问题引导学生回顾所学过的串联线性稳压电源、三极管工作状态及低通滤波器等基础知识，从效率视角剖析问题并得到解决办法。如三极管工作在线性放大状态下损耗大、效率低，如果让其工作在饱和与截止状态（开关状态），三极管理想情况下的损耗等于零，进而效率100%，显然与问题需求相符，再结合滤波器知识可以得到高效开关电源结构，如图2所示。

图2：降压型开关稳压电源结构

在此基础上，如何实现降压与稳压呢？解决办法源于本节课的重点内容——脉宽调制（PWM）与伏秒平衡原理可以解决这个问题。在此，教师先详细讲解这两个重要知识点，在讲解过程中紧紧围绕问题来讨论。首先，如何得到5V输出，利于电感伏秒平衡原理分析得到输出电压Vo与输入电压Vin的计算关系(Vo=DVin，D为占空比)；其次，当输入电压变化时，如何稳定5V恒定输出，利于PWM调制原理予以实现，实现原理如图3所示，即当输入电压由15V上升至25V时，若采用PWM调制方法，调节逻辑为Vin↑→Vo↑→verr↓→vr↓→D↓→Vo↓（Vin：输入电压，Vo：输出电压，verr：误差电压，vr：调制电压，D：占空比）,即若不采用PWM调节，输入电压的增加必然导致输出电压增加，但加入PWM调节后，输出电压可调节并实现稳压输出。至此，前面提出的问题都得以解决。

图3：降压型开关稳压电源PWM稳压调节原理

在理论知识学习之后，利用实验原理样机完成对所学内容的实验论证，加深学生对知识的理解，同时增强实物感，锻炼学生学以致用的能力，达到融会贯通的效果。值得一提的是，课堂时间往往有限，实验论证部分课堂上一般难以实现，但教师可以提前录制好视频，通过视频的方式呈现，以节省时间，提高教学效率。

2.4 结论与拓展

最后，对本次课程予以总结，得出结论，在小结过程中，注重前后呼应，问题的来龙去脉及如何得到的解决办法，如：为降低损耗、提高效率，利于三极管工作在开关状态；为降压并恒定输出电压，采用PWM调制策略；通过伏秒平衡原理可得输出与输入电压关系等，可见，做到了问题的前后呼应。

最后，对所学课程知识在航空航天领域的应用进行拓展，介绍我国最近发生的重要航天事迹，以开阔学生视野，激发学生爱国情怀。

3 总结

电子技术是理工科专业的一门技术类重要基础课程，具有很强的实践性。本文探讨了问题导向教学模式在电子技术课程教学的应用与实践，结合南京航空航天大学专业特色，以串联降压型开关稳压电源章节教学内容为例，从问题提出、分析问题、解决问题、结论与拓展等方面系统阐述了教学方法。所提方法适用于其他章节课程的教学，旨在通过问题导向并将理论与实际应用相结合，以培养学生自主创新的能力，提高学习兴趣与教学效果。