研究型教學在“模擬電子技術”中的應用

史雪飛，李江昀，李 擎，劉蘊絡

(北京科技大學自動化學院，北京 100083)

0 引言

我們在講授“模擬電子技術”課程的過程中，發現存在以下幾個問題:①該課程具有入門難的特點，學生從先前“電路”課程的線性思維過渡到“模擬電子技術”課程的非線性思維需要較長的時間;②學生長期以來接受的學習理念是:求解問題要求邏輯上的嚴密和數學上的精確，但在模擬電路中這種慣性思維卻往往成為分析問題的束縛;學生從精確嚴謹到粗略估算需要慢慢扭轉思維習慣;③學生在課堂學習時因為沒有感性認識的基礎，接受間接的經驗知識時學習動力不足，缺乏對問題深入思考。

鑒于以上實際問題，如何能夠在“模擬電子技術”的課堂教學上引導學生統領該課程的知識體系和獨有特點，變被動接受為主動探究呢?為此我們結合“模擬電子技術”課程的特點，開展了部分研究型教學的實踐與探索工作;并且立項申請為我校研究型教學示范課程。

對于“模擬電子技術”課程，開展研究型教學的總體思路是將科學研究的基本要素(提出問題、查閱文獻、猜想與假設、方案設計、分析論證、科學思想和交流與合作等)結合課程核心的教學內容，包括基本概念、重要的分析方法和課程的精髓以及拓展環節以研究型獨有的教學模式(論文研究、基于問題的學習、案例分析研究和項目訓練等)傳遞給學生。通過這種研究性的探討形式將課程內容內化構建到自身的認知結構中;使得學生除了掌握課程的核心框架和知識體系之外，還可以獲得學習過程本身的價值，經歷并體驗開展科學研究的規律，同時達到提升各方面能力的最終目標[1，2]。

1 研究型教學的初步嘗試

1.1 從線性思維到非線性思維的轉換

“模擬電子技術”的先修課程是“高等數學”和“電路”，其基本原理都是基于線性系統。而“模擬電子技術”中的二極管、晶體管和場效應管都是非線性元件，基于這些元件的電路都是非線性系統。如何通過研討加啟發的形式將學生的視野和思維從線性世界過渡到非線性世界，我們在教學實踐中進行了以下嘗試。

(1)研討線性元件與非線性元件的本質區別，舉例說明現實世界中的線性系統與非線性系統，并引導學生尋找和發現其他的實例;

(2)引入期刊文獻[3]，讓學生結合自身的感受總結“模擬電子技術”課程的非線性來源以及解決辦法(課后作業形式);

(3)闡述線性與非線性系統在數學描述上的差異。在此基礎上結合學生對非線性解決辦法總結性地提出解決此問題的2～3種方法。著重講述將非線性問題分段線性化，用線性系統理論解決非線性問題的方法。

(4)逐步引導學生理解為什么設置靜態工作點及微變等效電路分析法的科學定位，使得學生清晰掌握“模擬電子技術”課程中對分立元件討論的整個體系。

1.2 引入拋錨式教學學習模式

拋錨式教學是典型的任務驅動模式教學過程，它的教學特點是知識獲取建立在真實事件或者真實問題之上。具體的教學過程是由教師提出預先設計好的、發生在身邊的真實問題，用一根主線將問題的解決過程以及課程的知識點融入其中，學生在教師的引導下、自主地探索中循序漸進地引出這些相關的知識，使學生置身在提出問題、思考問題和解決問題的動態過程中進行研究和學習[4]。

1.3 用仿真技術填補理論和實踐的鴻溝

“模擬電子技術”課程其理論知識本身就具有較大的難度，為了讓學生更好地掌握關鍵概念，首先通過仿真技術使學生建立起感性認識，然后逐步過渡到讓學生自己通過仿真軟件來進行電子電路系統的設計。

(1)對濾波電路的感性認識—例如三角波經低通濾波器，濾除高頻成分，保留基波成分即為正弦波，如圖1所示。通過這樣的仿真講解，使學生感性地了解濾波電路的作用。

(2)對暫態過程的感性認識—例如振蕩電路的起振過程，在做實驗時是無法通過示波器觀察到的，在課堂教學中引入仿真的實例，如圖2所示，可以讓學生清晰地感受起振到底是怎樣建立的。

(3)研究型設計任務—自動夜光燈的設計、萬用電表電路的設計和心電信號放大電路的設計等。

圖1 濾波電路的仿真介紹

圖2 起振過程的仿真演示

2 研究型教學模式的推進

研究型教學模式的關鍵環節是提出好的研討專題，并選擇合適的教學模式，同時將提升學生特定能力的培養目標融入其中。本課程組在上述研究型教學實踐的基礎上，篩選出該課程具有研究意義的關鍵教學內容，并針對前述學生學習中存在的問題，進一步提出了以下四個研討專題，結合每個專題規劃了具體的培養目標。

1)專題一:基于三極管輸入、輸出特性曲線，介紹線性元件與非線性元件、線性電路與非線性電路理論。

研究內容及要求:首先分析三極管輸入、輸出特性曲線，從特性曲線的各分段著手研究非線性電路線性化方法，從而提出解決三極管非線性的若干種辦法;最后擴展到論述線性和非線性理論的異同及各自適用的領域。

該專題提出的背景:大多數學生在課程入門的時候感覺比較吃力，認為很多概念不好理解。究其原因，除了教學內容本身的復雜性外，還有一個重要的思維定勢的影響。那就是在先修課程“電路”中，學生接觸到的都是線性電路的學習。而“模擬電子技術”課程中電路的電子器件均為非線性元件，學生本能地采取線性電路的思維去思考，由此產生出相應的學習屏障[5]。

此專題的培養目標:通過查閱文獻、分析討論的形式使學生順利地從線性思維過渡到非線性思維。并在研究性的學習中力圖培養學生:①發掘、梳理和分析有關信息資料的能力;②提煉或提出有價值問題的能力。

2)專題二:通過特定的案例分析，研究該課程重要的思維轉變，從理論解析到工程解決方法的實際意義。

案例的選擇包括:①以分壓偏置式靜態工作點穩定電路的數學解析與工程近似解為例進行計算復雜度對比;②用Multisim仿真加入溫度擾動及器件特性擾動時，出現不同情況下的解在估算值附近波動的現象。

該專題提出的背景:模擬電路的非線性元件，如果使用數學解析方法分析，將會使過程過于復雜甚至難于實現。實際應用中，如果使用工程近似的方法，將快速獲得近似解。在實際中通過調試獲得理想結果是“模擬電子技術”這門應用的課程所必需的，同時也是大量工程實踐項目中經常采用的。借助該專題的案例分析幫助學生建立工程思維，扭轉他們從精確、嚴謹到粗略、估算的思維習慣。

3)專題三:提煉具有一定綜合性的現實問題，分階段分層次化解為若干個小課題(契合重點知識)作為基于問題的研究學習。要求學生在課程結束前完成全部設計，用仿真軟件進行調試運行，優秀團隊還可用硬件實現。

該專題提出的背景:一個大型電子電路應用系統包含有若干個環節，分析和設計需要按照功能分解，逐級依次展開，而后通觀全局協調融合。該課程的核心元器件—集成運放的應用是學生實踐能力培養的重點，借助于該專題不僅讓學生整體把握和駕馭集成運放眾多應用電路的結構特點。此外，PID問題讓學生真正領會運算放大器中加減、比例、積分和微分的實際應用效果及功能。同時為后續課程中數字PID及控制理論的學習引出更深層次的問題。

4)專題四:1950-2050年模擬電子技術的發展與展望

研究內容及要求:使學生在研究性教學中，熟知模擬電子技術的歷史發展與現狀，完成“模擬電子技術”課程整個知識體系的綜述;同時展望未來模擬電子技術的發展。要求學生在了解PN結、三極管、集成運放的歷史發展背景的基礎上從不同角度、不同側面提煉并繪制出模擬電子技術中電路系統的組成結構圖，要求將該課程中所有的教學知識點在這張結構圖中得到反映，使學生從系統的高度掌握該課程從元器件—電子電路—電子系統的主線。

該專題提出的背景:由于現有的教學計劃，課時不斷的壓縮，學生缺乏主動歸納本課程知識點之間以及與其他先修、后續課程聯系的訓練;學生缺乏對課程核心方法和精髓思想的宏觀駕馭。

此專題培養目標:①在看似沒有關聯的事物間建立聯系的能力;②系統性思維—從上到下、從樹干到樹枝、再到樹葉，建立部分與全局的關系。

總結以上專題，可以得到如圖3所示的教學模式、研究內容、培養目標以及總體的設計規劃思路。

研究專題成績評定方法:學生以小組或個人完成專題研究工作(溝通、研討、分工、合作)，小組人數不能超過3人;研究專題成績占平時總成績的10%;由研究報告、課堂宣講和回答問題等幾個方面組成。

研究型教學模式實施過程中，我們采用調查問卷的形式征求學生的評價和獲取相應的教學效果。89%的學生反映新的教學模式比起以前的傳統教學模式能夠更加激發他們的學習興趣，并借助于四個研討專題的引入，95%的學生認為在課程結束時已經能夠深刻領會模擬電子技術課程非線性、工程性、復雜性和實踐性的突出特點。通過最后知識體系圖的構建，絕大多數學生都對該課程的總體宏觀把握更為深入了。

3 結語

在研究型教學的實踐探索中，我們始終依照以下原則:①研究型教學并不是學術性研究，將課程的核心概念和重要內容“內隱”在研究型教學模式的“外殼”下才是專業基礎課程研究型教學的主導[6];②研究型教學的關鍵環節是提出好的研討專題，選擇適宜的教學模式，為此我們專門調研了學生的實際學習困難，有針對性地設計了對口的專題討論;③“模擬電子技術”課程在電子信息類專業的培養計劃中具有橋梁作用——從線性到非線性、從嚴謹的慎密思維到粗略估算的工程方法、從精確的理論解析到實踐的可操作性以及從元器件個體到放大電路以及整個電子系統了解的局部與整體的辯證關系。研究型教學的探討依然離不開這些“模擬電子技術”課程的主線。

[1]趙洪.研究性教學與大學教學方法改革[J].武漢:高等教育研究，2006(2)

[2]高虹，劉惠琴.從基于問題的學習看研究型課程教學[J].北京:中國高教研究，2003(11)

[3]魯玲，劉大年.從破除思維定勢談模擬電子技術課程教學[J].桂林:桂林電子工業學院學報，2003(4)

[4]史雪飛，劉蘊絡，牟世堂.拋錨式教學策略在模擬電子技術課程中的應用[J].南京:電氣電子教學學報，2007(4)

[5]于歆杰，陸文娟，王樹民.專業基礎課中的研究型教學[J].武漢:高等工程教育研究，2006年(1)