模擬電子技術(shù)課程的問題導(dǎo)引式教學(xué)方法探析

羅銘　朱天橋　趙建勛　姚若玉

摘要：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程具有內(nèi)容豐富、知識(shí)跨度大且電路分析方法靈活多變等特點(diǎn)，上述特點(diǎn)導(dǎo)致該課程學(xué)習(xí)難度大，并顯著降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。鑒于此問題，本文結(jié)合模擬電子技術(shù)課程的特點(diǎn)和問題導(dǎo)引式教學(xué)方法優(yōu)勢(shì)，探索結(jié)合該課程特點(diǎn)的問題導(dǎo)引式教學(xué)方法。

關(guān)鍵字：模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)；問題導(dǎo)引式；器件發(fā)展史；電路演化

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）21-0204-02

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)是電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，以物理、數(shù)學(xué)、信號(hào)系統(tǒng)和電路基礎(chǔ)等課程為先導(dǎo)課程，是后續(xù)射頻電路、數(shù)字電路、微機(jī)原理等課程的專業(yè)基礎(chǔ)課程。模擬電子技術(shù)課程具有內(nèi)容豐富、知識(shí)跨度大、電路模型抽象、電路分析方法靈活多樣等特點(diǎn)。諸多特點(diǎn)導(dǎo)致模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)是電子類本科教育課程較難以學(xué)習(xí)的課程。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中更易降低學(xué)習(xí)興趣。

本文首先由分析該課程的主要特點(diǎn)入手，總結(jié)模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中的具體教學(xué)困難。隨后，在簡要介紹問題導(dǎo)引式教學(xué)方法后，針對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程，給出了進(jìn)行問題導(dǎo)引式教學(xué)方法探索的具體內(nèi)容。

一、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的特點(diǎn)與教學(xué)困難

1.課程內(nèi)容豐富、知識(shí)跨度大。模擬電子技術(shù)課程涉及不同層面的知識(shí)內(nèi)容[2-6]，從基本的半導(dǎo)體原理、典型的器件特性，到具體應(yīng)用電路的分析和設(shè)計(jì)，知識(shí)內(nèi)容豐富且跨度較大。例如：學(xué)習(xí)PN結(jié)的形成和特性時(shí)，需要清楚半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；分析三極管構(gòu)成的基本放大電路時(shí)，必須掌握三極管在不同工作區(qū)域的工程近似模型；學(xué)習(xí)頻率特性時(shí)又需要建立電路在高頻、中頻和低頻區(qū)的不同的響應(yīng)模型；學(xué)習(xí)運(yùn)算放大器應(yīng)用電路時(shí)候，需要采用運(yùn)放的“黑盒”模型。從微觀載流子運(yùn)動(dòng)到宏觀的電路模型，所面臨的知識(shí)跨度較大，因而造成了學(xué)生學(xué)習(xí)的困難。

2.課程的電路模型抽象且電路分析方法靈活多變。模擬電子技術(shù)所涉及的器件具有的非線性特性，諸如二極管的伏安特性、三極管的共射輸入和輸出特性、集成運(yùn)放的傳輸特性等，均呈現(xiàn)出非線性特點(diǎn)。分析此類非線性器件構(gòu)成的電路時(shí)，一般采用分段線性化的工程近似思想，因而器件特性被劃分為不同的區(qū)域：如集成運(yùn)放的線性區(qū)和限幅區(qū)；二極管的導(dǎo)通、截止和擊穿；三級(jí)管的放大、截止和飽和等區(qū)域。針對(duì)器件不同的工作區(qū)域需要建立相應(yīng)的電路等效模型以方便分析。因而，課程學(xué)習(xí)中，器件狀態(tài)判斷、模型應(yīng)用和電路計(jì)算分析糾纏在一起，增加了學(xué)習(xí)難度。同時(shí)，不同的工程近似精度要求會(huì)導(dǎo)致采用的電路等效模型的變化。因此，器件的非線性特性導(dǎo)致同一器件的多個(gè)工程近似模型，也導(dǎo)致電路分析方法靈活多樣，因而概念不易掌握。同時(shí)，模擬電子技術(shù)以構(gòu)建電子系統(tǒng)、構(gòu)成電子應(yīng)用為目標(biāo)。如何讓學(xué)生從系統(tǒng)構(gòu)建的高度，清楚每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域也頗為不易。

鑒于上述特點(diǎn)，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)難度較大，在學(xué)習(xí)過程中更易降低學(xué)習(xí)興趣。

二、問題導(dǎo)引式教學(xué)方法

基于問題式的學(xué)習(xí)模式起源于20世紀(jì)50年代，是一種以問題為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)模式[1]，此種教學(xué)法可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極思維，提高學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)造性思維。問題導(dǎo)引式教學(xué)方法既注重教師的教學(xué)方式，且關(guān)心學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。此方法要求教師在授課過程中重現(xiàn)具體問題的提出和解決的過程，促使學(xué)生基于自主、研究，合作等方法去解決具體真實(shí)的問題，同時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。

應(yīng)用基于問題導(dǎo)引的教學(xué)方法需要解決“問題設(shè)計(jì)”和“問題解決”兩個(gè)關(guān)鍵步驟。“問題設(shè)計(jì)”中需要明確問題提出，要求面向所需教學(xué)的知識(shí)內(nèi)容，明確具體，最好有一定趣味性。“問題解決”步驟中關(guān)心解決問題的過程和方法，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生通過解決問題獲取知識(shí)、思維能力和成就感，從而誘發(fā)興趣，形成進(jìn)一步學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

三、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的問題導(dǎo)引教學(xué)方法探索

（一）回顧器件技術(shù)問題背景，引入器件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)是為了構(gòu)建特定功能應(yīng)用電路，完成特定的信號(hào)處理的任務(wù)。各種電子器件的產(chǎn)生與應(yīng)用，均是為了解決當(dāng)時(shí)所面臨的具體技術(shù)應(yīng)用問題。當(dāng)前應(yīng)用多種電子器件均是在最初器件原型基礎(chǔ)上升級(jí)、改進(jìn)而得到的。因此，可以從技術(shù)歷史材料中取材，讓學(xué)生們了解器件的產(chǎn)生歷史，最好能夠在教學(xué)過程中重現(xiàn)具體器件所產(chǎn)生、改進(jìn)的歷史技術(shù)問題及其解決過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，通過了解器件的應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)原因、學(xué)生更易形成器件的應(yīng)用觀點(diǎn)。

在教學(xué)過程中組織教學(xué)材料時(shí)可以采用如下方法：各個(gè)教學(xué)材料包括“引導(dǎo)問題”、“問題相應(yīng)的知識(shí)內(nèi)容”和“具體實(shí)施步驟概要”。下面具體給出兩個(gè)例子：

1.晶體管的教學(xué)。

引導(dǎo)問題：早期調(diào)幅無線電通信要求檢波和信號(hào)放大設(shè)備，而電子管功耗、體積以及壽命限制其應(yīng)用，要求新型的單向化和放大器件產(chǎn)生。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容：PN結(jié)的特性，二極管、三極管器件特性和應(yīng)用電路。

實(shí)施步驟概要：①簡要回顧從二極管、三極管的產(chǎn)生歷史，包括主要的遭遇的技術(shù)問題，而導(dǎo)出二極管、三極管。②指出二極管、三極管其特性的分析實(shí)際可以歸結(jié)為PN結(jié)的特性，介紹PN結(jié)和器件的具體特性（伏安特性，輸入輸出特性等）。③從應(yīng)用器件的角度，導(dǎo)致器件產(chǎn)生的技術(shù)問題也正是器件應(yīng)用所要解決的問題：如二極管的整流、限幅、檢波均為單向化操作，給出相應(yīng)電路。三極管構(gòu)成的放大電路目的是完成信號(hào)放大，給出三種放大電路并分析比較其特性。

2.集成運(yùn)算放大器的教學(xué)。

引導(dǎo)問題：早期貝爾實(shí)驗(yàn)室所遭遇的電話網(wǎng)絡(luò)中語音放大問題：變化的供電電壓和環(huán)境因素引發(fā)的語音放大器工作增益漂移，導(dǎo)致語音音量時(shí)大時(shí)小的變化，電話服務(wù)質(zhì)量下降。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：運(yùn)算放大器特性，運(yùn)放線性應(yīng)用電路，負(fù)反饋原理的提出和理論。[2]

實(shí)施步驟：①通過對(duì)歷史材料的回顧，讓學(xué)生了解運(yùn)算放大器產(chǎn)生的歷史背景和應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)問題，導(dǎo)出運(yùn)算放大器。②給出運(yùn)算放大器的特性和應(yīng)用電路；③生成器件的技術(shù)問題也正是器件應(yīng)用所要解決的問題：介紹負(fù)反饋原理和運(yùn)放的線性應(yīng)用電路。

（二）強(qiáng)調(diào)典型電路改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)問題和改進(jìn)過程

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程中的典型電路，其提出和應(yīng)用均有其技術(shù)需求驅(qū)動(dòng)。通過從技術(shù)需求的演進(jìn)角度，講述電路的改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)問題和改進(jìn)方法，強(qiáng)調(diào)電路之間的聯(lián)系，促使學(xué)生從“死記硬背”的電路學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚪鉀Q技術(shù)需求問題的增量式、創(chuàng)新設(shè)計(jì)性學(xué)習(xí)。通過具體電路的改進(jìn)與演化，提高學(xué)生對(duì)電路分析和設(shè)計(jì)方法的掌握，從而達(dá)到鞏固學(xué)習(xí)知識(shí)，提高學(xué)生創(chuàng)新性思維能力。具體而言，如下簡要地給出幾個(gè)教學(xué)例子，應(yīng)用時(shí)候在具體電路導(dǎo)出時(shí)候先指出問題，然后導(dǎo)出具體電路。

1.電壓跟隨器。

引導(dǎo)問題：電路分級(jí)隔離的需求。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：電壓跟隨器。

實(shí)施步驟：從同相比例放大器出發(fā)，通過將反饋電阻趨于零、接地電阻趨于無窮演化成為電壓跟隨電路，并討論電壓跟隨器的應(yīng)用。

2.加法器。

引導(dǎo)問題：信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算需求。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：基于運(yùn)放的加法器。

實(shí)施步驟：從同相、反相比例放大電路出發(fā)，通過添加多個(gè)輸入信號(hào)演化為同相和反相加法器，并分析和比較兩種加法器的電路特性，如輸入電阻等。

3.加法器。

引導(dǎo)問題：信號(hào)減法實(shí)現(xiàn)問題。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：基于運(yùn)放的減法器電路。

實(shí)施步驟：從同反相放大電路改進(jìn)生成減法運(yùn)算電路，并分析對(duì)比各種系數(shù)值的減法電路的構(gòu)成實(shí)現(xiàn)。

4.差動(dòng)電路。

引導(dǎo)問題：單晶體管共射放大電路溫漂問題，提高射極耦合差動(dòng)電路抑制共模干擾問題。

問題相應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)：差動(dòng)電路構(gòu)成、特性分析，應(yīng)用。

實(shí)施步驟：從普通的單晶體管共射放大電路出發(fā)，為了克服溫漂、抑制共模干擾演化為差動(dòng)放大電路，進(jìn)而改進(jìn)成為采用恒流源的差動(dòng)放大電路，最后，分析比較兩種差動(dòng)電路的特點(diǎn)。

四、結(jié)論

本文探索模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的問題導(dǎo)引式教學(xué)方法。采用問題導(dǎo)引式教學(xué)框架，通過回顧器件發(fā)展技術(shù)問題、強(qiáng)調(diào)電路改進(jìn)演化過程的技術(shù)問題，導(dǎo)出相應(yīng)器件和電路知識(shí)。旨在以應(yīng)用問題導(dǎo)向，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提高學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力并形成系統(tǒng)應(yīng)用的觀點(diǎn)。在實(shí)施過程中回顧器件歷史應(yīng)簡明扼要，以避免聽者因時(shí)間過長產(chǎn)生厭煩情緒；在強(qiáng)調(diào)電路演化過程時(shí)候，需由需求問題或原電路存在缺陷出發(fā)，自然引出新的改進(jìn)的電路。

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