融入CDIO的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)改革初探

尹榮榮　蘆鑫　郭璇　劉浩然　張保軍

[摘? ? ? ? ? ?要]? 結(jié)合CDIO新的教育理念，進(jìn)行模擬電子技術(shù)課程的創(chuàng)新性教學(xué)改革，提倡“做中學(xué)”的教學(xué)方法，引入Multisim仿真軟件，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察、思考、設(shè)計(jì)、分析，改進(jìn)新的課堂學(xué)習(xí)模式，加強(qiáng)課堂理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生形成更接近工程實(shí)際的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 模擬電子技術(shù);CDIO教育理念;Multisim仿真;教學(xué)實(shí)踐

[中圖分類號(hào)]? G712? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2019）22-0022-02

一、CDIO教育理念

CDIO是由麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所高校創(chuàng)立的工程教育模式，讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的方式學(xué)習(xí)，獲取工程能力。融入CDIO的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)，就是在教學(xué)活動(dòng)中采用豐富的教學(xué)手段、更新教學(xué)模式和學(xué)習(xí)環(huán)境，使課程理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，相互補(bǔ)充，盡可能地為學(xué)生提供接近工程實(shí)際的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)[1]。

二、在教學(xué)中應(yīng)用Multisim仿真的優(yōu)勢(shì)

講解式課堂教學(xué)主要體現(xiàn)知識(shí)的系統(tǒng)闡述，更多體現(xiàn)的是記憶、理解層面的知識(shí);而實(shí)驗(yàn)過(guò)程強(qiáng)調(diào)知識(shí)的運(yùn)用，是將知識(shí)內(nèi)化為自己能力的過(guò)程。通過(guò)講解課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引入仿真分析環(huán)節(jié)，建立起知識(shí)和實(shí)踐之間的橋梁，從易到難，讓學(xué)生在做中學(xué)，逐步培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，逐步提高學(xué)生解決系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題的能力[2]。

課堂教學(xué)中引入Multisim仿真分析環(huán)節(jié)，將架起從知識(shí)到實(shí)踐的橋梁。沒(méi)有仿真分析，一方面授課過(guò)程僅以理論知識(shí)講授為主，學(xué)生缺乏對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深刻理解;另一方面會(huì)導(dǎo)致從理論教學(xué)直接進(jìn)入實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，學(xué)生難以接受，效果不佳。Multisim仿真軟件提供了豐富的電路元器件庫(kù)和常用的測(cè)試儀表，具有強(qiáng)大的電路測(cè)試、仿真分析能力，其元件和儀器儀表與實(shí)際情況非常接近，可以使很多繁雜、抽象的東西具體化、生動(dòng)化，幫助學(xué)生更快、更好地掌握理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合能力和創(chuàng)新能力[3]。

三、運(yùn)用Multisim仿真的教學(xué)展示

明確學(xué)生在經(jīng)過(guò)Multisim仿真分析階段的學(xué)習(xí)后能夠達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)，即熟悉仿真軟件中模擬電路的系統(tǒng)搭建過(guò)程，通過(guò)借助仿真軟件加深理解模擬電路的分析過(guò)程，掌握模擬電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，具備深入分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化復(fù)雜模擬電路的能力，據(jù)此設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容。下面以“工作點(diǎn)穩(wěn)定電路”這節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容為例，展示引入Multisim仿真分析的課堂教學(xué)過(guò)程。

（一）問(wèn)題引出

靜態(tài)工作點(diǎn)Q（IB，IC，VCE）過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致電路產(chǎn)生失真，還影響著幾乎所有的動(dòng)態(tài)參數(shù)。根據(jù)Multisim軟件中課前畫好的單管共射放大電路的仿真圖（如圖1所示），通過(guò)調(diào)整電阻Rb的取值，即基極電流IB≈、集電極電流Ic=βIB、三極管集電極和發(fā)射極間電壓VCE=VCC-IcRc改變，學(xué)生能夠通過(guò)觀察輸入輸出波形，對(duì)飽和失真和截止失真現(xiàn)象有直觀認(rèn)識(shí)。圖2給出了在減小Rb取值下的飽和失真現(xiàn)象仿真結(jié)果圖，反之，若增大Rb取值則會(huì)出現(xiàn)截止失真現(xiàn)象，相應(yīng)波形呈現(xiàn)頂部削波。

圖1 單管共射放大電路仿真圖

圖2 飽和失真現(xiàn)象（Rb減小至160kΩ）

進(jìn)一步向?qū)W生強(qiáng)調(diào)，實(shí)際應(yīng)用中電源電壓的波動(dòng)、元件的老化以及因溫度變化所引起三極管參數(shù)的變化，都會(huì)造成靜態(tài)工作點(diǎn)Q的不穩(wěn)定，而引起靜態(tài)工作點(diǎn)不穩(wěn)定的諸多因素中，溫度對(duì)三極管參數(shù)的影響是最主要的。溫度每升高10℃，三極管集電極和基極反向飽和電流ICBO約增加1倍;溫度每升高1℃，三極管電流放大倍數(shù)β約增大0.5%～1%;溫度每升高1℃，三極管發(fā)射結(jié)電壓VBE約減小2mv～2.5mv。三極管的ICBO、β和VBE隨溫度變化時(shí)，對(duì)Q點(diǎn)的影響，最終都表現(xiàn)在使Q點(diǎn)集電極電流IC的增加，即所謂Q點(diǎn)穩(wěn)定，是指溫度變化時(shí)所設(shè)計(jì)電路IC維持恒定。

（二）電路分析

針對(duì)所引出工作點(diǎn)穩(wěn)定問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，給學(xué)生留出適當(dāng)?shù)乃伎紩r(shí)間，隨后對(duì)學(xué)生在單管共射電路基礎(chǔ)上提出的穩(wěn)定Q點(diǎn)的相應(yīng)措施進(jìn)行歸納總結(jié)，并在Multisim軟件中課堂演示對(duì)應(yīng)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的搭建過(guò)程，電路結(jié)果如圖3所示。

圖3 工作點(diǎn)穩(wěn)定電路仿真圖

圖4 直流通路

結(jié)合該電路圖，借助多媒體課件可理論講解穩(wěn)定Q點(diǎn)的原理、對(duì)Q點(diǎn)進(jìn)行推導(dǎo)分析，同時(shí)進(jìn)一步發(fā)揮仿真技術(shù)直觀形象的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)Multisim仿真軟件的電路波形動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程，顯示射極電阻Re在穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的同時(shí)對(duì)電路動(dòng)態(tài)性能帶來(lái)的相應(yīng)影響。

1.穩(wěn)定原理

工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的直流通路，如圖4所示。為了穩(wěn)定Q點(diǎn)，通常I1>>IBQ，即I1≈I2，因此UBQ≈VCC基本不隨溫度變化。

而IEQ=，設(shè)UBEQ=UBE+ΔUBE，若UBQ-UBE>>ΔUBE，則

IEQ穩(wěn)定，ICQ≈IEQ恒定。

為此，穩(wěn)定Q點(diǎn)的物理過(guò)程為：T（℃）？邙→ICQ？邙→IEQ？邙→UBEQ？鄔→ICQ？鄔，即溫度T升高，ICQ增加，由于電路中射極電阻Re的引入，通過(guò)Re轉(zhuǎn)換為ΔUEQ，又因?yàn)樵撾娐稶BQ基本不變，進(jìn)而影響UBEQ，使之減小。可見，Re在電路中起直流負(fù)反饋?zhàn)饔茫渲翟酱螅答佋綇?qiáng)，Q點(diǎn)越穩(wěn)定。

2.Q點(diǎn)分析

根據(jù)直流通路圖，進(jìn)一步對(duì)其靜態(tài)工作點(diǎn)Q（IB，IC，VCE）的取值進(jìn)行推導(dǎo)分析，

IEQ=≈ICQ，IBQ=，UCEQ=VCC-ICQRc-IEQRe。

3.動(dòng)態(tài)性能

根據(jù)已建立的基礎(chǔ)知識(shí)，穩(wěn)定Q點(diǎn)的原理和對(duì)Q點(diǎn)的分析可知，相對(duì)于單管共射電路，Re接入電路帶來(lái)了穩(wěn)定Q點(diǎn)的好處，那么它對(duì)電路的動(dòng)態(tài)性能會(huì)產(chǎn)生影響嗎？為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析該問(wèn)題，采用Multisim仿真方式，從圖3可知，在旁路電容Ce接入和移除電路兩種模式下，該電路的直流通路均不會(huì)發(fā)生改變，都具備穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的優(yōu)秀特性，但旁路電容Ce接入模式下，電路交流分析時(shí)Re出現(xiàn)短接，即該電路交流通路與單管共射電路相類似，其動(dòng)態(tài)性能無(wú)Re的影響;但旁路電容Ce移除模式下，電路交流分析時(shí)Re全部接入電路，此時(shí)是否會(huì)帶來(lái)電路動(dòng)態(tài)性能的變化，借助Multisim中的示波器，首先向?qū)W生直觀顯示上述兩種模式下該電路電壓放大倍數(shù)的幅值變化曲線仿真結(jié)果。

根據(jù)圖3工作點(diǎn)穩(wěn)定電路中示波器XSC1的連接方式，A通道接電路輸入電壓，B通道接電路輸出電壓，結(jié)合幅值變化曲線仿真結(jié)果可知，相比交流分析中Re短接方式，在Re全部接入電路后，電路輸出電壓幅值減小了，另外觀察仿真結(jié)果中的B通道刻度，分別為200 mv/div和20 mv/div，可得出電路輸出信號(hào)電壓幅值減小了10倍多。可見，Re接入電路，雖然帶來(lái)了穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)Q的好處，但卻使電壓放大倍數(shù)下降了，而且Re越大，下降就越多。

根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步要求學(xué)生再用理論求解的方法，對(duì)比分析在旁路電容Ce接入和移除電路兩種模式下，圖3所示工作點(diǎn)穩(wěn)定電路的動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，如電壓放大倍數(shù)（Ce）=-和A=-、輸入電阻Ri（Ce）=Rb1∥Rb2∥rbe和Ri=Rb1∥Rb2∥[rbe+（1+β）Re]、輸出電阻R0（Ce）=Rc和R0=Rc，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，并加深理解模擬電路的系統(tǒng)分析過(guò)程。

（三）討論及改進(jìn)

根據(jù)上述工作點(diǎn)穩(wěn)定電路動(dòng)態(tài)性能的仿真結(jié)果和相應(yīng)的理論對(duì)比分析結(jié)果，最后引導(dǎo)學(xué)生對(duì)工作點(diǎn)穩(wěn)定電路做總結(jié)討論，可得出以下重要結(jié)論：Re的接入，以反饋方式帶來(lái)了穩(wěn)定Q點(diǎn)的好處，其值越大，Q點(diǎn)電流IC越穩(wěn)定;但同時(shí)增加電路電壓放大倍數(shù)的有效途徑是減小Re，而為了增強(qiáng)電路對(duì)輸入電壓的索取能力，提高輸入電阻Ri，又應(yīng)增大Re。根據(jù)上述總結(jié)，為了解決Re引入對(duì)電路動(dòng)態(tài)性能影響的沖突問(wèn)題，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生提出工作點(diǎn)穩(wěn)點(diǎn)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，如Re的部分接入等措施、逐步形成優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜模擬電路的能力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)語(yǔ)

仿真軟件方式的接入建立了本課程理論知識(shí)和工程實(shí)踐任務(wù)的教學(xué)連接，將培養(yǎng)學(xué)生能力貫穿于整個(gè)課堂教學(xué)中，采用Multisim軟件搭建課堂講授電路圖，讓學(xué)生對(duì)理論上的器件和電路圖有直觀的理解，并結(jié)合多媒體、板書、現(xiàn)場(chǎng)仿真分析等多種教學(xué)方式，通過(guò)與學(xué)生討論，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與課堂學(xué)習(xí)，通過(guò)觀察、思考、設(shè)計(jì)、分析和改進(jìn)的課堂學(xué)習(xí)模式，逐步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，使學(xué)生基本具備分析復(fù)雜模擬電路和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯勇嚴(yán)，陳蓓，李天利.基于混合式教學(xué)模式的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)研究與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（33）：172-173.

[2]胡正平，顧光華，史洪印，等.從導(dǎo)師的視角看全日制工科研究生能力培養(yǎng)[J].教學(xué)研究，2018，41（2）：96-101.

[3]秦維，陳浩，何進(jìn)，等.Multisim10在模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2017，28（4）：305-306.

◎編輯 趙瑞峰