基于任務(wù)驅(qū)動法的“模擬電子技術(shù)”教學(xué)實踐

臧利林， 魏愛榮， 朱文興

(山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟南 250061)

0 引言

“模擬電子技術(shù)”是大學(xué)本科自動化、電氣工程與自動化、生物醫(yī)學(xué)工程等工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是必修主干課程。在我校，該課程在大學(xué)本科二年級下學(xué)期開設(shè)，理論授課為48個學(xué)時，在整個專業(yè)課程體系中具有重要的地位[1]。該課程涉及的知識點繁多，器件種類和電路結(jié)構(gòu)變化多樣，概念方法差異較大，在教學(xué)任務(wù)重、課時少的背景下，傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)模式已經(jīng)滿足不了實際的教學(xué)要求，教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量的提升遇到了瓶頸。為了達到更好的教學(xué)效果，筆者及其團隊教師轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，改進教學(xué)方法，在中國大學(xué)MOOC平臺上建設(shè)了本課程的線上學(xué)習(xí)內(nèi)容，實現(xiàn)了線上線下學(xué)習(xí)的結(jié)合，為了進一步提升學(xué)生探索能力和創(chuàng)新意識，結(jié)合教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，筆者采用任務(wù)驅(qū)動法進行教學(xué)設(shè)計，課上課下緊密融合，切實提高本課程的授課質(zhì)量，使學(xué)生最大化受益，實踐證明，基于任務(wù)驅(qū)動法的教學(xué)方式大大提高了學(xué)生探知、創(chuàng)新的能力，教學(xué)效果提升顯著。

1 任務(wù)驅(qū)動法

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)方法是一種基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論上的教學(xué)法，它主張改變以傳授知識為主的常規(guī)教學(xué)理念，采取以解決問題、完成任務(wù)為主的多維交互式的教學(xué)模式[2,3]。該教學(xué)模式的特點是“以教師為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體”，符合當下先進的教學(xué)理念。因此，如何將任務(wù)驅(qū)動法與“模擬電子技術(shù)”課程進行緊密聯(lián)系，建立先進、實用的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)體系是筆者及其團隊教師長期考慮的教改課題。

在十多年的電子技術(shù)教學(xué)過程中，筆者不斷改進教學(xué)方法，總結(jié)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的難點和重點，通過調(diào)研和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式掌握疑難頻次較高的知識點，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分門別類，采用不同的教學(xué)方法，把難點和重點細化分解，并結(jié)合仿真軟件、實驗實踐設(shè)計在一個或者幾個任務(wù)中，學(xué)生通過個人或者團隊的形式進行理論分析、實驗探知，設(shè)計實施方案，完成整個任務(wù)要求。在整個任務(wù)的實施過程中，教師從課堂上的講解者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生探知過程中的引導(dǎo)者，教師引導(dǎo)學(xué)生對線上、線下課程資源的學(xué)習(xí)，同時，當學(xué)生遇到困難時能夠給予指導(dǎo)，并注重因材施教，挖掘?qū)W生潛能，提高創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力；學(xué)生從被動接受的學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹街膶W(xué)習(xí)模式，在執(zhí)行任務(wù)的過程中掌握了知識點，并大大提升了對“模擬電子技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的興趣，實現(xiàn)了與模擬電子技術(shù)千變?nèi)f化的快速發(fā)展相適應(yīng)的學(xué)生能力培養(yǎng)需求。

2 任務(wù)驅(qū)動法的實施

2.1 任務(wù)目標

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法需針對課程教學(xué)目標設(shè)計任務(wù)，將知識點、能力培養(yǎng)蘊含在教師設(shè)計的任務(wù)中，通過任務(wù)的完成，使學(xué)生掌握知識，提高探索和創(chuàng)新能力，從而提升教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。根據(jù)教學(xué)大綱要求，筆者結(jié)合十多年的教學(xué)經(jīng)驗，將“模擬電子技術(shù)”課程的重點知識點分成九個任務(wù)，如表1所示。在每個任務(wù)(知識點)中，筆者基于BOPPPS方法進行了教學(xué)設(shè)計，明晰了知識點、學(xué)習(xí)目標、任務(wù)分解和實施過程以及總結(jié)和體會等，并針對不同層次的學(xué)生，在任務(wù)驅(qū)動下探索內(nèi)容以及在縱向深度上給予不同要求和分類指導(dǎo)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的自我探索精神，提高學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)創(chuàng)新意識。

表1 課程知識點-任務(wù)表

由三極管組成的共射極基本放大電路是“模擬電子技術(shù)”課程中重要的內(nèi)容，掌握好基本放大電路工作原理及其應(yīng)用是本章教學(xué)的重要目標，也是后續(xù)學(xué)習(xí)功率放大電路、反饋放大電路等內(nèi)容的基礎(chǔ)。“失真”分析是基本放大電路的重要內(nèi)容之一，對于正確理解放大電路工作原理和設(shè)計穩(wěn)定的電路具有重要的影響，但教師因受到教學(xué)學(xué)時的限制，在講解過程中，往往被忽略或簡略的講一下，該部分也是筆者在多年教學(xué)過程中感受到學(xué)生有疑問頻次較多的內(nèi)容。

以“基本放大電路的非線性失真分析”任務(wù)為例，該知識點的學(xué)習(xí)目標是能夠正確分析電路的輸出波形產(chǎn)生失真的原因和消除方法，培養(yǎng)學(xué)生利用已學(xué)知識分析和設(shè)計放大電路的能力。依據(jù)上述教學(xué)目標，設(shè)計的任務(wù)包括以下三個方面：①探索基本放大電路失真產(chǎn)生的原因、失真的類型；②如何改變電路參數(shù)消除失真，并探索消除失真的最佳方法；③在正確理解“失真”的基礎(chǔ)上，探索如何獲得最大不失真幅度。

2.2 任務(wù)實施過程控制

1)任務(wù)一：失真產(chǎn)生的原因

任務(wù)一使學(xué)生掌握課堂講授的理論知識，通過該項任務(wù)的完成，學(xué)生將課堂聽到的知識轉(zhuǎn)化為自身總結(jié)、收獲的內(nèi)容，在明晰理論推導(dǎo)和理解電路工作原理的基礎(chǔ)上，通過仿真實驗的方式驗證課堂所獲。如圖1為某學(xué)生在本項任務(wù)中使用的共射極放大電路。

圖1 共射極放大電路

如果放大電路的靜態(tài)工作點Q設(shè)置不合適，晶體管進入截止區(qū)或飽和區(qū)工作，將造成非線性失真。若Q設(shè)置過高，晶體管進入飽和區(qū)工作，造成飽和失真。如圖2、3所示，從電路的輸入信號和輸出信號，學(xué)生能夠掌握電路工作過程和波形的產(chǎn)生原因，畫出原理示意圖，從而理解了失真產(chǎn)生的類型，掌握了飽和失真和截止失真產(chǎn)生的原因。

圖2 飽和失真原理示意圖

圖3 截止失真原理示意圖

Multisim是我校講授和使用的EDA工具，在任務(wù)一中，要求學(xué)生通過仿真實驗驗證理論結(jié)果，深入掌握知識點的同時，熟練使用EDA工具，提高了學(xué)習(xí)興趣和積極性[4]。圖4為仿真過程中的飽和與截止失真波形，學(xué)生只需更改Rb、Rc等元器件參數(shù)就可以看到動態(tài)變化的輸入輸出波形之間的關(guān)系。

(a)飽和失真輸出波形

(b)截止失真輸出波形圖4 飽和與截止失真輸出波形

2)任務(wù)二：消除失真的方法

通過理論分析，改變參數(shù)可以消除飽和失真和截止失真，通過課堂上的理論講解，學(xué)生們理解了失真消除的原理，但大部分學(xué)生對此半信半疑，而通過硬件箱做實驗的方法不能任意的改變器件參數(shù)而受限，任務(wù)二中要求通過Multisim仿真的實驗方法，改變器件參數(shù)觀察波形，驗證理論結(jié)果，同時探索器件參數(shù)對靜態(tài)工作點調(diào)整的靈敏度，發(fā)現(xiàn)消除失真的最有效方法。在圖1所示的電路中，在Multisim中調(diào)整滑動變阻器Rb、Rc很容易觀察到消除截止失真和飽和失真的過程，同時發(fā)現(xiàn)，改變Vcc在消除飽和失真中的作用并不明顯。學(xué)生在改變元器件參數(shù)，觀察輸出波形的過程中，更容易吸收課堂授課內(nèi)容，對知識點有了更加深入、清晰的認識和掌握。

3)任務(wù)三：如何獲得最大不失真幅度

最大不失真輸出電壓參數(shù)計算是學(xué)生需要掌握的難點，也是考試中學(xué)生出錯頻次較高的知識點，課堂上的理論教學(xué)比較枯燥，不易理解。為了讓學(xué)生掌握這一知識點，任務(wù)三通過Multisim仿真實驗的方法要求學(xué)生驗證獲得最大不失真幅度的理論計算方法，通過數(shù)據(jù)比較和波形分析扎實理解和掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，同時培養(yǎng)學(xué)生掌握正確的科學(xué)思維方法和科學(xué)研究方法。

最大不失真輸出電壓的計算方法如圖5所示，在靜態(tài)工作點的上方，最大輸出電壓峰值為UCEQ-UCES，在靜態(tài)工作點下方，最大輸出電壓峰值為ICQ(RC//RL)。在圖1所示的電路中，在Multisim中設(shè)定Rb為300kΩ不變，調(diào)整Rc以及輸入信號大小很容易獲得最大輸出不失真電壓峰值，通過理論計算與仿真結(jié)果比較，學(xué)生很容易理解和掌握了該難點知識。

圖5 最大不失真幅度示意圖

2.3 體會與總結(jié)

任務(wù)完成后，要求學(xué)生撰寫任務(wù)執(zhí)行過程中的體會和總結(jié)，對過程中遇到的問題、解決的問題進行歸納，對課堂上的理論所學(xué)和課下自身的探究所獲進行對比，學(xué)生從個人不同的角度表達了自身的心得體會。通過完成該任務(wù)所獲得的體會與總結(jié)，教師可以觀察、類比學(xué)生的表現(xiàn)，對不同層次的學(xué)生進行因材施教，使學(xué)生積極參與探索研究性項目，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識。

3 結(jié)語

“模擬電子技術(shù)”是工科電類專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，在學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)和工作中具有重要的影響，如何保證教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)效果十分重要，也是筆者及其團隊教師孜孜以求的目標。本文圍繞“任務(wù)驅(qū)動法”設(shè)計“模擬電子技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，并以“基本放大電路的非線性失真分析”這一知識點為例，詳細介紹了在教學(xué)過程中采用任務(wù)驅(qū)動法的實施過程。在教學(xué)實踐過程中，100%的學(xué)生反映該教學(xué)方法使得模擬電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)更加簡單，獲得的課程知識最全面、最深刻，該課程也受到學(xué)生的歡迎和好評。

課堂實施效果表明，采用任務(wù)驅(qū)動法精心設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容，能夠使學(xué)生在完成任務(wù)的過程中更加深刻的掌握了學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高了發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，在整個探知過程中，激發(fā)了學(xué)生對該課程的學(xué)習(xí)積極性和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生對電子技術(shù)及專業(yè)課程的興趣和獨立自主的創(chuàng)新能力，在教學(xué)過程中值得廣泛推廣使用。