基于學習產出導向的模擬電子技術教學創新

張 寧 王 君 張衛華 仇 磊 丁學鳳

（1.貴州工程應用技術學院機械工程學院,貴州 畢節 551700；2.七星關區思源實驗學校,貴州 畢節 551700）

1 產出導向的教育理念

基于學習產出的教育模式（Outcomes-based Education，縮寫為OBE）最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革，由美國學者Spady提出，并在《基于產出的教育模式：爭議與答案》一書中對其進行了深入研究。此模式在美國、英國等發達國家的教育教學改革中起到了重大的作用。產出導向教育強調教育教學充分發揮學生學習的積極性和主動性，更重視學生接受學習知識和技能后取得的學習成果[1]。產出導向的教育模式是以學生的學習成果為導向的教育理念，倡導以學生為中心，注重學生獨立思考、創新、實踐等能力的培養，體現了學生個性化的培養，是工程教育專業認證的核心理念之一[2]。

2 傳統模擬電子技術教學中存在的問題

模擬電子技術是電子、通信、電氣自動化及機電一體化技術等專業的基礎課程，是一門理論性強，并與實踐緊密結合的應用型工程技術課程。通過課程教學，使學生具備常用半導體器件、電子電路、系統的分析能力；要求學生掌握基本放大電路、負反饋放大電路、集成運放應用等低頻電子線路的組成、工作原理、性能特點、基本分析方法和工程計算方法，使學生具有一定的實踐技能和應用能力；培養學生分析問題和解決問題的能力，為后續課程和深入學習電子電路設計領域的內容打好基礎；同時也使學生了解電子技術的發展概況，理解近年來的新器件、新技術、新方法等[3-4]。

隨著信息技術的不斷發展，工業4.0的實踐等產業革命及經濟結構的調整，為高等教育模擬電子技術教學改革及課程建設帶來了新的挑戰。要求學生具有應用更新快、理論抽象、分析建模過程復雜、電路形式多樣等特點。加之傳統教學定位強調理論學習的完備性，而忽略了學生工程實踐性的培養，因此造成了學生在學習過程中產生課程枯燥無味、無明顯目的性等困惑。

3 開關電源技術教育探索

隨著電子技術的發展，電源成為人們生活必不可少的一部分，在日常生活中隨處可見電源的身影，可以說一切的電子設備都離不開電源技術的支持。迄今為止電源制造業已經成為很重要的基礎產業，并得到了廣泛應用，目前的發展趨勢是繼續朝著高效、高頻、高可靠性、低壓、大電流化以及多元化發展[5]。電源產品主要分為線性電源和開關電源兩種。線性電源與開關電源相比具有體積大、效率低等缺點，因此開關電源的研制成了電源研發的主流。隨著電力電子技術的迅速發展，開關電源廣泛應用于計算機、通信、工業加工和航空航天等領域。因此從事開關電源學習和研究的高校師生及從事開關電源設計研發的工程技術人員，都迫切需要理論性、實用性強的電力電子基礎知識作為支撐。如能將模擬電子技術的學習與開關電源技術理論進行融合，將大大提升模擬電子技術學習的主觀性與活力，使得學生在學習理論的過程中更加理解開關電源這門技術科學。

4 模擬電子技術教學設計

模擬電子技術課程改革的核心在于將模擬電子技術基本理論、分析方法應用于開關電源技術實踐當中，打破以教師為中心的傳統教育模式，以開關電源技術學習成果輸出為導向，提升學生的學習主動性，激發學生理論學習和實踐探索的熱情[6]。根據產出導向的教學理念，可將模擬電子技術教學內容分為半導體基礎知識、分立元件、集成電路及實用電路4大模塊，各模塊再進行詳細的內容拆解，并在學習的過程中結合開關電源技術需要應用的模擬電子技術基本理論、方法，有的放矢地進行學習和知識補充。詳細的教學設計流程如圖1所示。

圖1 模擬電子技術教學內容設計流程

5 模擬電子技術教學與開關電源技術的融合

為了使模擬電子技術與開關電源技術實現融合，本文通過以下例子作為參考，從一個具體的開關電源設計開始，結合開關電源技術與模擬電子技術的知識體系融合，最終將理論產品化。

5.1 技術要求

某系統總體提供1路1.5 kW的（100±10 ）V直流電壓到載荷的配電單元，再由載荷配電單元給自己設備和儲能電池供電。系統供電設備供給為DC+5 V、+12 V。供電電路要求見圖2。

圖2 技術要求供電圖

載荷工作模式：100 V供電母線給儲能電池充好電后，控制設備及系統供電設備開始工作；儲能電池充電時，控制設備不工作，系統供電設備部分工作。根據該工作模式，載荷供電電路如圖3所示。

圖3 電路原理框圖

5.2 電路結構實現

5.2.1 開關實現

圖3中開關1、2通過磁保持繼電器控制電路實現，具體應用了模擬電子技術中二極管的鉗位原理實現。原理為：OC信號低電平有效，當給繼電器一個脈沖信號時，線圈中流過電流產生電磁效應，繼電器銜鐵在電磁效應的影響下克服彈簧的拉力吸向磁鐵，此時繼電器動作；當線圈斷電后，電磁吸力隨之消失，由于彈簧的反作用力會使得銜鐵回復到最初位置。磁保持繼電器結構如圖4所示，其應用電路如圖5所示。

圖4 磁保持繼電器的結構圖

圖5 繼電器應用電路圖

5.2.2 開關電源實現

傳統的開關電源技術需要掌握電路主功率拓撲、輸入短路保護、輸入浪涌抑制、EMI濾波電路、輸出整流、輸出濾波、穩壓電路、控制電路、過壓過流保護電路、反饋電路網絡等，涉及的電子電路知識領域較廣，其常見電路結構如圖6所示。在學習過程中，可對開關電源各基本模塊進行系統學習，開關電源各模塊中不明白的理論可通過模擬電子技術的基本理論來尋找答案。

圖6 開關電源常見電路結構框圖

以PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）控制電路為例。控制電路的主要功能是接收信號、處理信號及反饋信號，可通過控制導通時間調節輸出電壓的穩定，所以控制電路的設計至關重要[7]。PWM控制電路通過控制改變占空比進行反饋調節，從而實現開關電源輸出電壓的穩定。可選擇集成電路控制方式，選擇控制集成電路也就是控制芯片，選擇的依據主要有工作電壓范圍、工作頻率范圍、輸出基準電壓和電流、內部功耗等。以UC3525PWM控制芯片為例，控制電路邏輯流程如圖7所示，控制邏輯思想如下：誤差放大器的同相輸入端接基準電壓，反向輸入端接反饋電路，通過采樣電阻獲得采樣電壓；兩者在誤差放大器內，經過運算輸出誤差電壓，然后把誤差信號給到比較器的反向輸入端；振蕩器外接電容電阻和死區電阻產生時鐘脈沖和鋸齒波，鋸齒波與誤差電壓在比較器中比較，從而產生PWM信號，而時鐘脈沖與PWM信號同時送到兩個或非門電路中進行運算；當兩個輸入都為低電平時，輸出為高電平，當只有一個輸入為高電平時，輸出為低電平；如果輸出為“低”，此時開關斷開從而實現電路的保護，如果輸出為“高”，輸出端會產生一個相位差180 °的PWM矩形波；PWM矩形波能驅動開關電源的開關器件，通過調制PWM矩形波脈沖的寬度調整能量的傳遞與關閉，最終實現輸出電壓的穩定。

圖7 控制電路邏輯流程圖

6 結語

本文基于模擬電子技術教學中的枯燥、復雜等考慮，結合開關電源技術，深入剖析模擬電子技術在開關電源技術中的融合。針對開關電源技術中出現的新技術、新電路、新器件、新方法，可一一進行點對點指導，使得學生在掌握開關電源技術的同時更好地理解和掌握模擬電子技術的相關理論知識體系，使兩者達到深層次的技術融合，讓學生學習的產出導向結果更為明確。