集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

倪 雪，龔 晶，盧 娟，閔 銳，黃 穎

（陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

0 引言

“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程作為為理論課程的有益補(bǔ)充，在教學(xué)中占有重要地位。對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)等方面起到十分重要的作用。目前，模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多由實(shí)驗(yàn)箱與傳統(tǒng)儀器儀表組成，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生主要通過(guò)操作儀器儀表、連接實(shí)驗(yàn)電路、測(cè)量電路參數(shù)以及查找排除故障等一系列環(huán)節(jié)完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到深化理解基本原理、掌握電路測(cè)量方法、提高實(shí)踐動(dòng)手能力的教學(xué)目的[1]。然而，由于教學(xué)內(nèi)容固定、教學(xué)模式單一，教學(xué)場(chǎng)地和設(shè)備限制，傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中設(shè)備故障、電路連接錯(cuò)誤、測(cè)量誤差大等問(wèn)題，也給學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來(lái)較大的困擾[2]。因此，實(shí)體實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的儀器儀表操作技能、電路測(cè)量方法，分析和排除故障的能力。

近年來(lái)，隨著教育部對(duì)國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的推進(jìn)，國(guó)內(nèi)各高校逐漸認(rèn)識(shí)到虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，積極開(kāi)展基于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[3]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)客觀條件的依賴，不受時(shí)間和空間限制，內(nèi)容豐富且易拓展，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行任意電路的方案設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、測(cè)量以及優(yōu)化、創(chuàng)新等，并且利用仿真在線平臺(tái)可以方便地實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程的管理[4]。理論研究和實(shí)踐探索表明，推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，將實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有機(jī)的融合，才能最大限度地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)人才的作用[5]。

集成運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放）在電子電路中應(yīng)用廣泛，是模擬電子技術(shù)課程的教學(xué)重點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋集成運(yùn)放基本放大電路應(yīng)用、集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用以及集成運(yùn)放在波形產(chǎn)生中的應(yīng)用等。其中，集成運(yùn)放基本放大電路應(yīng)用為線下驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已經(jīng)掌握同相和反相比例放大電路的基本原理和電路測(cè)試方法。為了構(gòu)建優(yōu)化模擬電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，將集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用由傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，即集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。利用虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)靈活性、資源豐富性，開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的研究與教學(xué)模式探索，以切實(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

圍繞“集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)”這一教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)，精選了“極性信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)”作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、以現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)思考、以討論啟迪思維、以問(wèn)題激勵(lì)探索，提出“電路理論設(shè)計(jì)—仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證—方案交流討論—問(wèn)題研究探索—電路改進(jìn)優(yōu)化—課后實(shí)踐提高”的六步教學(xué)模式。課前，學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)完成方案設(shè)計(jì)與理論分析；課中，學(xué)生借助仿真平臺(tái)進(jìn)行方案驗(yàn)證，并交流闡述不同方案的設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)，然后老師進(jìn)一步提出設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展深入思考與實(shí)驗(yàn)探索，實(shí)現(xiàn)電路的優(yōu)化與改進(jìn)；課后，學(xué)生結(jié)合仿真電路完成線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)與分析。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)既兼顧基礎(chǔ)理論的鞏固提高，又融合前沿的應(yīng)用技術(shù)，有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐興趣和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)探究能力。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索

1.1 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

集成運(yùn)算放大器的線性應(yīng)用是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，學(xué)生前期進(jìn)行了基本放大電路的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，對(duì)同相比例放大電路和反相比例放大電路的結(jié)構(gòu)和原理有了基本的了解，對(duì)儀器儀表的使用方法、放大電路的測(cè)量方法進(jìn)行了初步的訓(xùn)練。

本次實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容為集成運(yùn)放在信號(hào)運(yùn)算方面的應(yīng)用，重點(diǎn)使學(xué)生掌握加法運(yùn)算電路、減法運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)與工作原理，以及運(yùn)算電路的測(cè)試方法。為了深化學(xué)生對(duì)運(yùn)放電路理論知識(shí)的理解，開(kāi)拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，采用設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)代替驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，采用虛擬仿真教學(xué)代替實(shí)體教學(xué)。

圍繞教學(xué)目標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)的難易程度、可實(shí)現(xiàn)性、可拓展性、實(shí)用性等角度出發(fā)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)討論確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選題為“雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)單極性信號(hào)電路設(shè)計(jì)”。該電路常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理部分，若前端傳感器采集的數(shù)據(jù)輸出為雙極性信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣后進(jìn)行傳輸和處理，而大部分ADC只能對(duì)單極性信號(hào)進(jìn)行采樣。因此，在信號(hào)調(diào)理電路中需要將雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)輸出，具體轉(zhuǎn)換是通過(guò)信號(hào)放大/縮小和電平移位的方法實(shí)現(xiàn)。極性轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是一個(gè)加法運(yùn)算，設(shè)計(jì)中可采用一個(gè)同相加法電路實(shí)現(xiàn)，也可以由一個(gè)反相比例放大電路和一個(gè)減法電路共同實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)方案具有多樣性，涵蓋了加法運(yùn)算和減法運(yùn)算電路等理論知識(shí)，選題內(nèi)容合適。

1.2 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容安排，提出了“電路理論設(shè)計(jì)—仿真驗(yàn)證測(cè)試—方案交流討論—問(wèn)題研究探索—電路改進(jìn)優(yōu)化—實(shí)踐總結(jié)提高”的六步教學(xué)模式，分為課前、課中和課后三個(gè)階段完成，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

1.2.1 課前預(yù)習(xí)——電路理論設(shè)計(jì)

老師依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線平臺(tái)發(fā)布設(shè)計(jì)任務(wù)，提出實(shí)驗(yàn)要求，并提供實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)資料以及仿真操作視頻，鼓勵(lì)學(xué)生開(kāi)拓思維，從多個(gè)角度設(shè)計(jì)方案。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，主動(dòng)查閱資料，積極思考，利用所學(xué)運(yùn)算電路理論知識(shí)完成方案設(shè)計(jì)與理論分析。

該過(guò)程以實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)資料查閱，培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

1.2.2 課中實(shí)驗(yàn)探索——仿真驗(yàn)證測(cè)試、方案交流討論、問(wèn)題研究探索、電路改進(jìn)優(yōu)化

首先，老師講解分析設(shè)計(jì)任務(wù)和電路應(yīng)用背景，學(xué)生借助仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)完成設(shè)計(jì)電路的搭建和仿真性能驗(yàn)證，當(dāng)仿真結(jié)果和理論設(shè)計(jì)值不相符時(shí)，積極思考并查找原因，老師在一旁觀察并給予適當(dāng)指導(dǎo)。當(dāng)學(xué)生完成仿真實(shí)驗(yàn)后，老師組織學(xué)生開(kāi)展交流討論，闡述各自方案的設(shè)計(jì)思路及特點(diǎn)。隨后，老師圍繞設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)一步提出拓展性問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展深入的分析研究與實(shí)驗(yàn)探索，學(xué)生經(jīng)過(guò)驗(yàn)證與分析，最終實(shí)現(xiàn)電路的改進(jìn)與優(yōu)化。

課堂上通過(guò)仿真平臺(tái)的靈活性，讓學(xué)生快速直觀地看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)電路設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證與分析，加深學(xué)生對(duì)運(yùn)算電路原理的理解，樹(shù)立實(shí)踐探索的信心；通過(guò)設(shè)計(jì)方案的交流，培養(yǎng)學(xué)生的溝通表達(dá)能力；通過(guò)問(wèn)題的延伸拓展，啟發(fā)學(xué)生工程思維和創(chuàng)新思維。

1.2.3 課后提高——實(shí)踐總結(jié)提高

學(xué)生結(jié)合仿真電路自主完成線下實(shí)體實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)分析，形成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。老師根據(jù)需求開(kāi)展課下指導(dǎo)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄開(kāi)展實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。通過(guò)課后實(shí)踐提高與總結(jié)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1.3 教學(xué)過(guò)程實(shí)施

1.3.1 布置預(yù)習(xí)任務(wù)

圍繞教學(xué)目標(biāo)，老師在虛擬仿真平臺(tái)上發(fā)布課前預(yù)習(xí)任務(wù)——將-250mV～+250mV雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)為0～+5v單極性信號(hào)輸出。要求學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求畫(huà)出電路設(shè)計(jì)方案，列出元件參數(shù)，給出理論設(shè)計(jì)依據(jù)，并將設(shè)計(jì)圖上傳到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.3.2 講解實(shí)驗(yàn)原理、指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)

圍繞設(shè)計(jì)內(nèi)容，首先簡(jiǎn)要講解加法運(yùn)算、減法運(yùn)算的工作原理和設(shè)計(jì)方法，指出運(yùn)算電路設(shè)計(jì)中參數(shù)選取的問(wèn)題，并介紹電路的應(yīng)用背景和設(shè)計(jì)思路。然后，由老師指導(dǎo)學(xué)員開(kāi)展在線仿真實(shí)驗(yàn)，并完成電路性能的驗(yàn)證。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)員主動(dòng)思考并解決。

1.3.3 組織交流討論

選取學(xué)生代表闡述設(shè)計(jì)方案及電路設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題，其他學(xué)生可以提出問(wèn)題，并展開(kāi)討論。學(xué)生在設(shè)計(jì)方案的交流討論中，可以加深對(duì)運(yùn)算電路理論的理解、拓寬電路設(shè)計(jì)思路，學(xué)習(xí)體會(huì)到不同電路的特點(diǎn)。

1.3.4 設(shè)計(jì)延伸拓展

為了進(jìn)一步深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)員積極探索、開(kāi)拓創(chuàng)新，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高階性、延展性，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了多個(gè)拓展性問(wèn)題。例如：電源大小對(duì)電路的影響、電阻取值大小的影響、單電源供電問(wèn)題等。學(xué)生圍繞這些問(wèn)題，繼續(xù)開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)和思考探索。通過(guò)直觀的現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的探索欲、求知欲，通過(guò)問(wèn)題的剖析，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和工程素養(yǎng)。

1.4 教學(xué)總結(jié)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)成績(jī)采用多元化評(píng)價(jià)，做到有理有據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)打分標(biāo)準(zhǔn)，老師分別從預(yù)習(xí)（10%）、仿真實(shí)驗(yàn)（40%）、交流討論（10%）、方案優(yōu)化（20%）、實(shí)驗(yàn)報(bào)告（20%）五個(gè)方面對(duì)學(xué)生的本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分。

開(kāi)展課后總結(jié)有利于提高教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量，是教學(xué)過(guò)程中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。老師分別從教與學(xué)兩個(gè)方面開(kāi)展本次實(shí)驗(yàn)課教學(xué)總結(jié)。教的方面，主要從教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)實(shí)施過(guò)程中總結(jié)好的方面以及不足的方面；學(xué)的方面，主要從課前預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、完成情況、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等方面關(guān)注到每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與收獲，課后盡可能主動(dòng)與學(xué)生交流、采用課后評(píng)價(jià)的方式了解到本次課學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)員利用課余時(shí)間完成實(shí)體電路的焊接與調(diào)試，為參加科技競(jìng)賽打下扎實(shí)基礎(chǔ)。

2 結(jié)論

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)引入模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，針對(duì)集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)開(kāi)展了仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探索。以“極性信號(hào)轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路設(shè)計(jì)”為任務(wù)驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生課前完成理論電路設(shè)計(jì)，課堂進(jìn)行仿真驗(yàn)證測(cè)試與方案交流討論，并通過(guò)問(wèn)題拓展啟發(fā)學(xué)生開(kāi)展研究探索以及電路改進(jìn)優(yōu)化，課后開(kāi)展實(shí)踐提高與實(shí)驗(yàn)總結(jié)。構(gòu)建的仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式有助于模擬電子技術(shù)課程虛實(shí)一體實(shí)驗(yàn)體系的打造，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)素養(yǎng)，最終實(shí)現(xiàn)院校高素質(zhì)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)。