研究型教学在“模拟电子技术”中的应用

史雪飞，李江昀，李 擎，刘蕴络

(北京科技大学自动化学院，北京 100083)

0 引言

我们在讲授“模拟电子技术”课程的过程中，发现存在以下几个问题:①该课程具有入门难的特点，学生从先前“电路”课程的线性思维过渡到“模拟电子技术”课程的非线性思维需要较长的时间;②学生长期以来接受的学习理念是:求解问题要求逻辑上的严密和数学上的精确，但在模拟电路中这种惯性思维却往往成为分析问题的束缚;学生从精确严谨到粗略估算需要慢慢扭转思维习惯;③学生在课堂学习时因为没有感性认识的基础，接受间接的经验知识时学习动力不足，缺乏对问题深入思考。

鉴于以上实际问题，如何能够在“模拟电子技术”的课堂教学上引导学生统领该课程的知识体系和独有特点，变被动接受为主动探究呢?为此我们结合“模拟电子技术”课程的特点，开展了部分研究型教学的实践与探索工作;并且立项申请为我校研究型教学示范课程。

对于“模拟电子技术”课程，开展研究型教学的总体思路是将科学研究的基本要素(提出问题、查阅文献、猜想与假设、方案设计、分析论证、科学思想和交流与合作等)结合课程核心的教学内容，包括基本概念、重要的分析方法和课程的精髓以及拓展环节以研究型独有的教学模式(论文研究、基于问题的学习、案例分析研究和项目训练等)传递给学生。通过这种研究性的探讨形式将课程内容内化构建到自身的认知结构中;使得学生除了掌握课程的核心框架和知识体系之外，还可以获得学习过程本身的价值，经历并体验开展科学研究的规律，同时达到提升各方面能力的最终目标[1，2]。

1 研究型教学的初步尝试

1.1 从线性思维到非线性思维的转换

“模拟电子技术”的先修课程是“高等数学”和“电路”，其基本原理都是基于线性系统。而“模拟电子技术”中的二极管、晶体管和场效应管都是非线性元件，基于这些元件的电路都是非线性系统。如何通过研讨加启发的形式将学生的视野和思维从线性世界过渡到非线性世界，我们在教学实践中进行了以下尝试。

(1)研讨线性元件与非线性元件的本质区别，举例说明现实世界中的线性系统与非线性系统，并引导学生寻找和发现其他的实例;

(2)引入期刊文献[3]，让学生结合自身的感受总结“模拟电子技术”课程的非线性来源以及解决办法(课后作业形式);

(3)阐述线性与非线性系统在数学描述上的差异。在此基础上结合学生对非线性解决办法总结性地提出解决此问题的2～3种方法。着重讲述将非线性问题分段线性化，用线性系统理论解决非线性问题的方法。

(4)逐步引导学生理解为什么设置静态工作点及微变等效电路分析法的科学定位，使得学生清晰掌握“模拟电子技术”课程中对分立元件讨论的整个体系。

1.2 引入抛锚式教学学习模式

抛锚式教学是典型的任务驱动模式教学过程，它的教学特点是知识获取建立在真实事件或者真实问题之上。具体的教学过程是由教师提出预先设计好的、发生在身边的真实问题，用一根主线将问题的解决过程以及课程的知识点融入其中，学生在教师的引导下、自主地探索中循序渐进地引出这些相关的知识，使学生置身在提出问题、思考问题和解决问题的动态过程中进行研究和学习[4]。

1.3 用仿真技术填补理论和实践的鸿沟

“模拟电子技术”课程其理论知识本身就具有较大的难度，为了让学生更好地掌握关键概念，首先通过仿真技术使学生建立起感性认识，然后逐步过渡到让学生自己通过仿真软件来进行电子电路系统的设计。

(1)对滤波电路的感性认识—例如三角波经低通滤波器，滤除高频成分，保留基波成分即为正弦波，如图1所示。通过这样的仿真讲解，使学生感性地了解滤波电路的作用。

(2)对暂态过程的感性认识—例如振荡电路的起振过程，在做实验时是无法通过示波器观察到的，在课堂教学中引入仿真的实例，如图2所示，可以让学生清晰地感受起振到底是怎样建立的。

(3)研究型设计任务—自动夜光灯的设计、万用电表电路的设计和心电信号放大电路的设计等。

图1 滤波电路的仿真介绍

图2 起振过程的仿真演示

2 研究型教学模式的推进

研究型教学模式的关键环节是提出好的研讨专题，并选择合适的教学模式，同时将提升学生特定能力的培养目标融入其中。本课程组在上述研究型教学实践的基础上，筛选出该课程具有研究意义的关键教学内容，并针对前述学生学习中存在的问题，进一步提出了以下四个研讨专题，结合每个专题规划了具体的培养目标。

1)专题一:基于三极管输入、输出特性曲线，介绍线性元件与非线性元件、线性电路与非线性电路理论。

研究内容及要求:首先分析三极管输入、输出特性曲线，从特性曲线的各分段着手研究非线性电路线性化方法，从而提出解决三极管非线性的若干种办法;最后扩展到论述线性和非线性理论的异同及各自适用的领域。

该专题提出的背景:大多数学生在课程入门的时候感觉比较吃力，认为很多概念不好理解。究其原因，除了教学内容本身的复杂性外，还有一个重要的思维定势的影响。那就是在先修课程“电路”中，学生接触到的都是线性电路的学习。而“模拟电子技术”课程中电路的电子器件均为非线性元件，学生本能地采取线性电路的思维去思考，由此产生出相应的学习屏障[5]。

此专题的培养目标:通过查阅文献、分析讨论的形式使学生顺利地从线性思维过渡到非线性思维。并在研究性的学习中力图培养学生:①发掘、梳理和分析有关信息资料的能力;②提炼或提出有价值问题的能力。

2)专题二:通过特定的案例分析，研究该课程重要的思维转变，从理论解析到工程解决方法的实际意义。

案例的选择包括:①以分压偏置式静态工作点稳定电路的数学解析与工程近似解为例进行计算复杂度对比;②用Multisim仿真加入温度扰动及器件特性扰动时，出现不同情况下的解在估算值附近波动的现象。

该专题提出的背景:模拟电路的非线性元件，如果使用数学解析方法分析，将会使过程过于复杂甚至难于实现。实际应用中，如果使用工程近似的方法，将快速获得近似解。在实际中通过调试获得理想结果是“模拟电子技术”这门应用的课程所必需的，同时也是大量工程实践项目中经常采用的。借助该专题的案例分析帮助学生建立工程思维，扭转他们从精确、严谨到粗略、估算的思维习惯。

3)专题三:提炼具有一定综合性的现实问题，分阶段分层次化解为若干个小课题(契合重点知识)作为基于问题的研究学习。要求学生在课程结束前完成全部设计，用仿真软件进行调试运行，优秀团队还可用硬件实现。

该专题提出的背景:一个大型电子电路应用系统包含有若干个环节，分析和设计需要按照功能分解，逐级依次展开，而后通观全局协调融合。该课程的核心元器件—集成运放的应用是学生实践能力培养的重点，借助于该专题不仅让学生整体把握和驾驭集成运放众多应用电路的结构特点。此外，PID问题让学生真正领会运算放大器中加减、比例、积分和微分的实际应用效果及功能。同时为后续课程中数字PID及控制理论的学习引出更深层次的问题。

4)专题四:1950-2050年模拟电子技术的发展与展望

研究内容及要求:使学生在研究性教学中，熟知模拟电子技术的历史发展与现状，完成“模拟电子技术”课程整个知识体系的综述;同时展望未来模拟电子技术的发展。要求学生在了解PN结、三极管、集成运放的历史发展背景的基础上从不同角度、不同侧面提炼并绘制出模拟电子技术中电路系统的组成结构图，要求将该课程中所有的教学知识点在这张结构图中得到反映，使学生从系统的高度掌握该课程从元器件—电子电路—电子系统的主线。

该专题提出的背景:由于现有的教学计划，课时不断的压缩，学生缺乏主动归纳本课程知识点之间以及与其他先修、后续课程联系的训练;学生缺乏对课程核心方法和精髓思想的宏观驾驭。

此专题培养目标:①在看似没有关联的事物间建立联系的能力;②系统性思维—从上到下、从树干到树枝、再到树叶，建立部分与全局的关系。

总结以上专题，可以得到如图3所示的教学模式、研究内容、培养目标以及总体的设计规划思路。

研究专题成绩评定方法:学生以小组或个人完成专题研究工作(沟通、研讨、分工、合作)，小组人数不能超过3人;研究专题成绩占平时总成绩的10%;由研究报告、课堂宣讲和回答问题等几个方面组成。

研究型教学模式实施过程中，我们采用调查问卷的形式征求学生的评价和获取相应的教学效果。89%的学生反映新的教学模式比起以前的传统教学模式能够更加激发他们的学习兴趣，并借助于四个研讨专题的引入，95%的学生认为在课程结束时已经能够深刻领会模拟电子技术课程非线性、工程性、复杂性和实践性的突出特点。通过最后知识体系图的构建，绝大多数学生都对该课程的总体宏观把握更为深入了。

3 结语

在研究型教学的实践探索中，我们始终依照以下原则:①研究型教学并不是学术性研究，将课程的核心概念和重要内容“内隐”在研究型教学模式的“外壳”下才是专业基础课程研究型教学的主导[6];②研究型教学的关键环节是提出好的研讨专题，选择适宜的教学模式，为此我们专门调研了学生的实际学习困难，有针对性地设计了对口的专题讨论;③“模拟电子技术”课程在电子信息类专业的培养计划中具有桥梁作用——从线性到非线性、从严谨的慎密思维到粗略估算的工程方法、从精确的理论解析到实践的可操作性以及从元器件个体到放大电路以及整个电子系统了解的局部与整体的辩证关系。研究型教学的探讨依然离不开这些“模拟电子技术”课程的主线。

[1]赵洪.研究性教学与大学教学方法改革[J].武汉:高等教育研究，2006(2)

[2]高虹，刘惠琴.从基于问题的学习看研究型课程教学[J].北京:中国高教研究，2003(11)

[3]鲁玲，刘大年.从破除思维定势谈模拟电子技术课程教学[J].桂林:桂林电子工业学院学报，2003(4)

[4]史雪飞，刘蕴络，牟世堂.抛锚式教学策略在模拟电子技术课程中的应用[J].南京:电气电子教学学报，2007(4)

[5]于歆杰，陆文娟，王树民.专业基础课中的研究型教学[J].武汉:高等工程教育研究，2006年(1)