探究式教学模式下模拟运算实验电路的设计

邓文婷　杨汝　何最红

摘要：针对传统的模拟电子技术实验教学过程中存在的教学内容老化，以验证性实验为主的教学模式，教学手段单一等问题，对“模拟运算电路实验”项目进行了优化和改进，重新设计了实验电路。实验电路通过巧妙设计知识点，让学生自主探究问题、解决问题，培养了学生的自学能力和创新能力。

关键词：运算放大器；模拟电子技术；探究式教学；实验

中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）14-0216-02

Abstract： There are several problems in the traditional analog electronic experimental courses： the teaching content is aging ， the teaching mode is given priority to the verification experiments， single teaching means， and so on. In this paper， the " operational amplifier circuit "experiment has been optimized and improved， and the new experimental circuit has been designed. Several knowledge points have been used in the experimental circuit， students should explore and solve problems independently， this way can cultivate the students' self-study ability and innovation ability.

Key words：operational amplifier；analog electronic technology；exploratory teaching； experiments

大学教学不仅要向学生传授知识，更要创造条件，引导学生自我探寻问题的解决之道，培养学生的创造能力。带着问题去学习，让学生始终保持好奇的心态，不断探究，能有效调动学生学习兴趣，超额完成教学任务，让教学达到意想不到的效果。

在日常实验教学中，经过多年实践，我们逐步发现，在对大学生教学中，应该根据需要讲授的知识点，不断巧妙设计问题，不断引导学生发挥个人能动性或者小团队力量，从而培养学生良好的学习习惯，掌握科学的研究途径，提升学生的素养和能力。

由于这些知识的获取，是自己辛苦动手获得的，学生倍感珍惜。实践表明，每次尝试探究式实验教学，总会让一些毕业生异常难忘，他们把这些实验教学当成难忘的大学生活重要组成部分。

1 模拟运算电路实验教学过程中存在的主要问题

“模拟电子技术”课程是工科院校信息科学与技术学院类自动化、电气、测控、电子等专业及相关专业的重要基础课，具有较强的理论性和专业实践性等特点 [1]，而《利用集成运算放大器组成的模拟运算电路》是“模拟电子技术”中关于应用知识方面的主要内容，是负反馈放大电路及集成运算放大器的进一步应用和延伸，同时又为后序的波形发生电路打基础。

原来，广州大学在进行该项实验时，主要是通过验证的方式来熟悉由集成运算放大器组成的各种基本运算电路的功能，实验采用分立元件来进行单个运算电路的搭建，由于课时有限，在规定的时间内学生一般只能完成2个-3个基本运算电路的验证。

根据2014年专业课程设置需要，基础实验课时在比例上有所减少，对于部分耗时长的验证性实验项目，广州大学不仅要缩短搭建分立元件电路的时间，也要向应用性方面靠拢，使实验从简单的验证式过度到启发式实验，对学生实验技能和实验方法进行综合训练，培养和提高学生对知识综合应用的能力、分析和解决问题的能力。

2 模拟运算实验改进电路的设计

实践教学是弥补理论教学不足的重要手段，实践教学不仅能锻炼学生的动手能力，而且能加强学生理论联系实践的能力[2]。本次修订的内容将倾向于“简化版”的综合实验，将试验与实际应用结合起来，而不仅仅是简单验证理论的正确性。同时，实验中还增加了课外设计的环节，要求学生自己设计出类似应用电路，这样有利于提高学生的实验兴趣，使之进一步体会到知识的关联性和系统性，培养其工程系统能力。

集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线性元器件组成输入和负反馈电路时，可以灵活地实现各种特定的函数关系。在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路[3]。

为了在同一个应用电路中集成多种模拟运算电路，经过多次比较和实验，我们最终选用了光控实验这一应用电路。此实验电路的设计思想是：光敏传感器的输出信号经集成运放构成的差动放大器放大后，通过同相比例运算电路、反相比例运算电路进行简单运算，再由积分运算电路进行延时，经过零比较器之后，最后由三极管放大后的输出信号控制外电路的通、断，从而实现光控。

本实验电路综合应用了三门课程的四个知识点，分别为：光敏传感器——分属《传感器原理及应用》中的《传感器分类及原理》知识点：光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器；由运放组成差动输入放大电路、同相比例运算电路、反相比例运算电路、积分运算电路——分属《模拟电子技术》中的《信号的运算和处理》知识点；由运放组成的过零比较器——分属《模拟电子技术》中的《波形的发生和信号的转换》知识点；由晶体管组成的脉冲大电流开关电路——分属《数字电子技术》中的《晶体管开关电路》知识点[4]。

即输出电压[VO（t）]随时间增长而线性下降。显然[R13C1]的数值越大，达到给定的[VO]值所需的时间就越长。积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限值。

S2的设置一方面为积分电容放电提供通路，同时可实现积分电容初始电压[VC10=0]，另一方面，可控制积分起始点，即在加入信号[VI]后，只要S2一打开，电容就将被恒流充电，电路也就开始进行积分运算。

3 模拟运算电路实验的探索式教学

面对大学生的实验教学，一定要深刻领会“教学相长”的含义，在教学中注重师生互动，教师应将“我讲你听”“灌输式”的传统教学形式，改革为“在教师指导下的课外自学为主，在教师引导下的课堂研讨为主”的教学形式。

通过探究式教学，在教师和学生彼此交流中，进一步增强大学生的独立思考和动手能力，让知识掌握更加牢固、全面，启发学生进一步探索发现。

模拟运算改进实验电路以日常生活中常用的“光控”引入，通过各个运算模块来实现对电信号的放大、运算、延时等功能。各功能模块之间没有前后关联性，学生可对单个功能模块进行测试、可舍取部分功能模块来进行测试，也可连接所有功能模块进行联调，同时还能观察模块与模块之间的是否存在干扰现象。

在课堂上完成实验测试后，学生可由此进行课外扩展，如设计“声控”、“温控”等应用电路，运算模块则可按需取舍。一般采用仿真的方式进行设计，学生设计电路时，首先要进行任务分解，其次要选择能完成某个子任务的电路模块，再选择相应元器件，完成单个模块电路的设计，调试电路并观察输入输出，在确定电路功能正确的基础上，同理完成其他子任务。整个设计过程中学生完全是独立的主体，教师可客观地给出一些意见或建议。

4 结语

托马斯·富勒曾经说过“知识是珍宝，但实践是得到它的钥匙。”在教学过程中要保护好学生的好奇心，引导学生去探索未知领域、未知事物，不断增强其获得知识与技能的幸福感，从而唤起学生潜在的学习自觉性。本文根据课程特色，结合实际应用，设计出模拟运算实验改进电路，对实验教学内容进行了优化和改进，该实验项目既能实现基础教学又能兼顾能力培养，有利于培养学生的创新精神、自学能力、动手能力，提高在实际工作中发现问题、解决问题的能力。

参考文献：

[1] 王波，张岩.“模拟电子技术实验”课程的改革[J].实验室研究与探索，2013（4）.

[2] 李铁军，陈虹宇.“模拟电子技术”实验课程的分层递阶图式教学方法研究[J].中国电力教育[J]，2013（16）.

[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001：312-331.

[4] 吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践[M].北京：科学出版社[M]，2008：78-83.