基于CDIO模式的模拟电子技术课程教学改革研究

柏受军+陆华才+赵发

【摘 要】针对模拟电子技术课程教学过程中遇到的问题，我校自动化专业以卓越工程师计划为契机，引入CDIO教育理念对课程的教学体系、教学内容和教学手段等进行改革和探索。实践表明，基于CDIO教育理念的模拟电子技术课程改革不仅使教学质量和教学效果得到显著的提高，而且通过设计和制作一个完整的工程案例，培养了学生的工程实践等能力。

【关键词】模拟电子技术；CDIO；教学改革；差动变压器

0 引言

模拟电子技术是电类专业重要的具有入门性质的技术基础课，扎实的理论基础和过硬的实践能力对于电类学生后续专业课的学习有着重要的作用。但是随着电子技术的发展，数字电子电路大行其道，使一部分学生产生了模拟电子电路不再重要的错误认识。加上课程的学时数越来越少，传统的教学模式存在着如教材重分析轻设计，验证性实验多综合性实验少，单一强调理论知识的考核方式等，严重影响了模拟电子技术课程的学习效果。本文以我校自动化专业进行的卓越工程师计划为契机，以CDIO教育理念为指导，全面改革模拟电子技术课程教学，并在各种学生参加的电子大赛中得到了检验，取得了优异的成绩，教学效果显著。

1 以CDIO教育理念优化教学内容

模拟电子技术课程教学的内容繁多，模拟电子电路经典教材篇幅都很大，特别是在教学学时数大量压缩的情况，如何优化教学内容是教学改革首要任务。同时模拟电子技术课程与数学、物理、甚至电路课程的学习都有着明显的区别，即它的工程性和实践性，因此如何将模拟电子技术学习有机地融合到工程背景中，是教学改革的关键问题。为此我们以CDIO教育理念为指导，对模拟电子技术课程教学内容的优化做了积极的探索。

1.1 CDIO教育理念

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的重要成果。CDIO教育模式是90年代末由美国麻省理工学院航空航天系首先创立的，在2000 年联合3 家瑞典大学完善了这一模式，并建立了12 条标准，于2004 年正式成立了国际组织。CDIO 是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）和运行（Operate）四个英文单词的首字母，它涵盖了产品开发的完整过程[1-4]。

CDIO教育模式以产品开发的全过程为载体，让学生以主动的、实践的方式进行工程开发学习，建立起完整的课程体系，并培养学生的专业基础知识、终身学习能力、团队交流协作能力和工程系统能力。CDIO教育模式的关健是如何根据学习内容确定一个实际的开发案例，通过这个案例的开发逐步培养学生的工程能力以及其他能力。

1.2 确定工程开发实例

如何把模拟电子技术教学内容完美地融合到一个工程开发实例中，是个不小的挑战。随着电子技术的发展，模拟电子技术应用领域绝大多数都集中在传感器信号调整电路中。通过对大量传感器调理电路的研究，发现用传感器调理电路作为开发实例可以很好包含模拟电子电路绝大部分核心教学内容。实际教学过程中，选择差动变压器式位移传感器（螺管式）的调理电路设计和制作作为模拟电子电路学习的工程案例，通过多年的教学实践，效果显著。

差动变压器式位移传感器是用来检测物件移动的位移量，在工业中应用非常广泛。其调理电路原理框图可以用图1表示。其中正弦波或方波产生电路的功能是产生一定频率的正弦波或方波激励传感器的初级线圈；检波电路的功能是将差动变压器次级线圈输出的电压，转换成一个既能反映位移的大小，又能反映位移的方向的电压信号；放大电路的功能是将检波电路得到的小信号放大成合适的大信号；滤波电路的功能是将放大信号的高频分量滤掉，获得一个纯净的直流电压信号；转换电路的功能是将电压信号转换成电流信号，以便适应信号的远距离传输；直流电源电路的功能是对整个电路进行供电，一般情况下供电电压为24VDC。

整个调理电路基本上包括了模拟电子电路课程教学的所有内容。下面以我校选用的童诗白主编的《模拟电子技术基础》[5]教材为例，将调理电路的各组成电路对应教材相应章节整理成图2。需要说明的是，设计调理电路必须有两个重要的基础，即熟悉运算放大器内部结构和外部特性，以及反馈的概念。从图中可以看出，调理电路中的各组成电路基本上包含《模拟电子技术基础》教材的所有章节，也就是说选择差动变压器式位移传感器（螺管式）的调理电路研发作为工程案例是恰当的。

1.3 优化教学内容

图2已经非常清楚地概括了模拟电子技术课程教学内容，其大致可以归纳为三个方面：一个器件，即集成运算放大器；一个概念，即反馈；六种电路，即信号产生、检波、放大、滤波、转换和直流电源电路。

1.3.1 一个器件——集成运算放大器

调理电路中的核心器件是集成运算放大器，学习模拟电子技术的第一个任务就是如何认识和正确使用集成运算放大器。为此可以将教材的前5章整合成一个模块，即集成运算放大器模块。集成运算放大器的学习可以再细化为以下三个方面。

第一是学习集成运算放大器的外部电压传输特性。运放作为调理电路中的核心器件，必须要掌握它的作用和功能，即放大作用。

第二是学习集成运算放大器内部组成电路。首先要弄清楚二极管和三极管的特性；其次以单管共射放大电路为基础学习运放的中间级；再次差分放大电路为基础学习运放的输入级；最后以单管共集放大电路为基础学习运放的输出级。

第三是学习集成运算放大器性能参数。不同的运放其性能指标差异较大，在理解这些参数的基础上，根据需要合理地选择运放。

1.3.2 一个概念——反馈

運算放大器在电路中一般有三种状态，即开环、正反馈和负反馈，根据需要正确选择不同的反馈类型。学习反馈概念时要注意以下几点。

第一，根据集成运算放大器的电压传输特性，理解开环、正反馈和负反馈的作用。

第二，理解负反馈的四种组态，以及引入负反馈后对电路性能的影响。

第三，根据电路需要，要能够正确选择合适的负反馈组态，以满足电路设计要求。

1.3.3 六种基本单元电路

学习了集成运算放大器和反馈这两个重要内容以后，就可以分析和制作实际电路了。但是实际电路多如牛毛，功能和电路结构各不相同，那又如何学习呢？分析传感器调理电路的组成，可以归纳为六种基本的单元电路，即信号的产生电路、信号的检波电路、信号的放大电路、信号的滤波电路、信号转换电路和直流电源电路。

熟悉了这六种基本单元电路后，就可以根据需要设计具体的电路了。

2 更新教学手段

在确定了学习的工程案例和相应的教学内容以后，接下来的任务就寻找更好的教学手段，提高学习效率。

2.1 善于吸收最新研究成果

在模拟电子电路的教学过程中，前人做了大量的探索，也取得了很多研究成果。在教学过程中要善于吸收最新的研究成果，提高教学效果，下面以实用的三极管共射放大电路为例加以说明，图3（a）为该电路的原理图。

国内教材在分析这个电路时，都是首先把三极管用微变等效模型替代，然后求解放大电路的各项指标。这种方式应该说是比较繁琐的，学生对三极管的微变等效模型也不易掌握，求解电路的性能指标时费时费力。日本作者铃木雅臣的《晶体管电路设计》[6]一书中已经提出了另外一种分析方法，这种分析方法简单明了，易于掌握。这种分析方法是将三极管的发射结等效成二极管的交流小信号模型，该部分内容在康华光主编的《电子技术基础·模拟部分》[7]一书中已经作了详细的分析。再利用图3（b）中的交流通路分析放大电路的放大倍数。

由于发射结可以等效为一个小的动态电阻，所以输入电压能够顺利达到三极管的发射极上，所以，而，则输出电压，因此放大倍数。相比传统的微变等效法，该方法概念清晰，直观明了，因此善于利用最新的研究成果，可以提高教学效果。

2.2 采用软件仿真计算手段

仿真计算已经与理论分析和科学实验一道，成为当代科学研究的三大支柱。目前，学生基本上人手一台笔记本电脑，因此仿真计算也为教学提供了理论和实践结合的完美平台。在模拟电子技术教学过程中，应当把仿真计算提到突出的地位上，必须在教学过程中形成“理论分析→仿真计算→实验验证”的完整流程。仿真计算可以不受实验室条件的影响，对电路的分析更加的直观、形象，同时也可以节省大量的实验经费。利用Cadence软件的PSpice A/D组件对上述实用三极管共射放大电路进行时域和频域仿真计算，仿真结果如图4所示。

从图4（a）中可以计算出（时域分析时输入激励信号源振幅为0.5V）。从图5（b）中可以计算出（频域分析时输入激励信号源幅值为1V）。

仿真计算可以非常直观地看到结果，可以帮助学生提高系统的分析和设计能力，以及故障诊断和排除能力。

2.3 拓宽课外学习渠道

电子技术是一门实践科学，要想真正对所学电路融会贯通，必须动手制作电路，如制作差动变压器调理电路。这就要求学校必须提供开放式的学习环境，以满足部分学有余力的学生得到个性发展。我校自动化专业为实施卓越工程师计划专门创建了创新实验室，并整合学校原有的电子协会资源，为我校自动化专业的学生提供了良好的实践环境，拓宽了学生的课外学习渠道。

3 教学效果

以CDIO教育理念为指导，优化了模拟电子电路课程的教学内容，并采用最新的教学手段，培养了学生的动手能力、团队协作能力和创新精神，取得了较为显著的效果。

3.1 学生理论基础明显扎实

以前学生在学习模拟电子电路时，很多概念学的不是很扎实，自从课堂教学中使用了仿真计算后，特别是我校自动化专门开设Cadence软件的PSpice A/D组件的学习课程，学生的学习兴趣明显提高。利用仿真软件可以对学习的每一个电路都进行仿真计算，这样可以很好地检验理论学习效果。

3.2 学生的创新能力得到明显提高

自从教学改革以来，学生参加各类电子设计大赛的人数大幅度提高，也取得了很好的成绩。截止2016年4月，我校电气学院学生参加的各类电子设计大赛中获得国家级特等将1个，国家级一等级3个，国家级二等奖18个，国家级三等奖3个，省级将项100多项的好成绩。特别是在2015年全国电子大赛，一举获得2个全国二等奖，3个全国三等奖。

4 结论

以CDIO教育理念为指导，对模拟电子技术教学进行了全方位的改革，结合实际的开发项目，优化教学内容，革新教学手段，形成了完善的课程体系。通过多年的教学实践，该体系能够有效地调动学生的主动性和兴趣，提高学生的实践创新能力，教学效果显著，发挥了良好的示范和辐射作用。

【参考文献】

[1]丁桂芝.CDIO12个标准本土化应用专题之1-背景环境[J].计算机教育，2012（5）：106-109.

[2]丁桂芝.CDIO12个标准本土化应用专题之2-学习的目标效果[J].计算机教育，2012（7）：100-105.

[3]丁桂芝.17、CDIO12个标准本土化应用专题之4-工程导论[J].计算机教育，2012（15）：104-106.

[4]丁桂芝.19、CDIO12个标准本土化应用专题之6-工程实践场所[J].计算机教育，2012（19）：107-110.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6]铃木雅臣著，周南生譯.晶体管电路设计（上）[M].北京：科学出版社，2004：17-18.

[7]康华光.电子技术基础·模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2006：76-78.

[责任编辑：朱丽娜]