任务驱动法在运算放大器教学中的应用

李 玲， 郭 姣， 周 波， 宋 阳

(海军大连舰艇学院 基础部， 辽宁 大连 116018)

任务驱动法在运算放大器教学中的应用

李 玲， 郭 姣， 周 波， 宋 阳

(海军大连舰艇学院 基础部， 辽宁 大连 116018)

本文采用任务驱动教学法，通过军事实例将积分、微分、求和、求差等运算放大器的其他应用，串成一条线，设置成一个具体的任务，并将任务分解为层层递进的子任务。在教学过程中，围绕每个子任务的提出和解决展开学习，以子任务的完成结果检验和总结学习过程。教学实践表明，该方法有助于充分调动学员学习的积极性。

任务驱动法；运算放大器；子任务

0 引言

“电子技术基础——模拟部分”是自然科学、军事科学和许多工程技术领域的一门重要专业基础课，开设于本科二年级上学期。该课程概念繁多，内容丰富多样，知识相关复杂，学员在学习过程中遇到问题较多，学起来难度较大。

运算放大器(以下简称“运放”)作为本门课的核心内容，是目前应用极为广泛的一种器件，它不仅用于信号的放大、运算、处理、变换、测量、信号产生和电源电路，而且还可用于开关电路中。在传统的“运放”的教学过程中，重点是从外特性上介绍其符号、功能以及工作区，要求学员能够掌握同相和反相放大两种基本应用和有关运放电路的分析方法，并且能够举一反三，分析“运放”的其他应用，如积分、微分、求和以及求差等运算电路。由于“运放”应用的知识点相对独立和分散，学员在学习过程中会感觉内容杂乱，枯燥无味，对知识的理解不深刻，不易掌握。

笔者在对学员特点、学员未来工作岗位、运放在工程中的实际应用等方面做了全面而详细的了解之后，提出了用任务驱动法讲授该课程“同相输入和反相输入放大器的其他应用”一节(以下简称“运放的其他应用”)。这一尝试以任务为导向展开教学，激发学员探索的欲望，以问题的不断提出和解决引导学员积极思考、动手推导、分组讨论，促使学员主动参与学习。

1 任务驱动法

构建主义学习理论强调：学员的学习活动必须与任务或问题相结合，以探索问题来引导和维持学习者的学习兴趣和动机，创建真实的教学环境，让学员带着真实的任务学习，以使学员拥有学习的主动权[1]。

基于构建主义的学习理论，任务驱动法提出改变传统的以传授知识为主的教学理念，采用以完成任务、解决问题为主的多维互动式的教学方法，将再现式的教学转变为探究式学习，使学员处于积极的学习状态，自觉充实和丰富自身的知识能力，主动构建探究、实践、思考、运用、解决、高智慧的学习体系[2]。这种教学方法的根本特点是“以任务为主线、教员为主导、学员为主体”，主要包括“创设情景、确定任务、自主学习和效果评价”四个基本教学环节[3]。

2 教学过程设计

“运放的其他应用”一节在实际教学中通常分配的课时较少，如何在有限的时间内让学员对这一节内容有较好的掌握是教员要解决的问题。基于任务驱动法的理念，“运放的其他应用”一节教学过程可从以下四个步骤进行设计。

2.1创设问题情景，提出任务

首先将课本上相对独立和分散的知识点融入到一个学员感兴趣的实际军事例子中去，引起学员注意，激发他们的学习兴趣。例如从目前舰艇中常用来调整航向的自动舵这一军事实例入手。舰艇在海面航向受风浪等因素的影响，很可能偏离给定航向，而自动舵可以对舰艇航向进行自动调节，使舰艇保持在规定的航向上航向，其中最著名的就是比例——积分——微分自动舵，简称PID自动舵。图1给出了PID自动舵结构示意图。

图1 PID自动舵结构示意图

其工作原理是：将给定航向φi与舰艇的实际航向φo作比较求差，得出偏航角φ，利用传感器将此偏航角信号转换为电信号vi送入控制系统中处理，得出偏舵角电信号vo。偏舵角信号经放大送入舵机中执行，即可使舰艇恢复航向。控制系统的作用就是实现偏航角电信号vi到偏舵角电信号vo的转换，因此本节课的任务是设计可以实现舰艇偏航角电信号到偏舵角电信号转换的PID控制系统电路。

2.2分解任务，调动学员积极性

教员提出任务之后，为调动学员积极性，首先带领学员对任务进行分析，以降低任务的难度，充分调动他们探索的欲望。比如在设计舰艇偏航角电信号到偏舵角电信号转换的PID控制系统电路这一任务中，学员对自动舵的相关知识并不了解，此时为提高教学的时效性，可直接为学员讲解PID控制系统的经典转换过程：先将偏航角电信号vi分别经过比例、积分以及微分运算，然后将三种运算的结果进行求和得出相应的舵角信号，再将此舵角信号与实际舵角信号进行求差，即可得出偏舵角电信号vo。在这个转换过程中包含比例、积分、微分、求和以及求差五种运算，所以本节课的总任务就可以分解为五个子任务，即用电路来分别实现这五种运算。五个子任务的实现顺序按照知识的由浅入深、循序渐进的原则设置，子任务1设置为已经学习过的比例运算，子任务2和子任务3设置为更换一个元件即可实现的积分和微分运算，子任务4和子任务5设置为需要增加输入信号才可实现的求和及求差运算。图2为任务流程图。

图2 任务流程图

2.3实现任务，使学员获得成就感

任务实现阶段要充分发挥以教员为主导，学员为主体的理念，最大限度调动学员积极性，促进教员和学员的双边互动，培养学员克服畏难情绪，主动探索，战胜困难，解决问题的精神。

子任务1：比例运算。学员在前面课中已学过两种基本线性运放电路，即同相放大电路和反相放大电路。这两种基本线性运放电路都能够实现比例运算，所以可先让学员回顾这两种电路的电路结构、输入输出关系以及“虚断”和“虚短”的分析方法，为后面任务的实现和分析奠定基础。

许多由运放所组成的功能电路都是在两种基本线性电路的基础上演变过来的，比例运算可选择工程中应用更为广泛的反相放大电路来实现，由此可进一步启发学员思考：后续几种电路是否也可以在反相放大电路的基础上得到？

子任务2：积分运算。反相放大电路是由一个运放和两个电阻组成，因为电阻的电压电流之间为代数关系，所以实现了比例运算，图3示出其电路图。如果要实现积分或微分运算，电路中还需要有电压和电流之间存在微积分关系的元件，所以提出问题，哪些元件的电压电流之间存在微积分关系？引导学员思考并选择常用的电容元件来替换反相放大电路中的一个电阻元件，不妨先来替换R2，如图4所示，然后与学员一起分析此时电路的输入输出关系，分析方法仍然是“虚断”和“虚短”。

图3 反相比例运算电路

图4 积分电路

由“虚短”可知vn≈vp=0，所以

(1)

(2)

由“虚断”可知，ip=in≈0，所以i1=i2，即

(3)

假设电容C的初始电容为0，整理可得

(4)

从表达式上可以看出，输出电压与输入电压之间为积分关系，实现了积分运算，负号表示输出电压和输入电压相位相反，此电路就是积分电路。

子任务3：微分运算。在将反相放大电路中的R2换成电容C后实现了子任务2中的积分运算后，教员提出问题：如果将反相放大电路中的R1换成电容C后又会实现何种运算？可让学员自己用“虚断”和“虚短”的分析方法分析电路的输入输出电压关系，结果表明此时实现了微分运算。

子任务4：求和运算。子任务1、子任务2和子任务3都是对一路输入信号的处理，进一步启发学员思考：要实现求和或求差运算至少得是两路信号的求和或求差，因此应该增加一路输入信号，不妨先在反相放大电路的反相输入端增加一路输入信号，如图5所示，然后与学员一起利用“虚断”和“虚短”的分析方法分析此时电路的输入输出电压关系，结果表明此电路实现了求和运算。

图5 求和电路

由于此电路是多输入的线性电路，所以教员可引导学员利用叠加定理对电路进行分析。所谓叠加定理是指在线性电路中，当电路中存在多个输入共同作用时，输出等于每个输入单独作用之和，也就是利用分解的思想简化电路的求解。

若vi1单独作用，将vi2接地，电路简化为反相放大电路，则输出电压

(5)

若vi2单独作用，将vi1接地，电路仍简化为反相放大电路，则输出电压

(6)

当vi1、vi2共同作用时，输出电压就等于这两个输出之和

(7)

子任务5：求差运算。在反相放大电路的反相输入端增加一路输入信号后实现了子任务4中的求和运算，在反相放大电路的同相输入端增加一路输入信号又可实现什么运算？此电路仍然是多输入的线性电路，所以既可以用“虚断”和“虚短”的方法分析，也可以用叠加定理分析。故让学员分组分别用这两种方法分析此时电路的输入输出关系，结果表明电路实现了求差运算，并且通过分组分析的对比，学员很容易体会到用叠加定理分析多输入线性电路的简便性。

2.4对任务进行总结，巩固知识点

五个子任务都实现之后，即可设计出总任务要求的电路图，而实际PID自动舵从偏航角到偏舵角电信号的转换电路图与学员设计的电路是否一致？此时给出实际的转换电路图，如图6所示。通过对比可发现，比例、积分、求和以及求差运算的电路与任务中实现的电路都一致，唯独微分电路与理论设计出来的电路略微有所不同，此部分正是理论学习与工程实际相结合之处，因此可将产生不同的原因作为知识扩展内容，留给学员课下查阅资料进行讨论，并于下次课前按小组给出讨论结果，培养学员的工程意识、分析解决实际问题的能力以及自主学习能力。所以本节课总体上实现了任务要求，学员在学习过程中也获得了成就感，有助于进一步激发他们的学习兴趣。最后教员再对本节课内容做一梳理和提炼，着重强调新学习的四种典型电路与两种分析方法，加深学员对知识的理解。

图6 PID自动舵控制系统转换电路图

3 结语

本文详细介绍了采用任务驱动教学法讲授“电子技术基础—模拟电路”课程中“运放的其它应用”一节的教学效果，通过设问引导探究，充分激发和调动学员学习的内在动机，培养学员分析问题、解决问题、发现问题和自己动脑、动口、动手去主动获取知识的能力[4]。通过师生互动、研讨教学，学员在获得知识的同时，受到方法论和逻辑思维的训练，培养自身知识迁移、分析与解决实际应用问题的能力。在课堂之外，教员布置一些扩展性的学习任务，培养学员查阅资料、收集处理信息、自主学习的能力以及科学探索的精神。课堂实施效果表明，学员对这种形式的教学方法很感兴趣，课堂参与度很高，探索欲望强烈，对知识的理解和掌握更加深入。

[1] 何克抗. 关于构建主义的教育思想与哲学基础--对构建主义的再认识[J]. 成都: 现代远程教育研究, 2004, (3): 12-16.

[2] 江志平. 网络环境下任务驱动教学模式的研究与应用[D]. 重庆: 西南大学, 2008年3月.

[3] 迟晓曼. 基于任务驱动的网络学习平台设计与实现[D]. 长春: 吉林大学, 2011年4月.

[4] 何敏，刘荣，孙峥等. 模拟教学中工程观念的培养[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2008, 30(4): 84-86.

TheApplicationofTask-DrivingMethodinTeachingOperationalAmplifier

LILing,GUOJiao,ZHOUBo,SONGYang

(DepartmentofBasics,DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

In this paper the task-driving teaching method is adopted to string tgether other operations of operational amplifier as integral, differential, sum, difference, etc. through some military examples, and set it into a specific task, then divide the task into hierachical subtasks. In the teaching process, start learning around each subtask′s putting forward and solving, and inspect and summarize the learning process by the complete results of subtasks. Teaching practice has showed that this method helps to fully mobilize the enthusiasm of students to learn.

task-driving method; operational amplifier; subtasks

2016-10-12;

2017-01-11

2016年度海军大连舰艇学院基础部预研项目课题；2016年度海军大连舰艇学院教育科研课题

李 玲(1990-)，女，硕士，助教，主要从事电工电子技术方面的教学与研究工作，E-mail: liling_1990@sina.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)05-0089-04