“模拟电子技术基础”教学改革

凯里学院大数据工程学院 曾凡菊 谭永前 王 凯

针对“模拟电子技术基础”教学中存在的问题，提出了基于项目需求的“模拟电子技术基础”教学模式。以“风力发电模拟装置”项目为教学案例，把项目实施过程中各个模块与模拟电子技术基础教材中相应的内容进行对应，让学生在项目实践过程中逐渐掌握教材中相应的理论知识。教学实践表明，改进后的教学方法在提高学生动手能力、学习热情、主动性方面取得了一定的成效。

“模拟电子技术基础”课程是高校信息工程、物联网工程、计算机科学与技术等工科电子信息类专业的专业基础课程。该课程致力于研究各种不同半导体器件的性能、电路的工作原理及其实际应用，通过对常用半导体器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得电子技术方面的基本知识、基本理论和基本技能，学好该门课程可为后续的电路分析、数字电子技术、信号与系统、高频电子线路等专业课课程打好坚实基础。但模拟电子技术的课程内容较多、内容抽象、难度大，学生不能很好的理解和掌握，导致大多数学生产生厌学情绪，最终影响该门课程的教学效果。在传统的模拟电子技术教学过程中，大部分高校教师仍然采用教师在课堂上讲授，学生被动接收的“灌输”式教学方式，理论与实践相分离，学生拥有较少的主动权，因此缺乏学习积极性和主动性、独立思考能力弱、创新创业能力差，不能很好地实现学以致用的效果。

鉴于“模拟电子技术基础”课程在高校教学中存在的诸多问题，很多高校教师积极投入到模拟电子技术基础的教学改革中，取得了很多令人满意的效果，例如卢文娟等提出的“模拟电子技术”混合式教学改革与实践，充分利用在线课程优势，将“线上+线下”有机融合，取得了很好的教学效果。陈静等在教学过程中通过引入应用实例和随课实验的开展，有效调动起学生的学习积极性和主动性，进一步加深学生对重要知识点的理解和领悟，使得教学效果得到有效提升。

本文针对“模拟电子技术基础”课程教学中出现的学生学习热情不高、缺乏主动性、创新能力差等问题，提出基于项目需求的模拟电子技术教学模式，通过项目实践的形式引导学生主动学习、主动提出问题并解决问题，进一步提升学生对“模拟电子技术基础”课程的兴趣。

1 基于项目需求的教学模式总体方案

选取“风力发电模拟装置”项目作为切入点，设置项目实现的框图和教学总体方案。

1.1 项目设计任务

设计并制作一个风力发电模拟装置，能够采集风速信息，并对风向有一个明确的方向指示，能通过风力发电点亮LED灯，实时显示发电的功率。

1.2 设计要求

（1）利用家用电风扇给风，根据速度变化，显示的风速要实时变化。

（2）对风向有明确的方向指示，可以准确的显示“东南西北”四个方向。显示用显示屏。

（3）能通过风力发电点亮LED灯，LED灯的工作电流约2mA，能让LED稳定发光。实时显示发电的功率。

1.3 项目说明

（1）风速测量用风速计校准，风速计自备。

（2）LED灯可用选择开关接入。注意根据情况设计保护LED灯的保护电路。

（3）电风扇的标准为30W，装置与电风扇的距离为1至2m以内。风向测量以家用电风扇出风朝向为标识方向。用指南针校准。

1.4 项目实现框图

设计主要电机模块、风速传感器模块、风向传感器模块、Arduino Uno单片机控制模块以及显示模块组成。给发电机扇叶受风，发电模块将风能转换为机械能带动发电机发电点亮LED灯，风速与风向传感模块监测受风方向并实时采集风向和风速数据，然后传输给单片机，单片机进行相应的处理后通过显示屏实时显示。系统整体框图如图1所示。

图1 项目实现框图

2 教学模式总体方案

根据项目实现框图来设计教学过程和内容，框图中每个部分对应“模拟电子技术基础”中相应的教学内容，具体如下：

电机模块：该部分主要讲授风力发电的原理。利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电就是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的过程。

传感器模块：通过传感器模块电路，给学生讲授相应传感器电路的基本原理及工作过程，结合“模拟电子技术基础”教材内容，让学生把课本里的内容应用到实际当中。

显示与报警系统模块：该模块主要由以下电路组成：控制模块、降电压模块、LCD显示模块以及蜂鸣报警模块组成，如图2所示。

图2 总体电路

由于风向传感需要12V的电源供电，而Arduino Uno单片机则只需要5V，本项目设计了一个电压降压电路来实现了一组电池供双压的功能。首先运用12V的电池给风向传感模块供电，然后再经过降压电路后给Arduino Uno单片机提供5V的电压。电路设计如图3所示。

图3 降压电路

该部分涉及到的电路较复杂，主要对应讲解教材中对应的电子元器件的功能、串并联电路的原理、蜂鸣报警电路以及集成芯片、芯片参数和实践应用电路的基本原理。

3 项目设计结果及教改取得的成效

通过项目需求的模式来带动和讲解“模拟电子技术基础”课程中对应的内容，让学生很直观的了解教材中对应的内容在实际中的应用，提高了学生学习知识的积极性和主动性。同时，通过项目的实践，学生也真正参与到项目的实施过程中来，提高了学生的动手能力和创新能力。

3.1 项目测试结果

表1、表2为风力发电模拟装置相关参数的测试数据。

表1 基本要求检测

表2 发挥部分测试

3.2 教改取得的成效

“模拟电子技术基础”课程教学组组织学生参加各种物联网竞赛，参加各种科技竞赛是提高学生动手能力和学习兴趣的重要途径，也是教师提高自身业务水平的途径，通过比赛既锻炼了学生也锻炼了教师。课程教学组坚持“以赛促学，教学相长”的理念，以电子设计竞赛等各种学科竞赛为牵引，让学生通过参与竞赛，将理论和实践融会贯通，培养了学生团队协作和拼搏精神以及解决复杂工程问题的能力。课程教学组成员组织18级、19级物联网工程学生参与了多项科技创新竞赛与技能培训，并取得了可喜的成绩。在2021年十二届”蓝桥杯”全国电子专业人才设计及软件设计大赛中获国家二等奖1项、三等奖2项，在2020年（第13届）中国大学生计算机设计大赛中获省级一等奖1项、全国赛三等奖1项；获第十二届全国大学生数学竞赛全国赛三等奖1项，获2020年“传智杯”程序设计全国区域赛一等奖2项。2020年“欣源杯”贵州省大学生电子设计竞赛中获一等奖1项、二等奖1项；2019年全国大学生电子设计竞赛贵州省省级决赛获一等奖1项；2021网络技术挑战赛西南赛区获三等奖1项；第十届全国大学生电子商务“创新、创意及创业”挑战赛贵州省省级三等奖1项。2021年获省级大学生创新创业项目立项6项。

针对“模拟电子技术基础”课程传统教学方法中存在的各种问题，本文提出了基于项目需求的“模拟电子技术基础”教学模式。以“风力发电模拟装置”项目为案例讲解了该项目实施过程中与教材相关内容的对应关系，通过学生实践设计项目过程中遇到的各个模块工作原理，把项目设计与教材相关内容联系起来讲解。让学生在“做中学，学中做”，既锻炼了学生的动手能力和创新能力，又提高了学生学习理论知识的积极性和主动性。课程教学组通过对18级、19级物联网工程专业的教学实践表明，基于项目需求的“模拟电子技术基础”课程教学模式取得了一些成效的同时也存在一些不足：（1）在教学过程中教学项目案例的选择仍需更准确的把握，项目实施过程中所对应的教材内容仍需准确的衔接。（2）班级中仍有部分基础薄弱的学生无法很好的适应该教学模式，如何帮助这部分学生很好的适应该教学模式，仍是课程教学组需要解决的问题。（3）课程考核的方式和方法仍需教学组不断优化。