新工科背景下重塑电子技术教学体系实践研究

丁国强，王延峰，周卫东

摘  要：面向新工科高素质专业人才培养目标要求，在电子技术教学中切实践行 “教育强国”理念，通过对电子技术教学内容组织、教学主线与关键点梳理、教学运行实践等方面研究，提出了电子技术教育教学重塑观点，经由电子技术教学内容重塑性分析，提出电子技术以电子器件为基础，以反馈分析法贯穿电子电路教学思路，以技术创新为引导，注重电子电路近似化模型教学，电子技术数学建模思维培养的教学理念和教学思路。经由电子技术课程组近几年的教学实践与总结，文章提出的创新性教学理念与教学设计是有成效的，取得较好的教学效果。

关键词：电子技术;教育教学;创新性重塑教学;近似化数学模型设计;数学思维教学

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）30-0098-04

Abstract： To meet the requirements of training high-quality professionals in new engineering， the  study practices the idea of "Powerful Educational Country" in the teaching of Electronic Technology Course， and through the organization of electronic technology teaching content， the main line and key points of teaching， teaching practice and other aspects of research， it puts forward the viewpoint of teaching remodeling of the electronic technology education. Reshaping analysis of teaching content for electronic technology course， it puts forward the teaching thoughts in which electronic technology is based on electronic device， feedback analysis is used to run through the teaching ideas of electronic circuits， guided by technological innovation is used to the instruction， the approximate model teaching of electronic circuits is strengthened and the mathematical modeling thinking of electronic technology is cultivated. With teaching practice and summary of electronic technology course group in recent years， the innovative teaching concept and teaching design put forward in this paper are effective and achieve good teaching results.

Keywords： electronic technique; education and teaching;innovative reshaping teaching; approximate mathematical model designing; thinking teaching of engineering mathematics

习近平总书记在全国教育大会上进一步提出“加快推进教育现代化、建设教育强国”的新要求，“教育强国”论述是习近平总书记新时代教育新理念新思想新观点的重要内容，是新时代建设教育强国的行动指南。当今世界强国在其发展过程中都十分重视发展教育，教育为其经济社会发展、确立和维持强国地位等方面都发挥着巨大作用。当前我国经济发展进入“新常态”模式，正从规模速度型粗放增长转向质量效率型集约增长，增长动力从要素驱动转变为创新驱动，在此新形势下国内一大批高校相继提出应用型人才培养任务，为社会经济创新驱动发展提供强大的人才与智力支持。

应用型人才培养本质在于培养的人才具有扎实专业基础知识，良好工程素养以及较强的实践动手能力，能够系统性运用专业知识解决工程实践中的实际问题。高素质应用型人才培养过程是一个系统性工程，涵盖培养目标和人才标准的确定，实现培养目标的整个教学体系以及与之匹配的管理和评估机制等多个环节，其中课程作为人才素质培养和专业能力教育的中心环节，在塑造人才特质过程中具有不可替代的基础性作用。鉴于此，在电子技术教学过程中，以高素质应用型人才特质和能力要求为导向深化课程改革，对于高素质应用型人才培养具有重要意义。

电子技术是电子信息、通信、机械电气、计算机等理工类专业的核心基础课程，包括模拟电子技术和数字电子技术两大部分，学习常用半导体器件和集成芯片或者模块的组成结构、基本原理和电气特性，以此为基础着重阐述半导体器件及其集成模块器件构建的电子电路基本组成、工作原理和分析方法，从而形成复杂电子电路系统分析设计的计算方法体系。该课程要求学生在掌握高等数学、大学物理、电路分析等基础课程知识基础上，进一步系统性地学习电子电路技术、非线性分析方法和实践应用技能，最终形成适应信息时代电子技术发展要求的電子电路分析、计算、仿真与设计能力，为深入学习后续课程和从事专业相关技术工作奠定基础。因此电子技术课程在众多理工科专业课程体系中扮演着承前启后的角色，同时还是一门重要的专业技术岗位能力课程，在构建电子信息领域应用型人才工程素养和综合能力方面起着至关重要的作用。

本文基于电类、机械类专业工程认证和新工科人才培养需要，从电子技术课程的教学现状出发，以高素质应用型人才培养目标为导向，根据深入理解对复杂工程问题的把握，符合具备解决复杂工程问题设计和创新综合解决方案的能力要求，系统梳理和分析电子技术课程教学目标、教学内容组织及教学关键点环节所做的重塑化创新改革措施，从而在有限教学时间内优化电子技术课程内核，强化渗透工程培养的目的。

一、电子技术课程教学内容体系结构分析

电子技术课程是以半导体器件、放大电路、非线性电路分析方法和应用电路的脉络主线组织起来的，其主要内容包括PN结、二极管、三极管和场效应管及其放大电路、集成运算放大器、差分放大电路、功率放大电路、负反馈放大电路、信号发生电路，以及信号运算和信号整形电路、直流稳压电源电路等基本内容，其中二极管、三极管和集成运算放大器可归类为半导体器件部分，三极管和场效应管组成的基本放大电路和差分放大电路及功率放大电路可归类为放大电路部分，RC正弦振荡电路、LC正弦振荡电路以及石英晶体振荡电路归类为信号发生器电路，三角波和方波发生器电路可都是由正弦振荡电路经由RC积分电路和比较器电路整形获得的信号波形整形电路结构，直流稳压电源电路作为电子装置的直流供电模块呈现出来，从非线性电路分析方法角度来看，波形发生和整形电路可看作是基于反馈分析法的基本放大电路应用部分。而直流稳压电路电路的部分是基于反馈分析法的基本放大电路的功能应用电路[8]。

从电子技术革新发展的角度看，电子技术课程体现着电子电气理论与技术螺旋式的发展路径，始终遵循着技术需求与任务设计的基本实现电路，实际功能需求扩展与电路改进和完善策略，提出新的电路设计思路满足当下电子技术发展需求。如分压偏置共射放大组态电路，其提出的目的是解决分布式三极管放大电路中存在的静态工作点会随温度变化而发生偏移的现象实施的改进电路策略。另外，为克服多级放大电路中的零点漂移现象，提出在多级放大电路的输入级电路采取差分放大电路组态，从而引入新的差分电路形态及其设计和分析技术。还有串联型稳压电路设计和分析，其来源于简单的稳压管稳压电路，但其存在带负载能力弱、输出电压不可调等问题，那么利用三极管或者场效应管的调整作用，以及负反馈放大器组件，将其修改设计为具有调整元件、负反馈放大比较环节、取样环节和基准源等四个组成部分的新型串联型稳压电源模块，从而进一步扩展稳压电源功能和用途。集成运算放大器模块本质上是由差动输入级、中间电压放大级、输出级以及偏置电路等四个部分组成的，其输出级采用推挽式OTL或者OCL电路组成，在降低管子功耗时交流动态信号完整输出。原理讲解过程中突出电子技术叠加改进措施，依据提高放大管效率、减小交流信号失真和管子保护等思路对功率放大电路进行讲解，从而使学生深入理解电子技术革新的思路和解决措施。

电子技术课程是在电路理论学习基础上，灵活运用电源等效原理和KCL、KVL定律解决复杂电子电路的设计与分析，构建复杂电子电路设计与分析的工程解决方法，同时引入电子技术新的分析理论与方法，这就是电子技术学习的负反馈分析法。在电子技术学习中处处体现出反馈分析思维方法，如集成运算放大器电路组成，比例运算电路、差动运算电路、积分微分运算电路等都是采用负反馈方法设计出来的典型电路;集成运放器的理想化模型中的“虚短虚断”概念本质上是由深度负反馈方法推导出来的;分压偏置放大电路稳定静态工作点也是运用了负反馈方法，正弦震荡电路设计与分析中相位平衡法也是负反馈方法应用，直流稳压电源设计中比较放大环节设计中也用到了负反馈放大器。可以看到在电子技术课程教学中，反馈分析法是电子技术课程内容教学的核心分析方法，因此对反馈分析理论方法教学要充分结合电子电路实例，把众多反馈概念融入到电子电路教学的众多组成部分中去，强调出反馈分析法的重要作用。

二、电子技术课程创新性重塑教学研究

（一）电子技术课程中线性近似模型分析方法

电子技术是在学生充分掌握高等数学、大学物理以及电路理论基础上进一步深入学习电类专业课程的关键基础性课程。首先它要求学生能够熟练应用电学定律、定理和基本概念并将其运用到复杂电子电路系统的分析和设计中，达到面向复杂电路问题能够灵活运用所学知识，思考问题解决思路和设计解决措施的创新性素质能力培养的目的，这其中包括复杂电子电路问题的理论验证和实验设计能力，而其中最重要的教学建模思维就是电子电路的线性化近似模型分析能力。电子电路分析教学内容中面向的对象是由三极管、场效应管及集成运算放大器组成的非线性放大电路，那么教会学生掌握非线性电路的线性化近似分析方法已成为学习本门课程的基础关键环节，非线性电路线性化模型是课程分析方法的学习基础，本门课程电子电路线性化近似电路模型如图1所示，根据放大电路分析技术指标，可分为电压放大电路模型、电流放大电路和互导放大与互阻放大电路模型等，任何复杂非线性电路都可以归结到这几类放大电路模型中去。

同样，在放大器件学习中非线性器件的线性化近似模型分析也是很重要的，如根据二极管伏安特性方程及其伏安曲线可逐步线性化近似为理想开关模型、恒压源模型、电压源模型以及小信号近似模型等，非线性的三极管和场效应管可等效为H参数模型及理想集成运放模型等，构成本门课程器件学习与应用的基础环节。并且对于部分电路模型的简化为电压源或者电流源分析思路也是电子电路问题分析的重要思路方法，如图1所示的电子電路模型，在放大电路部分看其前面部分电路，可简化为一个电压源或者电流源的信号源模型，其后面部分电路可看作是一个负载阻抗模型，从而实现复杂电路的简化建模与分析计算。理想集成运算放大器的理想化指标由来，在于深度负反馈基础上总结出的“虚短、虚断”概念基础上无限大与无限小的推广关系。

（二）电子技术课程中数学建模思维教学

数学建模思想是电类专业人才创新创业素养教育的重要组成部分，在于培养学生对于繁杂问题的简单数学描述与计算解决思路的工程化数学思维培养。所谓电子电路数学模型是指对于复杂电路对象，利用电路定律定理，结合适当的数学工具，利用数学语言表述出来的一个数学结构，从而达到一种对于电子电路数学模式的研究与设计目的，最终引导学生把理论知识转化为电子技术研究与设计能力，包括学生对于电子电路的软件分析与模拟计算、电子电路设计研究能力。在电子电路理论教学和实践操作过程中，高等数学和矩阵分析等数学思维方法浸透在整个课程的教师教学和学生学习过程，其主要表现在基于电路基本的KCL和KVL定律、戴维南或者若顿等效定理和全电路欧姆定律公式，利用数学思维方法构建复杂电路的数学模型方程开展电路参数计算求解过程;通过基本电子电路分析，找出电子电路存在的问题，利用数学思维工具获取问题的解决思路和方法，从而构建学生的创新性数学思维训练。如多级放大电路提高电路放大增益，但其存在的零漂问题需采取差分放大电路组态的解决思路。复杂运算电路的分析与设计问题，需要在集成运算理想化模型基础上利用KCL和KVL定律列写出数学方程组，利用矩阵分析技术计算电路输入/输出关系式。功率放大电路中采用推挽式互补对称的OTL和OCL电路结构，其工作原理与机制分析、电路效率分析等，都涉及数学建模思维方法。

三、电子技术新工科教学的创新性实践

常规电子技术教学注重电子器件及其组成电路的教学过程，但是面向新工科培养目标，这种教学内容和教学组织方式存在严重缺陷。电子技术教学内容本质上是以元器件组成的放大电路及其应用电路为对象，以反馈分析方法为工具，以电学定律、定理和公式为依据，利用数学思维方法构建线性化近似模型解决放大电路分析和复杂电路参数计算问题这一主线统领教学过程。在此教学过程中注重面向电子技术应用的实际需求，提出解决问题的方法和措施，利用数学工具给出解决思路，从而培养学生工程技术创新思维新方法。在电子技术课程教学中提出教学内容重塑概念，面向新工科人才培养目标，培养具有自主学习、独立思考和解决复杂工程问题的创新型人才。在课程学习过程中，培养学生归纳总结知识的能力及学习知识的方法和创新应用知识的能力。在此过程中把课程教学分为知识、方法和思维三个层次实施电子技术教学部署，电子技术课程教学中面向二极管、三极管和场效应管、集成运算放大器件组成的非线性放大电路开展教学任务，这些内容和前期电路中电学原理性知识学习不同。在理解半导体PN结知识基础上，教会学生掌握半导体器件的知识之外，学生应该归纳总结半导体器件的电气特性，如二极管的伏安V/I特性，测试其V/I特性曲线、数学拟合器件的特性方程，进而在后续学习电路分析中能够根据器件特性曲线构建相应的电路模型，三极管和场效应管的学习过程也是如此。从而让学生在掌握器件知识基础上，归纳总结出半导体器件或者电子电路的一般化数学建模分析和设计思路，进而将其应用到放大电路的数学模型分析中去，从而实现由感性认识到理性思维的较变，学会抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，建立一般化放大电路的数学模型，实现由特殊案例电路到一般化放大电路，由简单到复杂，再由思维抽象到思维具体，总结出适用于该类器件及其组成电路的分析方法，从而实现知识到能力的转移转化目标。如在乙类双电源功率放大电路（OCL）内容在讲授过程中，首先让学生知道OCL电路来源于NPN管构造的射级输出器电路，但是要达到提高功率放大电路的效率，减小信号失真的功率放大电路目的，需要做出两点修改：让其静态工作点Q尽可能地降低到横轴上来减小静态管耗，但是这样做的话很明显引起了交流信号失真，由此再引入PNP管组成双管互补的OCL电路形态，从而达到让学生利用放大电路基础知识分析和设计应用电路的目的。在直流稳压电源部分教学过程中，稳压模块来自于稳压管电路，那么教学过程中就要分析其存在的输出电压不可调和、带负载能力差的问题，根据前面章节所学习内容引导学生思考采取什么样的措施来改进该电路存在的问题。提出了加入调整管措施和增加放大环节的改进思路，进而开展分立元件及集成运模块组成的串联型直流稳压电源电路分析与计算，并且顺利引入三端集成稳压器件应用分析与计算学习。

四、结束语

面向新工科高素质人才教育目标，把习近平总书记“教育强国”理念要求植入高校电子技术课程教学实践中，通过对电子技术课程的教学内容创新性分析与组织教学，创新性地设计了电子技术课程教学关键点及其教学思路，抓住教学内容主线把新工科学生创新性工程思维培养融会贯通于教学过程，达到切实提高学生创新性工程素质培育水平的目的。通过郑州轻工业大学电类专业的电子技术教学实践应用，学生学习积极性和教师教学主动性得到明显改善和提高，学生学习效果也得到改善，从而达到了教学实践改革的目的。由此总结出电子技术课程教育教学切实可行的实践做法值得在全国高校中进行推广和应用。

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