集成运放应用电路设计虚拟仿真实验教学研究

倪 雪，龚 晶，卢 娟，闵 锐，黄 颖

（陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引言

“模拟电子技术实验”课程作为为理论课程的有益补充，在教学中占有重要地位。对于培养学生的实践动手能力、创新思维和科学素养等方面起到十分重要的作用。目前，模拟电子技术实验平台多由实验箱与传统仪器仪表组成，实验内容以验证性实验为主，学生主要通过操作仪器仪表、连接实验电路、测量电路参数以及查找排除故障等一系列环节完成实验，达到深化理解基本原理、掌握电路测量方法、提高实践动手能力的教学目的[1]。然而，由于教学内容固定、教学模式单一，教学场地和设备限制，传统实体实验难以调动学生的主动性、拓展学生的创新思维。同时，实验中设备故障、电路连接错误、测量误差大等问题，也给学生实验带来较大的困扰[2]。因此，实体实验主要侧重锻炼培养学生的仪器仪表操作技能、电路测量方法，分析和排除故障的能力。

近年来，随着教育部对国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的推进，国内各高校逐渐认识到虚拟仿真实验的价值，积极开展基于虚拟仿真的实验教学研究[3]。虚拟仿真实验突破实验教学对客观条件的依赖，不受时间和空间限制，内容丰富且易拓展，学生可以在虚拟环境下进行任意电路的方案设计、仿真、调试、测量以及优化、创新等，并且利用仿真在线平台可以方便地实现教学过程的管理[4]。理论研究和实践探索表明，推进虚拟仿真实验教学工作，将实体实验和虚拟实验进行有机的融合，才能最大限度地发挥实验对培养人才的作用[5]。

集成运算放大器（简称集成运放）在电子电路中应用广泛，是模拟电子技术课程的教学重点。实验内容涵盖集成运放基本放大电路应用、集成运放在信号运算方面的应用以及集成运放在波形产生中的应用等。其中，集成运放基本放大电路应用为线下验证性实验，通过该实验，学生已经掌握同相和反相比例放大电路的基本原理和电路测试方法。为了构建优化模拟电子技术课程实验教学体系，将集成运放在信号运算方面的应用由传统验证性实验变为设计类实验，即集成运放应用电路设计。利用虚拟仿真平台的实验灵活性、资源丰富性，开展虚拟仿真实验教学内容的研究与教学模式探索，以切实提高实验教学效果。

围绕“集成运放应用电路设计”这一教学目标，结合教学内容特点，精选了“极性信号转换电路设计”作为实验内容，以任务驱动实验、以现象驱动思考、以讨论启迪思维、以问题激励探索，提出“电路理论设计—仿真实验验证—方案交流讨论—问题研究探索—电路改进优化—课后实践提高”的六步教学模式。课前，学生根据设计任务完成方案设计与理论分析；课中，学生借助仿真平台进行方案验证，并交流阐述不同方案的设计思路及特点，然后老师进一步提出设计相关问题，引导学生开展深入思考与实验探索，实现电路的优化与改进；课后，学生结合仿真电路完成线下实体实验，并进行实验总结与分析。虚拟仿真实验教学既兼顾基础理论的巩固提高，又融合前沿的应用技术，有利于激发学生的实践兴趣和求知欲，培养学生创新意识和科学探究能力。

1 虚拟仿真实验教学研究与探索

1.1 教学内容设计

集成运算放大器的线性应用是实验教学的重点，学生前期进行了基本放大电路的实体实验，对同相比例放大电路和反相比例放大电路的结构和原理有了基本的了解，对仪器仪表的使用方法、放大电路的测量方法进行了初步的训练。

本次实验的教学内容为集成运放在信号运算方面的应用，重点使学生掌握加法运算电路、减法运算电路的结构与工作原理，以及运算电路的测试方法。为了深化学生对运放电路理论知识的理解，开拓学生的创新思维，采用设计型实验代替验证型实验，采用虚拟仿真教学代替实体教学。

围绕教学目标，根据设计类实验的难易程度、可实现性、可拓展性、实用性等角度出发，教学团队经讨论确定实验设计选题为“双极性信号转单极性信号电路设计”。该电路常用于数据采集系统中的信号调理部分，若前端传感器采集的数据输出为双极性信号，该信号经过模数转换器（ADC）采样后进行传输和处理，而大部分ADC只能对单极性信号进行采样。因此，在信号调理电路中需要将双极性信号转化为单极性信号输出，具体转换是通过信号放大/缩小和电平移位的方法实现。极性转换本质上是一个加法运算，设计中可采用一个同相加法电路实现，也可以由一个反相比例放大电路和一个减法电路共同实现，设计方案具有多样性，涵盖了加法运算和减法运算电路等理论知识，选题内容合适。

1.2 教学模式设计

针对虚拟仿真实验教学内容安排，提出了“电路理论设计—仿真验证测试—方案交流讨论—问题研究探索—电路改进优化—实践总结提高”的六步教学模式，分为课前、课中和课后三个阶段完成，如图1所示。

图1 虚拟仿真实验教学模式

1.2.1 课前预习——电路理论设计

老师依托虚拟仿真实验在线平台发布设计任务，提出实验要求，并提供实验原理学习资料以及仿真操作视频，鼓励学生开拓思维，从多个角度设计方案。学生根据设计任务，主动查阅资料，积极思考，利用所学运算电路理论知识完成方案设计与理论分析。

该过程以实际应用电路设计为驱动，激发学生对专业知识的学习兴趣；通过资料查阅，培养学生的信息素养。

1.2.2 课中实验探索——仿真验证测试、方案交流讨论、问题研究探索、电路改进优化

首先，老师讲解分析设计任务和电路应用背景，学生借助仿真设计平台完成设计电路的搭建和仿真性能验证，当仿真结果和理论设计值不相符时，积极思考并查找原因，老师在一旁观察并给予适当指导。当学生完成仿真实验后，老师组织学生开展交流讨论，阐述各自方案的设计思路及特点。随后，老师围绕设计任务进一步提出拓展性问题，引导学生开展深入的分析研究与实验探索，学生经过验证与分析，最终实现电路的改进与优化。

课堂上通过仿真平台的灵活性，让学生快速直观地看到实验结果，并对电路设计中出现的问题进行反复验证与分析，加深学生对运算电路原理的理解，树立实践探索的信心；通过设计方案的交流，培养学生的沟通表达能力；通过问题的延伸拓展，启发学生工程思维和创新思维。

1.2.3 课后提高——实践总结提高

学生结合仿真电路自主完成线下实体实验，并对实验进行总结分析，形成实验报告。老师根据需求开展课下指导，并根据实验过程记录开展实验评价。通过课后实践提高与总结环节，进一步培养学生的实践创新能力。

1.3 教学过程实施

1.3.1 布置预习任务

围绕教学目标，老师在虚拟仿真平台上发布课前预习任务——将-250mV～+250mV双极性信号转为0～+5v单极性信号输出。要求学生根据任务要求画出电路设计方案，列出元件参数，给出理论设计依据，并将设计图上传到实验平台。

1.3.2 讲解实验原理、指导学生实验

围绕设计内容，首先简要讲解加法运算、减法运算的工作原理和设计方法，指出运算电路设计中参数选取的问题，并介绍电路的应用背景和设计思路。然后，由老师指导学员开展在线仿真实验，并完成电路性能的验证。对于实验中出现的问题，引导学员主动思考并解决。

1.3.3 组织交流讨论

选取学生代表阐述设计方案及电路设计相关问题，其他学生可以提出问题，并展开讨论。学生在设计方案的交流讨论中，可以加深对运算电路理论的理解、拓宽电路设计思路，学习体会到不同电路的特点。

1.3.4 设计延伸拓展

为了进一步深化实验教学内容，启发引导学员积极探索、开拓创新，提高实验教学的高阶性、延展性，实验中设置了多个拓展性问题。例如：电源大小对电路的影响、电阻取值大小的影响、单电源供电问题等。学生围绕这些问题，继续开展仿真实验和思考探索。通过直观的现象激发学生的探索欲、求知欲，通过问题的剖析，培养学生的科学思维和工程素养。

1.4 教学总结评价

实验成绩采用多元化评价，做到有理有据。根据实验打分标准，老师分别从预习（10%）、仿真实验（40%）、交流讨论（10%）、方案优化（20%）、实验报告（20%）五个方面对学生的本次实验进行评分。

开展课后总结有利于提高教学效果和教学质量，是教学过程中必不可少的一个环节。老师分别从教与学两个方面开展本次实验课教学总结。教的方面，主要从教学内容安排、教学实施过程中总结好的方面以及不足的方面；学的方面，主要从课前预习、课堂表现、完成情况、实验报告等方面关注到每一位学生的学习效果与收获，课后尽可能主动与学生交流、采用课后评价的方式了解到本次课学生的学习情况，鼓励学有余力的学员利用课余时间完成实体电路的焊接与调试，为参加科技竞赛打下扎实基础。

2 结论

将虚拟仿真实验引入模拟电子技术实验教学改革中，针对集成运放应用电路设计开展了仿真实验教学的研究与探索。以“极性信号转换应用电路设计”为任务驱动，引导学生课前完成理论电路设计，课堂进行仿真验证测试与方案交流讨论，并通过问题拓展启发学生开展研究探索以及电路改进优化，课后开展实践提高与实验总结。构建的仿真实验教学模式有助于模拟电子技术课程虚实一体实验体系的打造，充分发挥学生学习的主动性、积极性和创造性，培养学生的创新思维和科学素养，最终实现院校高素质专业人才培养目标。