论文部分内容阅读
摘要：介绍了提高“模拟电子技术”课程教学效果的实践，说明该课程的主要内容及各部分内容的地位和作用；通过适当的举例使抽象的概念具象，从而吸引学生主动参与课堂教学，积极思考，充分理解原本抽象的概念；将理论教学与实验教学相互融合，使之互相促进，提高“模拟电子技术”课程教学效果；充分利用该课程在培养学生工程意识方面的天然优势等。
关键词：模拟电子；教学效果；三极管
作者简介：王鲁杨（1963-），女，天津人，上海电力学院电力与自动化工程学院，副教授；王禾兴（1963-），男，上海人，上海电力学院电力与自动化工程学院，讲师。（上海200090）
基金项目：本文系上海市教委重点学科资助项目（项目编号：J51301）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）11-0038-02
从目前情况来看，无论是重点院校还是一般院校的电类专业，“模拟电子技术”课程都被公认为是一门难学的专业基础课。从每学期召开的“模拟电子技术”课程学习的学生座谈会汇总情况来看，一部分学生学了大半学期还不知道这门课的主要内容是什么，每一章节有什么用，是“只见树木不见森林”；一部分学生觉得实验课仅仅就是对理论课有关内容进行验证；一部分学生在学习二极管、三极管后就开始发晕，进入放大电路部分的学习后便云里雾里，根本搞不清放大电路的静态动态；一部分学生干脆从学长那里听说模拟电子技术课程很难，还没开始学习就已经将它放弃了。
在高等教育大众化的背景下，尤其是一般院校的学生，自主学习的能力以及刻苦精神都已今非昔比；而从社会的要求来看，对本科毕业生的动手能力、创新能力要求越来越高。因此改革教学方法、教学内容、教学手段，提高模拟电子技术课程的教学效果刻不容缓。
一、明确“模拟电子技术”课程各部分内容的地位和作用
与其他课程一样，“模拟电子技术”课程的绪论课非常重要，这堂课必须讲明：什么是模拟电子技术；本课程的主要内容；本课程的目的和要求；模拟电子技术的特点；放大电路及其模型；放大电路的主要性能指标。尤其重要的是“本课程的主要内容”部分。教师可以以一个简单的电子系统组成为例，说明模拟电子技术课程的主要内容及各部分内容的地位和作用。
图1（b）是扩音机的详细框图。图中的信号源，在实际工程中是由各种各样的传感器将待处理的温度、速度、压力、声音等信号转换为电信号，图1（a）中的拾音器就是将声音信号转换为电信号的传感器，充当信号源；在实验研究中，由信号产生电路充当信号源，信号产生电路便是教材第9章（以康光华主编的《电子技术基础（模拟部分）》[第五版]为例，以下同）的内容，[1]信号产生电路包括正弦波产生电路和非正弦波（矩形波、三角波等等）产生电路。
图1中的放大电路是电子系统中对信号进行放大和处理的主体，其基础是由双极结型晶体管BJT或场效应管FET构成的放大电路，教材的第4章、第5章分别介绍这两部分内容。高性能的放大电路采用模拟集成运算放大器，集成运放是具有高开环增益、多级直接耦合的放大电路，教材的第2章、第6章都是关于集成运放的内容。“增益”、“开环”等是放大电路、反馈中的重要概念。反馈对于电子系统的运行具有重要意义，尤其是其中的负反馈是电子系统稳定运行的充分必要条件，教材的第7章介绍反馈放大电路。多级放大电路的末级及末前级称为功率放大电路，功放较前级放大电路有一定的特殊性，教材的第8章介绍功率放大电路。
所有的电子系统必须有直流电源提供能量才能正常工作，正如手机必须装电池（同时电池必须有电）才能使用。教材的第10章介绍直流电源。二极管是电子系统中最基本也是最重要一个器件，教材的第3章介绍二极管。
通过上述讲解，学生对模拟电子技术课程的主要内容有了宏观了解，但同时也产生了很多问题，诸如“放大”、“增益”、“反馈”等等究竟是什么？恢宏的十章都讲了些什么？学习后可以解决哪些实际工程问题？正是如此，才激发了学生的求知欲，使学生带着问题学习。教学实践证明，这是培养学生学习兴趣、激发学生自主学习、提高模拟电子技术课程教学效果的好办法。
二、教学中适当举例
“模拟电子技术”课程中概念很多，难以理解。适当的举例，不仅使抽象的概念易于理解，且难以忘怀。
1.关于放大电路中的静态工作点
放大电路中直流与交流共存，静态工作点决定动态工作性能，这是“模拟电子技术”课程的难点之一，很多学生对此不能理解，表现有二。其一是做放大电路实验的测试动态性能指标时不给放大电路加直流电源，导致实验结果不正常；其二是在做放大电路的分析计算时，静态分析和动态分析的方法使用不当，互相混淆。
放大电路必须要有合适的静态工作点，这是由PN结及三极管的单向导通特性决定的。为了说明这一点，在教学实践中提炼出下述例子：老师站在地板上，若让老师上、下各移动100cm，行不行？不行！怎么办？得让老师站得高一些，至少离地100cm才能上、下各移动100cm；若老师站得过高，离天花板只有60cm，老师能上、下各移动100cm吗？若老师站在30cm高的讲台上，能上、下各移动100cm吗？老师站在什么位置，上、下各移动h cm，这个h最大呢？
这个形象的例子，学生通过主动参与、积极思考对放大电路设置静态工作点的必要性、饱和失真、截止失真、最大动态输出范围等等抽象的概念充分地理解。
2.关于电子系统的温度特性
由于电子器件材料——半导体的温度特性，决定了电子系统的工作性能受温度的影响，[2]以笔者在20世纪80年代中期在天津无线电一厂工作的一个案例说明这一点。当时厂里生产一批出口的烟雾报警器，为赶工期，工人加班加点，烟雾报警器的调试系统24小时连续运转。调试好的产品入库暂存，待购买方提货抽检时，发现多个批次的产品指标不合格，这对厂方是个很大的打击。经分析，原因是调试系统连续运转一定时间后工作温度上升，使得系统的工作点偏离设计工作点。后将调试系统安置在恒温的房间，问题得以解决。
这一案例使学生对于温度对电子系统的影响有了间接的感性认识，在学习“温度对放大电路性能的影响”、“提高放大电路温度稳定性”等内容时不再感觉陌生，且有急于了解这些内容的心理，教学效果当然很好。
3.关于反馈、开环、闭环
“模拟电子技术”课程中的反馈也是一个教学难点。各项理论分析中提及的“开环”、“闭环”究竟是什么？一个形象的例子可以说明。两军对垒，敌方有人来投诚，所带来的信息不能称为反馈的信息，因为从敌方到我方仅仅是一个单方向的开环系统；必须是我方派出的情报人员到敌方进行缜密的侦查工作，所带回的信息才能称为反馈的信息，因为从我方到敌方再回到我方构成了一个闭环系统，经闭环系统得到的信号称为反馈信号。
三、理论教学与实验教学相互融合
实验教学在“模拟电子技术”课程的教学中占据重要地位。模拟电子技术实验，不仅训练学生使用电子仪器仪表的技能、测试电子电路的技能，还能加深学生对理论课程的理解、验证模拟电子技术课程的理论，更重要的是培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
为使理论教学与实验教学更好地融合，在时间上将实验教学集中在后8周开设；在内容上举下述两例。
1.三极管的参数
掌握三极管的参数是用好三极管的重要前提。在三极管的诸多参数中，有一个极限参数——集电极最大允许电流ICM，其定义为：当集电极电流增加时，电流放大系数β要下降，当β下降到一定数值时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。关于电流放大系数β随集电极电流增加而下降的现象，在上理论课时要求学生在“共射放大电路的设计”实验中进行观察。[3]在对所设计的电路进行调试的阶段，用两个电流表同时观测静态基极电流IB和集电极电流IC，调整基极偏置电阻，测算电流放大系数
β=IC / IB
观察β随集电极电流增加而下降的现象，加深对三极管极限参数的理解。
2.放大电路的动态性能指标
放大电路的动态性能指标包括增益、输入电阻、输出电阻、通频带等等。为什么将输入电阻、输出电阻作为重要的性能指标，要求学生重点掌握其求解方法呢？以电压放大电路的输出电阻为例，它反映了放大电路带负载的能力，在上理论课时就要求学生在“单管放大器”实验中，[3]将放大电路的静态工作点调整到交流负载线的中部后，在一定的交流输入信号下，观测放大电路空载和有载两种情况下输出信号的大小；在负载电阻RL一定的情况下，集电极电阻RC不同（在一定范围内）时输出信号的大小，从而理解放大电路的输出电阻对放大能力的影响。单管放大器的实验电路如图2所示。
四、以“模拟电子技术”课程为载体，培养学生的工程意识
“模拟电子技术”是关于模拟电路的分析、设计、应用研究的工程实践，课程特点是：定性分析、近似估算、经验设计、实验调整。这决定了模拟电子技术课程具有很强的工程特性，以其为载体培养学生的工程意识具有天然的优势。[4]
1.设计性实验的调试
在“模拟电子技术”课程的设计性实验“共射放大电路的设计”中，要求学生先对电路的元器件参数进行理论分析、计算，然后到实验室进行调试。学生按理论计算参数选择元器件，安装好电路，通电后，无论是静态指标还是动态指标都与设计要求不符！
究其原因，一是电阻元件的实际阻值不同于标称值，如实验室常用的E12系列电阻，允许存在±10%的误差；二是手册给出的三极管电流放大系数β是一个范围，[5]理论计算时取了一个确定的数值，而β又是随着集电极电流IC改变的；三是电容不理想，静态时并非开路，动态时并非短路。诸多原因，都是由于理论值与实际值的偏差，导致电子系统必须经定性分析后进行近似估算，根据经验进行设计，最后通过实验进行调整。
几乎所有的工程系统都要经过调试才能正常运行，通过设计性实验的调试环节，学生逐渐培养起工程意识。
2.集成运算放大器的调零
集成运算放大器的第1级采用差动结构以减小零点漂移。从理论上讲差动放大电路结构对称，相应元件参数相同，在共模输入的情况下输出应该为零，而在“运放基本应用一（运算电路）”的实验中却要对电路进行调零，调零电路如图3所示。测试结果也说明，图3中的电位器RW2的取值对运放的输出有影响，仅仅在某一数值时将输出调为零。
由于实际工作中或多或少会出现不对称性（或由外部电路引起），使集成运放存在输入失调电压和输入失调电流，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。
五、结论
在“模拟电子技术”课程的第1节绪论中，说明课程的主要内容及各部分内容的地位和作用，可以激发学生的求知欲，使学生带着问题学习，是提高该课程教学效果的好办法；适当的举例可以使抽象的概念具象，从而吸引学生主动参与课堂教学，积极思考，充分理解原本抽象的概念；将理论教学与实验教学相互融合，可以互相促进，提高模拟电子技术课程教学效果；模拟电子技术课程具有很强的工程特性，应充分利用其培养学生工程意识的天然优势。
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]王鲁杨,杨国光,王禾兴.模拟电子技术学习方法与解题指导(第2版)[M].上海:同济大学出版社,2009.
[3]王鲁杨.电子技术实验指导书[M].北京:中国电力出版社,2008.
[4]徐世军,范伟,黄贤英.强化工程能力培养,探索专业课程的教学改革实践[J].计算机教育,2011,(l7):9-12.
[5]姜艳波.新编通用电子元器件替换手册[M].北京:化学工业出版社,2007.
（责任编辑：宋秀丽）
关键词：模拟电子；教学效果；三极管
作者简介：王鲁杨（1963-），女，天津人，上海电力学院电力与自动化工程学院，副教授；王禾兴（1963-），男，上海人，上海电力学院电力与自动化工程学院，讲师。（上海200090）
基金项目：本文系上海市教委重点学科资助项目（项目编号：J51301）的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）11-0038-02
从目前情况来看，无论是重点院校还是一般院校的电类专业，“模拟电子技术”课程都被公认为是一门难学的专业基础课。从每学期召开的“模拟电子技术”课程学习的学生座谈会汇总情况来看，一部分学生学了大半学期还不知道这门课的主要内容是什么，每一章节有什么用，是“只见树木不见森林”；一部分学生觉得实验课仅仅就是对理论课有关内容进行验证；一部分学生在学习二极管、三极管后就开始发晕，进入放大电路部分的学习后便云里雾里，根本搞不清放大电路的静态动态；一部分学生干脆从学长那里听说模拟电子技术课程很难，还没开始学习就已经将它放弃了。
在高等教育大众化的背景下，尤其是一般院校的学生，自主学习的能力以及刻苦精神都已今非昔比；而从社会的要求来看，对本科毕业生的动手能力、创新能力要求越来越高。因此改革教学方法、教学内容、教学手段，提高模拟电子技术课程的教学效果刻不容缓。
一、明确“模拟电子技术”课程各部分内容的地位和作用
与其他课程一样，“模拟电子技术”课程的绪论课非常重要，这堂课必须讲明：什么是模拟电子技术；本课程的主要内容；本课程的目的和要求；模拟电子技术的特点；放大电路及其模型；放大电路的主要性能指标。尤其重要的是“本课程的主要内容”部分。教师可以以一个简单的电子系统组成为例，说明模拟电子技术课程的主要内容及各部分内容的地位和作用。
图1（b）是扩音机的详细框图。图中的信号源，在实际工程中是由各种各样的传感器将待处理的温度、速度、压力、声音等信号转换为电信号，图1（a）中的拾音器就是将声音信号转换为电信号的传感器，充当信号源；在实验研究中，由信号产生电路充当信号源，信号产生电路便是教材第9章（以康光华主编的《电子技术基础（模拟部分）》[第五版]为例，以下同）的内容，[1]信号产生电路包括正弦波产生电路和非正弦波（矩形波、三角波等等）产生电路。
图1中的放大电路是电子系统中对信号进行放大和处理的主体，其基础是由双极结型晶体管BJT或场效应管FET构成的放大电路，教材的第4章、第5章分别介绍这两部分内容。高性能的放大电路采用模拟集成运算放大器，集成运放是具有高开环增益、多级直接耦合的放大电路，教材的第2章、第6章都是关于集成运放的内容。“增益”、“开环”等是放大电路、反馈中的重要概念。反馈对于电子系统的运行具有重要意义，尤其是其中的负反馈是电子系统稳定运行的充分必要条件，教材的第7章介绍反馈放大电路。多级放大电路的末级及末前级称为功率放大电路，功放较前级放大电路有一定的特殊性，教材的第8章介绍功率放大电路。
所有的电子系统必须有直流电源提供能量才能正常工作，正如手机必须装电池（同时电池必须有电）才能使用。教材的第10章介绍直流电源。二极管是电子系统中最基本也是最重要一个器件，教材的第3章介绍二极管。
通过上述讲解，学生对模拟电子技术课程的主要内容有了宏观了解，但同时也产生了很多问题，诸如“放大”、“增益”、“反馈”等等究竟是什么？恢宏的十章都讲了些什么？学习后可以解决哪些实际工程问题？正是如此，才激发了学生的求知欲，使学生带着问题学习。教学实践证明，这是培养学生学习兴趣、激发学生自主学习、提高模拟电子技术课程教学效果的好办法。
二、教学中适当举例
“模拟电子技术”课程中概念很多，难以理解。适当的举例，不仅使抽象的概念易于理解，且难以忘怀。
1.关于放大电路中的静态工作点
放大电路中直流与交流共存，静态工作点决定动态工作性能，这是“模拟电子技术”课程的难点之一，很多学生对此不能理解，表现有二。其一是做放大电路实验的测试动态性能指标时不给放大电路加直流电源，导致实验结果不正常；其二是在做放大电路的分析计算时，静态分析和动态分析的方法使用不当，互相混淆。
放大电路必须要有合适的静态工作点，这是由PN结及三极管的单向导通特性决定的。为了说明这一点，在教学实践中提炼出下述例子：老师站在地板上，若让老师上、下各移动100cm，行不行？不行！怎么办？得让老师站得高一些，至少离地100cm才能上、下各移动100cm；若老师站得过高，离天花板只有60cm，老师能上、下各移动100cm吗？若老师站在30cm高的讲台上，能上、下各移动100cm吗？老师站在什么位置，上、下各移动h cm，这个h最大呢？
这个形象的例子，学生通过主动参与、积极思考对放大电路设置静态工作点的必要性、饱和失真、截止失真、最大动态输出范围等等抽象的概念充分地理解。
2.关于电子系统的温度特性
由于电子器件材料——半导体的温度特性，决定了电子系统的工作性能受温度的影响，[2]以笔者在20世纪80年代中期在天津无线电一厂工作的一个案例说明这一点。当时厂里生产一批出口的烟雾报警器，为赶工期，工人加班加点，烟雾报警器的调试系统24小时连续运转。调试好的产品入库暂存，待购买方提货抽检时，发现多个批次的产品指标不合格，这对厂方是个很大的打击。经分析，原因是调试系统连续运转一定时间后工作温度上升，使得系统的工作点偏离设计工作点。后将调试系统安置在恒温的房间，问题得以解决。
这一案例使学生对于温度对电子系统的影响有了间接的感性认识，在学习“温度对放大电路性能的影响”、“提高放大电路温度稳定性”等内容时不再感觉陌生，且有急于了解这些内容的心理，教学效果当然很好。
3.关于反馈、开环、闭环
“模拟电子技术”课程中的反馈也是一个教学难点。各项理论分析中提及的“开环”、“闭环”究竟是什么？一个形象的例子可以说明。两军对垒，敌方有人来投诚，所带来的信息不能称为反馈的信息，因为从敌方到我方仅仅是一个单方向的开环系统；必须是我方派出的情报人员到敌方进行缜密的侦查工作，所带回的信息才能称为反馈的信息，因为从我方到敌方再回到我方构成了一个闭环系统，经闭环系统得到的信号称为反馈信号。
三、理论教学与实验教学相互融合
实验教学在“模拟电子技术”课程的教学中占据重要地位。模拟电子技术实验，不仅训练学生使用电子仪器仪表的技能、测试电子电路的技能，还能加深学生对理论课程的理解、验证模拟电子技术课程的理论，更重要的是培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
为使理论教学与实验教学更好地融合，在时间上将实验教学集中在后8周开设；在内容上举下述两例。
1.三极管的参数
掌握三极管的参数是用好三极管的重要前提。在三极管的诸多参数中，有一个极限参数——集电极最大允许电流ICM，其定义为：当集电极电流增加时，电流放大系数β要下降，当β下降到一定数值时的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。关于电流放大系数β随集电极电流增加而下降的现象，在上理论课时要求学生在“共射放大电路的设计”实验中进行观察。[3]在对所设计的电路进行调试的阶段，用两个电流表同时观测静态基极电流IB和集电极电流IC，调整基极偏置电阻，测算电流放大系数
β=IC / IB
观察β随集电极电流增加而下降的现象，加深对三极管极限参数的理解。
2.放大电路的动态性能指标
放大电路的动态性能指标包括增益、输入电阻、输出电阻、通频带等等。为什么将输入电阻、输出电阻作为重要的性能指标，要求学生重点掌握其求解方法呢？以电压放大电路的输出电阻为例，它反映了放大电路带负载的能力，在上理论课时就要求学生在“单管放大器”实验中，[3]将放大电路的静态工作点调整到交流负载线的中部后，在一定的交流输入信号下，观测放大电路空载和有载两种情况下输出信号的大小；在负载电阻RL一定的情况下，集电极电阻RC不同（在一定范围内）时输出信号的大小，从而理解放大电路的输出电阻对放大能力的影响。单管放大器的实验电路如图2所示。
四、以“模拟电子技术”课程为载体，培养学生的工程意识
“模拟电子技术”是关于模拟电路的分析、设计、应用研究的工程实践，课程特点是：定性分析、近似估算、经验设计、实验调整。这决定了模拟电子技术课程具有很强的工程特性，以其为载体培养学生的工程意识具有天然的优势。[4]
1.设计性实验的调试
在“模拟电子技术”课程的设计性实验“共射放大电路的设计”中，要求学生先对电路的元器件参数进行理论分析、计算，然后到实验室进行调试。学生按理论计算参数选择元器件，安装好电路，通电后，无论是静态指标还是动态指标都与设计要求不符！
究其原因，一是电阻元件的实际阻值不同于标称值，如实验室常用的E12系列电阻，允许存在±10%的误差；二是手册给出的三极管电流放大系数β是一个范围，[5]理论计算时取了一个确定的数值，而β又是随着集电极电流IC改变的；三是电容不理想，静态时并非开路，动态时并非短路。诸多原因，都是由于理论值与实际值的偏差，导致电子系统必须经定性分析后进行近似估算，根据经验进行设计，最后通过实验进行调整。
几乎所有的工程系统都要经过调试才能正常运行，通过设计性实验的调试环节，学生逐渐培养起工程意识。
2.集成运算放大器的调零
集成运算放大器的第1级采用差动结构以减小零点漂移。从理论上讲差动放大电路结构对称，相应元件参数相同，在共模输入的情况下输出应该为零，而在“运放基本应用一（运算电路）”的实验中却要对电路进行调零，调零电路如图3所示。测试结果也说明，图3中的电位器RW2的取值对运放的输出有影响，仅仅在某一数值时将输出调为零。
由于实际工作中或多或少会出现不对称性（或由外部电路引起），使集成运放存在输入失调电压和输入失调电流，当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时，输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度，要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿，这就是运算放大器的调零。
五、结论
在“模拟电子技术”课程的第1节绪论中，说明课程的主要内容及各部分内容的地位和作用，可以激发学生的求知欲，使学生带着问题学习，是提高该课程教学效果的好办法；适当的举例可以使抽象的概念具象，从而吸引学生主动参与课堂教学，积极思考，充分理解原本抽象的概念；将理论教学与实验教学相互融合，可以互相促进，提高模拟电子技术课程教学效果；模拟电子技术课程具有很强的工程特性，应充分利用其培养学生工程意识的天然优势。
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
[2]王鲁杨,杨国光,王禾兴.模拟电子技术学习方法与解题指导(第2版)[M].上海:同济大学出版社,2009.
[3]王鲁杨.电子技术实验指导书[M].北京:中国电力出版社,2008.
[4]徐世军,范伟,黄贤英.强化工程能力培养,探索专业课程的教学改革实践[J].计算机教育,2011,(l7):9-12.
[5]姜艳波.新编通用电子元器件替换手册[M].北京:化学工业出版社,2007.
（责任编辑：宋秀丽）