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1 前言
隨著國民經濟的快速增長,科學技術的快速進步,電子信息產業得到快速發展,逐漸滲透到國民經濟生活的各個領域,使人們的生活發生了翻天覆地的變化。電子信息產業對軍事領域也有著深遠的影響,改變了傳統戰爭的作戰模式,在現代國防中發揮著越來越重要的作用,其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。
作為高新技術產業,知識、技術和資本是電子信息技術產業得以快速發展的三個重要因素,它彰顯了一個國家或地區制造業的整體水平,也是一個國家或地區科學技術和制造業綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經濟現狀而言,我國正處于傳統產業結構轉型時期。如何平衡新的產業結構,達到經濟的穩定快速發展,解決目前政府資本過剩、內需不足、市場疲軟等宏觀經濟問題是我國目前經濟社會發展面臨的一個重要挑戰。而加速電子信息產業的建設與發展,對于促進傳統產業變革、改變傳統產業結構、增加就業率、提升就業水平具有重要作用是應對這一挑戰的最好辦法。
電子電路是電子信息產業的技術支撐。是電子信息產業的發展重要限制因素。電子信息產業的快速發展離不開電子科學技術的發展及應用。生產技術的提高及加工工藝的改進加快了集成電路的更新速度,也為電子信息產業注入了蓬勃的朝氣以及更加旺盛的生命力,使其得以快速發展。根據其結構、功能的不同,電子電路可以分為模擬電路和數字電路。
2 模擬電路
模擬電路是一種針對模擬信號(幅值隨時間連續變化的信號)行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬,使其等比例的再現。如調幅/調頻的收音機,接收處理無線電廣播信號,然后經過一系列的混頻、放大、解調等過程,最終完成音樂的播放和新聞等的報道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛,如晶體管小信號放大器,低頻功率放大器,負反饋放大器,MOS 集成運放,諧振放大器,直流穩壓電源等。都是用模擬電路制作的。
模擬電路的設計過程比較復雜,其設計的重點在于電路參數的實現。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面:
2.1 系統定義
系統定義是模擬電路設計的基本前提。根據設計要求,模擬電路設計工程師需要對電路系統及子系統做出相應的功能定義,并確定面積、功耗等相關性能的參數范圍。
2.2 電路設計
電路結構的選擇是電路設計的重要環節。模擬電路設計工程師需要根據模擬電路需要實現的功能要求、設計規范及相應的參數指標選擇合適的電路結構,并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計,目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件,因此,只能是有工程師根據自己的經驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度,限制了模擬電路的發展速度。
2.3 電路仿真
電路仿真是模擬電路的設計過程中必不可少的一個環節,是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據。工程師根據仿真結果,不斷對電路進行修改和調整,直到模擬電路的仿真結果可以達到設定的指標及相應的功能要求。常用方法主要有參數掃描法,直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等
2.4 版圖實現
版圖將電路設計轉化生產的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結果確定了模擬電路的結構及相關參數后,設計工程師對設計的模擬電路進行物理幾何性的描述,將其轉換成圖形格式,以便于模擬電路后續的加工與制作。
2.5 物理驗證
在物理驗證階段,需要對設計的模擬電路進行設計規則檢查(DRC)。設計規則檢查是在給定的設計規則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查,衡量版圖工藝實現上的可行性。此外,還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查(LVS)。可以利用LVS工具提取版圖的參數,將得到的電路圖與原電路設計圖進行比較,保證版圖與原電路設計的一致性。
2.6 寄生參數提取后仿真
在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“前仿真”,“前仿真”都是比較理想的仿真,沒有考慮到連線的電阻、電容等寄生參數。將寄生參數加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”,只有當后仿真的仿真結果達到設計指標及系統功能要求,電路的設計工作才算完成。寄生參數對模擬電路的影響較大,前仿真的仿真結果滿足的情況下,后仿真結果卻無法滿足要求。因此,設計工程師需要根據后仿真結果不斷進行晶體管參數的修改,有時甚至要進行電路結構的調整,直至后仿真結果達到系統設計要求。
目前,模擬電路設計難度高且比較復雜,使用的EDA工具的功能和系統配套性又相對落后,且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預,對寄生參數等比較敏感等,這些都在一定程度上限制了模擬電路的發展,導致模擬電路發展速度相對緩慢。
3 數字電路
關鍵詞:模擬電子技術;課程內容體系;實踐教學
中圖分類號:G712文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2011)19-4758-02
Study and Practice on the Teaching Innovation of Simulation Electronic Technology Course
LIN Jian-yu
(Information Engineering Department of Changzhou Radio and Television University, Changzhou 213001, China)
Abstract: Simulation Electronic Technology Course is the important major course of electronic majors in higher vocational colleges, whose engineering and practicality is very strong. Deal with the problem in the teaching of the Simulation Electronic Technology Course, this article determines the guiding ideology of teaching reform, puts forward proposals in the aspect of the actuality and characteristic of the course, the construction of the curriculum content system, teaching manners and artifices.
Key words: simulation electronic technology; curriculum content system; practice teaching
作為高職院校電子、自動化和通信類等專業一門重要的技術基礎課程,《模擬電子技術》具有知識密集、學科交叉、綜合性強等特點。為了適應高等職業技術教育的目標定位和職業崗位群的需求,《模擬電子技術》課程的教學應具有先進性、職業性和適用性,幫助學生形成該職業領域的素養與能力,并奠定個人的職業生涯基礎。
1 課程現狀和特點
《模擬電子技術》課程的教學目標是使學生獲得從事電子技術工作必須具備的基本理論、基本知識和基本技能。通過本課程的學習,讓學生掌握基本單元電路的原理和應用,具備設計簡單電路、測試和調試電路、排除電路故障的能力,為學習后續課程和從事本專業工程技術工作奠定基礎。
通過對近幾年就業的電子類學生調研發現,普遍存在綜合職業素質較低,獨立工作能力不強的現象。具體體現在:典型電路故障排除能力欠缺,電路分析和工作過程不明確,電子產品開發潛力不足。造成這種狀況的原因是:電子技術的實際應用涉及電路、元器件、工藝、應用環境等多方面因素,學生不能靈活地將所學的理論知識應用到工程實際中,理論教學體系與實踐教學、工程應用脫節,缺乏系統性和完整性。
《模擬電子技術》課程有以下特點:基本概念多、元器件種類多、電路形式多、分析方法多。基于這些特點,課程內容不能面面俱到、主次不清,應立足服務生產,培養應用型、技能型人才的目標,改變傳統的以傳授理論知識為本位的教學思想,打破學科體系,進行教學改革,突出以能力本位的高職教育特色。
2 課程內容體系的重構
課程內容體系的構建,應遵循行業內技術通用、與新技術新工藝同步的原則,既要有系統的理論指導,又可以使學生在實踐中不斷積累工程經驗和培養職業技能,通過本課程的學習達到本職業崗位群的相關要求。
2.1 以項目教學為主的課堂教學體系設計
以項目教學為主的教學模式,強調以典型工程項目為教學內容的切入點,創建工業現場情境,通過任務驅動,在探究完成任務的方法或解決問題的過程中進行教學活動。這種教學模式使學生成為教學的主體,大大激發了學生的學習主動性和學習興趣。
《模擬電子技術》課程主要由常用電子元器件,常用電子儀器儀表,基本單元電路,電子測量技術,電子產品裝配工藝,電子產品裝配、調式與維修等內容組成。在構建項目教學體系時,應針對各專業的特點,強調職業導向、能力本位,精心組織每一項目的內容,使每一項目整合電子儀器儀表、電子工藝、電子測量、電路等相關課程的內容;項目載體要具有典型性、實用性、綜合性和先進性,既能客觀反映工程實際,又能涵蓋《模擬電子技術》課程的主要教學內容。使學生通過各項目的學習,能自己動手、動腦去解決實際問題,具有某一領域的職業技能。
我們從工程實際中精選了七個典型項目:光控電子開關、音頻放大器、信號發生器、時針控制器、可調穩壓電源、擴音機、溫度控制器,以七個項目為主線,再以任務驅動的形式引入相關知識點,基本上涵蓋了《模擬電子技術》課程的全部教學內容。通過這七個項目的設計與制作,學生的綜合職業能力和創新能力得到了顯著的提高。
2.2 與EDA技術相結合的實驗教學
EDA(Electronic Design Automation)技術是指利用計算機為平臺,對電子電路、系統或芯片進行設計和仿真開發的計算機輔助設計技術。它融合了計算機信息技術、微電子技術、計算機圖形學、信息分析與信號處理等理論與技術的最新成果。通過EDA技術,設計人員可以在計算機上完成電路的布局布線、綜合優化、邏輯編譯、性能分析、動態仿真等工作[1]。
EDA技術的發展和應用,使實驗室進入課堂成為可能。教師可以通過EDA軟件,進行模擬和驗證性實驗,將一些抽象的概念和理論以圖形或曲線的形式表達出來,使之形象化、具體化。學生也可以自己動手,進行仿真實驗。這對于培養學生的電路分析能力、電路設計能力和應用開發能力起著至關重要的作用。在眾多的EDA工具軟件中,常用的有EWB、Multisim、Proteus等,可以根據實際教學需要選擇合適的工具軟件。
EWB(Electronics Workbench)是用于電路設計和仿真的軟件,它以SPICE仿真模型為基礎,提供了一個集成化的模擬和數字電路的虛擬實驗環境,具有界面直觀、操作方便、元器件豐富等特點[2],可進行電路板設計、交互式仿真、集成測試等,實驗結果與實際調試結果相似,可滿足實驗教學的需求。
關鍵詞: 電子技術課程設計 EWB 綜合性設計課題
1.引言
電子技術課程是電氣自動化專業十分重要的基礎課程,目前我校電氣、自動化專業均采用了高等教育出版社出版康華光主編的教材《模擬電子技術》(第五版)和閆石主編的教材《數字電子技術》(第五版)。這些教材作為電子技術的經典教材,帶給學生很豐富的基礎理論知識。但是社會經濟的發展不僅需要大學生掌握電子技術的基本原理,更要求他們結合現代技術發展的趨勢和需求,掌握電子技術方面課題的設計和應用,尤其是要結合計算機完成方案選擇、方案實現及分析論證的過程。因此利用現有資源加深學生對電子技術基礎理論知識的理解,正是電子技術課程設計的主要目的。
2.EWB概述
Electronics Workbench(簡稱EWB)以SPICE3F5為模擬軟件的核心,增強了數字及混合信號模擬方面的功能,是一個用于電子電路仿真的“虛擬電子工作臺”。
EWB軟件提供電路設計和性能仿真所需的數千種元器件和各種元器件的理想參數,同時用戶還可以根據需要新建或擴充元器件庫。它提供直流、交流、暫態的13種分析功能。另外,它可以對被仿真電路中的元器件設置各種故障,如開路、短路和不同程度的漏電,以觀察不同故障情況下電路的狀態。EWB軟件輸出方式靈活,在仿真的同時它可以儲存測試點的所有數據,列出被仿真電路的所有元器件清單,顯示波形和具體數據等。由于它具有磁盤占用空間小、對計算機要求低和運行速度快等特點,有助于對所學電子技術知識的掌握,提高對電路的分析能力和學生的創新能力,因此EWB是目前高校在電子技術教學中應用最廣泛的一種電路仿真軟件。
此外,EWB軟件界面形象直觀,操作方便,采用圖形方式創建電路和提供交互式仿真過程。創建電路需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕中選取,且元器件和儀器的圖形與實物外形非常相似,因此極易學習和操作。由于它所具有的這些特點,我們選擇將它作為電子技術仿真設計的操作軟件。
3.基于EWB的電子技術課程設計
基于EWB的電子技術課程設計主要涉及基礎仿真實驗,針對該門課程的教學要求及大綱的設定實驗內容,我們有針對性地提取出電子技術中的重點和難點,給出了一些練習習題,希望學生首先能讀懂電路,其次能在EWB軟件環境下仿真運行電子電路,觀察運行過程和結果,找出并排除故障。在習題練習的基礎上,學生既熟悉了EWB軟件,又加深了基礎點知識的掌握,因此筆者最后給出了總的設計方案,讓學生運用前述經驗進行自行設計、仿真運行、調試改善,完成一次完整的電子技術仿真實驗,同時也為下一步設計方案的硬件實現打下良好的基礎。
根據我校電氣自動化專業的課程大綱要求,電子技術的學習重點包括單級及多級放大電路、直流電源電路、功率放大電路、運送放大器及其應用、基本邏輯關系、組合邏輯電路及應用、時序邏輯電路及應用等。這里給出兩個習題。
(1)電源、整流和穩壓電路
穩壓電源電路如圖1所示。220V、50Hz的電源經變壓器降壓、全波整流和穩壓電路的穩壓,在輸出端得到一個12V的穩定的直流電壓,運行該電路,如有故障則需分析原因并排除。該習題任務之一為變壓器參數設計,任務之二為討論濾波電容C的大小與好壞對電路穩定效果的影響,任務之三為討論電位器Rw調節的位置對電路輸出電壓的影響。
首先要求學生在EWB軟件環境中建立如上圖所示的穩壓電源電路,此過程可以幫助學生逐漸熟悉EWB軟件的基本操作。但其實該電路并不是一個完美的電路,運行過程會出現故障,此時需要學生通過理論知識的分析,來分析故障產生的原因,并通過調節電路中的某些元件參數加以改正。因此通過該習題的仿真,學生不僅初步建立了對EWB仿真軟件的認識,掌握了其基本使用方法,而且需要重新溫習有關穩壓電源電路的理論知識,借此加深了解變壓器設計時的參數選擇,加深了對串聯型穩壓電路的理解,并提高了電路故障的排除技能,掌握了示波器、電壓表、電流表及萬用表的使用方法。
(2)數字電路邏輯關系測試
數字電路如圖2所示,任務為寫該圖電路的邏輯狀態表、邏輯函數表達式,并進行化簡。
在EWB環境中按圖建立數字電路圖,運行、記錄輸出與輸入之間的關系,構成真值表,以此測試該數字電路的邏輯關系。習題目的為希望學生認識、了解數字電路的功能和測試方法,掌握邏輯函數的不同表示方法,熟悉、掌握電路仿真的操作技術。
4.綜合性設計課題
模擬電子技術和數字電子技術各有側重點,參加課程設計的學生數目眾多,而文章篇幅有限,因此在這里我們僅給出兩個綜合性的設計課題為例。
(1)模擬電子技術部分
設計任務為設計一個用于晶體管收音機的功放電路,滿足一定的要求,如由220V交流電源供電;有一定的選頻功能,如要求通過信號的頻率范圍為(20Hz~2kHz);有一定的放大倍數,如前級和后級的放大倍數分別為20和60,在此不一一贅述。
參考步驟為:調研、查找并收集資料,列出參考資料目錄;繪制電氣原理圖;按所給定的功能要求進行參數計算,列出元器件明細表;在EWB軟件環境中創建需要進行仿真分析的電路圖;仿真運行,觀察運行過程及結果,進行放大電路的直流工作點分析,進行交流頻率分析,并記錄中間數據;記錄運行過程中的故障,分析原因,調整方案及參數直至滿足全部要求。
(2)數字電子技術部分
設計任務為設計一個符合實際的交通信號燈。
參考步驟為:分析設計要求,列出狀態表,寫表達式,畫出數字電路圖,仿真運行,調試直至符合要求。
5.結語
對于電氣自動化等專業的學生來說,掌握了電子技術的課堂知識,還需要實踐來加深對該門課程知識的理解,而電子技術的課程設計作為從課堂到實驗室的一個橋梁,能很好地發揮過渡作用,既能使得學生從課堂下來以后得到一個緩沖,加深對課堂知識的理解,又能培養學生在進入實驗室之前已經掌握初步的電子電路的設計方法和調試技能,為動手完成自己的實際作品打下較好的基礎。筆者根據專業課程大綱要求,給出了若干個課程設計的習題及設計方案,希望學生通過這些設計任務掌握該部分的知識和技能。
參考文獻:
關鍵詞:課程改革;課程體系;電類基礎課程
一、課程改革的背景
國內理工科類高校普遍開設有電路原理、電路原理實驗、模擬電子技術基礎、模擬電子技術基礎實驗、數字電子技術基礎、數字電子技術基礎實驗等技術基礎課程,這些課程的對象和研究的問題都面向電子電氣工程環境,相關的后續課程都需要電路和電子電路等方面的扎實知識。
目前,國內電類基礎課程的教學體系基本上采取“串行”方式,課程的一般路徑是從“電路原理”、“模擬電路”、“數字電路”、“信號與系統”、“電磁場”順序進行的,甚至有嚴格的預修要求。各門課程有規范的內容體系,有標準的課時安排,且由各自的課程和教材建設組織(研究會)來統一研討安排。因此,課程各自形成比較完整但相對封閉的知識體系,相互之間的銜接和聯系并不緊密,采用的理論體系和分析設計方法在風格上各不相同。電路模型與實際器件等研究對象常常被分置于多門課程來組課,按照傳統方式把這些基本概念分散在電路和模擬電子技術兩門課程的教學體系中有可能把學生引入誤區。
各門課程相互獨立地建設和實施,造成“講授得越來越多,教會得越來越少”,“碎片式的知識越來越多,關聯性的思維能力越來越弱”。自成體系的課程越多,學生的學習風格越容易被牽引到以收斂型為主的思維。
國外的技術基礎課程內容涉及面基本但很寬泛,常采取分析與設計并重、理論與實踐結合的教學方法,每個知識單元中均有分析和設計題目,作業和實驗中也有設計問題。而在國內的課程中,由于內容單純且偏理論和理想化,設計性題目較難安排。因此,構建協調統一的知識體系,凝練教學內容,以適當的方式引導學生自主學習,積極思考,激發實踐創新熱情已經刻不容緩。
隨著“多形式寬口徑”的人才培養體系和“基礎寬厚、專業自主、復合交叉、鼓勵探究”的培養模式的不斷推進,以及大類培養和創新人才培養的需求,基礎課程結構體系與內容優化成為進一步提高教學質量的關鍵。浙江大學電氣工程學院針對電路與電子技術基礎課程體系、教學內容以及教學方法進行了有益的嘗試,通過愛迪生創新實驗班的教學實踐,取得了一些有益的經驗。
二、改革的理念與目標
目前,國內外高校建設電類基礎課程的指導思想與課程體系結構的取向有關,大致可分為兩種。一種源于“基礎課、專業基礎課和專業課”的課程體系結構,是將其作為專業基礎課,服務于專業的需求。以電路原理課程的改革為例,電子信息為主的學校,主要照顧到與電子技術的發展與后續知識的銜接,因此電路課程與電子技術課程的結合較為緊密。強電類為主的學校,電路課程則與控制理論、電磁場等課程結合較多。受原蘇聯課程體系的影響,我國大多高校屬于這種情況。另一種對應于“通識課、核心課”的課程體系,則是將技術基礎課程的核心知識綜合化、整體化、通識化。美國知名高校均采取這種方式建設電類基礎課程。以麻省理工學院電氣工程與計算機科學系為例,在其課程中沒有單純以電路理論、模擬電子技術、數字電子技術命名的課程,而是將其交叉融合在相關課程中。其課程內容基本但是很寬泛,覆蓋面廣,交叉性強,往往覆蓋了國內多門課程。對應于我國的電子電氣基礎課程,在MIT分散成三部分:基礎、實驗、高級。其基礎部分是多門課程基礎知識的集成,實驗課綜合了理論分析和實驗,而高層次的課程與專業課程接軌。
國內的一些“985工程”高校正逐漸推進大類招生、寬口徑培養以及通識教育。浙江大學自2002年至今,尤其是近幾年,更是不斷地深化通識教育,并積極推進相應的課程建設,因此激發我們不斷深入地思考電類基礎課程的建設,參考國外名校課程改革的經驗,并結合國內實情,我們對電類基礎課程的定位和建設進行了認真的思考,并確立了課程建設的指導方針:
(I)保留課程與其他課程的關聯性,突破原課程縱向條狀分割,按知識的遞進層次進行橫向聯合構建。
(2)淡化各門課程各自體系的完整性和獨立性,打破課程類別的間隔,按照工程實踐需求交融構建。
(3)減少課程門數,加強課程知識的覆蓋面,交叉性和系統性,理論與實驗相結合。
(4)將課程按照基礎和高級劃分開,基礎部分要求精煉簡化,通識化。高級部分與專業基礎知識接軌體現科技發展。課程內容在不同的新課程中重復出現,有利于知識的牢固掌握。且每次出現并不是簡單地重復,而是有層次的遞進。
(5)一些實踐性強的課程以實驗課或設計課的形式開設,以實驗為主,理論講述為輔;加強綜合性實驗環節。
(6)在理論課中增加綜合練習或課程設計,強化對知識體系的理解、綜合和應用。
(7)電路原理與模擬電子技術基礎實驗打通,以基本實驗和單元電路實驗的形式重新構造。
(8)采用各種手段提高學生的學習興趣,啟發和調動學生拓展思維、積極探索。
三、課程體系、教學內容與教學方法調整
對應于工程教育和國際化,以及對創新型人才培養的要求,電氣工程學院于2006年創建了電氣工程拔尖創新人才培養模式試驗班――愛迪生班。其核心就是電類基礎課程的改革,一方面探索科學的課程體系結構,融合與精煉關聯課程以形成完整的知識體系;另一方面合理取舍經典理論與現代知識,并及時反映科技發展而形成的課程知識體系的更新換代。
縱觀愛迪生班建設歷程,大致可分為三個階段。
第一階段,培養自主學習能力,提升動手能力和創新實踐能力。這一階段的課程體系結構基本維持原樣,以加強實驗課程(電路原理技術實驗、模擬電子技術基礎實驗、數字電子技術實驗)的內涵建設為主,全方位改進實驗內容以及實驗教學方法。涌現出一批精心設置的實驗項目,配套的實驗器材以及教學方法與考核方法。體現出愛迪生班學生在各類創新實踐活動中表現活躍、成績良好的效果。
第二階段,將上述實驗課程的建設經驗推廣到其他課程,并進行局部課程的整合與優化。率先嘗試的是電路原理與模擬電子技術基礎以及相關實驗課程的整合。
電路與電子技術關聯化建設的理念是:將電路和電子學以統一的、完整的方式來處理,并建立起電路與當今數字和模擬世界電子電路的緊密聯系。以應用實例的形式引出電子技術的內容,并用抽象、模型化、原理分析以及實驗模擬的方式解讀其中蘊含的電路基本理論。用電路原理中的分析方法剖析電子電路中的典型應用電路和功能電路。
實驗課程分成基礎、提高和綜合三個層面。在基礎層面強調基本技能訓練和研究拓展性學習;在第二層面強調功能電路的實現、測試與調整;最后在電氣電子電路綜合實驗課程中進行系統的設計和整機功能的實現。
第三階段,大范圍地整合電類基礎課程。逐步形成“電路分析基礎”(集成電路原理、模電、數電以及信號
與系統的基礎知識和方法)、“模擬電子與實踐”(理論教學和實踐相結合,講典型電路,做該功能電路實驗,如放大、振蕩、運算、反饋、電源、功放等功能電路)、“數字邏輯與微機原理”、“信號系統與數字仿真技術”等新的課程,取代以往的課程體系。
課程體系與教學內容的調整主要集中在下面幾點:
(1)課程體系調整。將原來的電路原理甲I、電路原理甲Ⅱ、模擬電子技術基礎、電路原理實驗甲I、電路原理實驗甲Ⅱ、模擬電子技術基礎實驗六門課程整合,形成電路與電子技術、電路與電子實驗、電氣電子綜合實驗三門課程。
①將原來的電路原理甲I、甲II和模擬電子技術基礎課程以及數字電子技術基礎中的部分內容重新組織,形成相互交叉、融合的三段式“電路電子技術”。
②將原來的電路原理實驗甲I、實驗甲II和模擬電子技術基礎實驗課程內容重新組織,形成相互交叉、融合的兩段式“電路與電子技術實驗”,并增添了“電氣電子電路綜合實驗”。“電氣電子電路綜合實驗”被安排在電類系列基礎課程的末端授課,便于開展較為復雜的綜合性實驗。
③加強動手能力,將原來附屬于信號分析與處理以及微機原理與接口的實驗分別獨立設課。
(2)教學內容。電路與電子技術綜合課程的教學內容以理論基礎扎實,工程背景強,培養學生應用理論知識解決實際問題的能力為目標進行安排。
課程第一部分介紹實際電路與實際元器件的特性,提出電子電路需解決的目標,引導學生思考問題,使學生了解抽象的電路與實際的電路之間的聯系。課程第二部分主要分析研究實際電子電路的具體特性,培養分析電子電路的能力,對信號放大電路,反饋電路的功能與特點,放大器的頻率特性,信號發生單元等進行分析研究,培養學生應用理論知識分析實際電子電路的能力。課程第三部分的教學內容主要包含復雜電子電路的計算(包括利用電子線路分析軟件的仿真計算),電子技術的綜合分析(包括電子線路等),電子電路的傳遞函數與系統建模等,這一階段主要培養學生以更高的層次來分析研究電氣系統的變化規律,為后續的進一步深造打下扎實的基礎。
(3)教學方法。課程教學把理論與實際工程聯系,培養學生以工程問題為背景來考慮電子電路的計算分析,提高學生的學習興趣與分析解決問題的主觀能動性。通過優化各課程的重點和知識點的連續性,使教學內容層次化、系統關聯化,密切結合工程。在保證教學效果前提下,優化教學內容和教學學時,既實現了教學內容的少精寬新,又增加了綜合實踐環節,為學生提前進入創新實踐提供保障。
通過課程體系以及教學內容的調整,將電類基礎課程以及實驗糅合在一起,重新組合,統一安排,可以有效解決目前電氣信息類基礎課程存在的主要問題:
(1)便于形成統一協調的知識體系,提升課程層次。總的學分并沒有變,但是提高了原有核心課程的層次,同時增加的課程為進一步學習后續相關專業課程打下堅實的基礎。
(2)改革課程教學內容和體系,把它們相互融合,從對比中認識事物規律,以統一的觀點使學生建立完整的概念。這一改革不僅為電路課程增添了活力,讓學生盡早接觸電子線路方面的實際概念,而且大大節省了后續課程的講授學時。
(3)以具體的復雜應用對象進行基礎知識的學習和實踐,做中學,以實踐需求帶動理論學習。對于寬口徑人才培養是一種值得考慮的方式。
(4)基于對象、基于實踐學習基礎知識,是按照知識的本來面目去學習,易于理解,能很好反映課程之間的交叉和滲透,對于培養工程應用型人才是十分必要的。
關鍵詞:電路與模擬電子技術;教學實踐;心得體會
作者簡介:王玉菡(1981-),女,河北衡水人,重慶理工大學電子信息與自動化學院,講師;楊奕(1970-),男,重慶人,重慶理工大學電子信息與自動化學院,副教授。(重慶400050)
基金項目:本文系重慶市教委高等教育改革重點項目(項目編號:112003)的研究成果。
中國分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1007-0079(2012)12-0091-02
“電路與模擬電子技術”是高等工業學校本科計算機及其應用專業和電子類相關專業必修的一門技術基礎課,是把“電路”和“模擬電路”兩門課程合成一門的課程,同時調整了教學要求,教學學時也相應進行了壓縮。課程的主要任務是通過講授電路理論和電路分析方法、電子電路的分析和初步設計方法,使學生獲得必要的電路分析和模擬電子技術的基本理論、基本方法和基本技能,了解電子技術發展的概況,初步掌握電子電路的分析、設計方法,為學習后續課程打下基礎。為提高教學質量,本文主要結合課堂教學實踐,闡述了筆者對教學方法改革的認識和一些具體做法。
一、“電路與模擬電子技術”教學中存在的難點分析
1.如何合理分配學時
“電路與模擬電子技術”課程分電路基礎和模擬電子技術兩部分,教材編寫通常是按80學時左右編寫,重慶理工大學選定的教材是由西安電子科技大學出版社出版,江曉安老師編寫的,本科教學理論學時數為64學時。如何針對僅有的學時,合理分配教學內容,使學生準確理解并掌握課程的內容,是本課程教學需解決的一大問題。
2.如何突出把握重點
“電路與模擬電子技術”課程內容多,要讓學生在短時間內掌握知識,就要求教師在講授課程過程中,突出重點內容,便于學生課下自學和復習。
3.如何緊跟時代步伐
“電路與模擬電子技術”課程教材體系滯后,不能夠與時俱進。在電子技術飛速發展的當今,現有教材沒有任何關于EWB仿真的內容,沒有把計算機輔助分析融合到教學中。
4.如何提高學生興趣
俗話說:興趣是最好的老師。就算是再難的課程,只要有興趣,肯堅持學習,就一定能學好。關鍵是如何調動學生的學習興趣?這就要求教師上課要靈活,不能上死課,要多聯系實際,把抽象問題具體化,把復雜問題簡單化,把理論問題生活化,給學生體會知識的機會,只有感同身受,才能印象深刻。
二、改進教學方法
1.綜合教學,化難為易,合理分配學時
課堂時間是短暫的,要在短時間內讓學生明白一些概念和問題就需要教師抓住所講內容的內在聯系,以點帶面,舉一反三,綜合運用相關的知識進行講解。因為這些知識點之間是有聯系的,通過多角度、多視角聯系和講授知識,可以使學生印象深刻,進而掌握知識點。經過筆者多次課程實踐教學發現學時數最好的分配是:電路部分24學時,模擬部分40學時。因為電路部分的內容,包括電路基本概念和定律以及電路的分析方法、電路的暫態分析以及正弦穩態電路分析,學習起來并不費力,很多內容學生在“大學物理”、“高等數學”、“復變函數”等課程中都有所接觸,是有基礎的,即使自學也可以很好的掌握。而模擬電路部分內容,由于涉及到微觀粒子的運動、特性曲線以及工程中的近似等效等內容,對學生來說比較生疏,需要多花時間慢慢講解,很多學生自學也是完全不懂得。因此實踐證明講授這門課程,采用“前緊后松”的教學節奏,要把前面的進度稍稍加快,進入模擬電路部分后,就要慢慢講授。
2.善于引導,因材施教,突出把握重點
教師在臺上固然是授課者,但是學生也不應只是被動接受者。授課是個交流的過程,教師要會講,善于講,善于觀察學生的反映,適時調動起學生的積極性。筆者在教學實踐過程中,講每一章內容時,都會先告訴學生本章的重點。并以“了解”、“理解”和“掌握”三個詞來區分一章內容的輕重。在講課的時候,只需了解的內容讓學生自學即可,重點講授需要理解和掌握的,突出重點,這樣學生學習起來就有了層次感。例如講授第六章放大電路分析基礎時,因為時間有限,通常只著重介紹三極管放大電路及其分析,場效應管放大電路的分析作為了解和自學的內容,這樣學生學習起來就會把主要精力放在三極管及其放大電路的學習上了。只要把三極管及其放大電路學習好了,就會運用同樣的分析方法去分析場效應管及其放大電路。
3.鼓勵學生,自己學習,建立良好課堂氣氛
由于課時有限,教師在教授過程中不可能面面俱到,所以適時安排一些內容自學,一方面可以更大限度地完成多一點的教學任務,另一方面也可以提高學生學習的積極性,變被動學習為主動學習,提高教學質量,是絕對的雙贏。例如在講第3章動態電路分析時,就只需要介紹電容元件的一階零輸入響應、零狀態響應以及全響應的求解過程,對于電感元件的類似電路就交由學生課下自學,讓學生上課講給大家聽,一個學生講完了,其余的學生還可以補充,大家一起學習,使得印象深刻,學習氣氛濃厚了,教學質量也就跟著提高了。
4.每章小結,重視作業,不斷深化知識
每章節的小結是為了回顧、總結這一章節的主要內容和知識重點,這樣做可以幫助學生掌握其內在聯系,理清所學知識的層次結構,形成知識框架;能夠促進學生掌握知識,總結規律,從總體上把握知識;能夠為學生下一步的學習架設橋梁,為下一節課做好鋪墊。所以說章節回顧在教學中有著舉足輕重的作用。對于教師,為了檢驗教學效果是否達到預期目的,為了強化和檢查學生對所學內容的理解、掌握程度,每當講解完一個新的知識點都應布置相應的習題,這也是對學生的一個督促。作為教師,也應該認真批閱學生的作業,分析作業的完成質量,進而了解學生理解的弱點,進行有針對性地備課準備,進一步改進自己的教學方法。
5.結合多媒體增加教學的直觀性和趣味性
多媒體課件在現在的教學中已經是不可缺少的了。“電路與模擬電子技術”作為一門重要專業技術基礎課,其特點是:理論性強,原理抽象,定理、定律、公式和概念多。如果只用傳統教學方法和手段,很難解決該課程中的“圖形、電路、圖表、原理圖、結構”等問題,必然導致知識傳授的枯燥無味,會使學生在學習過程中感覺困難,使學生積極性受挫,久而久之會使學生失去學習興趣,產生厭學情緒,不能按時完成教學任務,也難有好的教學效果。為此,除采用演示、實驗手段和語言鼓勵之外,還采用多媒體技術手段,通過新穎的、多樣的、生動有趣的畫面、圖像、聲音來展現教學內容,可增強課堂教學的形象性、生動性和趣味性,使學生激發起濃厚的學習興趣和積極性,產生強烈的求知欲望,加強教學效果。
6.增加EDA教學內容,與時俱進
EDA技術是指以計算機為工作平臺,融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果,進行電子產品的自動設計。現今,EDA技術日益成熟,已滲透到電子系統和集成電路設計的各個環節。為了讓學生了解電子技術的新發展,了解現代電路設計方法,了解日益發展的電路設計技術,跟上時代的步伐,掌握最基本的EDA技術,特增加這一部分的內容,拿出一個課時專門介紹EDA技術基礎、EWB軟件、可編程模擬器件及應用,將計算機輔助分析融合到具體的教學內容中。
7.加強實踐教學,培養學生的動手能力
理論需聯系實際才會有意義,學生學習的最終目的也是學以致用。所以需要加強實踐教學,培養學生的動手能力,增加綜合實驗內容,將有內在聯系的實驗內容組合到一起,以加強綜合能力的培養;同時注意在訓練的過程上增加梯度,由淺入深,增加中大規模集成電路的實驗內容。隨著電子技術的發展,中大規模集成電路的應用越來越廣泛,如課堂上只講授器件基本原理,難以解決實際器件的使用問題。因此,在實驗中加強了這方面的訓練,其目的是使學生從看懂芯片管腳圖功能表,理解電路原理圖,一直到電路的實現,以培養解決實際問題的能力。
三、教學成效
在教學過程中,結合傳統的教學方法,適當的引入多媒體教學,極大地調動了學生的學習積極性,避免了學生學習過程中的枯燥感,加深了學生對知識的理解和掌握程度。教師的教學過程也改變了以前的只教不學的模式,以學生為主體,充分地發揮了他們的主觀能動性,從被教授到主動學習,同時也增進了師生之間的交流。各種綜合性的實驗項目,很好地將理論和實踐結合起來,加強了學生的動手能力。實踐證明,在學生的后續學習中,學生的積極性和主動性都有所增強,學習成績也得到明顯的提升。良好的學習習慣和扎實的基礎使他們有足夠的能力去主動學習他們感興趣的知識,參加各種電子設計大賽。這既培養了他們的綜合能力,也為以后的工作積累了一定的經驗。
四、總結
總的來說,教學中存在的問題,主要還是教師這個Leader,要帶領好學生,掌控好教學的節奏,做到張弛有度,讓學生感受到知識的重要性,自發的學習,而不是為了考試而學習。筆者在“電路與模擬電子技術”課程的教學中不斷總結和探索,實踐證明了通過以上改革可有效提高教學效果,激發學生的學習興趣。
參考文獻:
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電工儀表是用于測量電路中的各種電參量(如電壓、電流、功率等)和元件參數(如電阻、電容等)的儀表,分為指針式儀表和數字式儀表2大類。其中,指針式儀表是利用指針在表盤上的偏轉程度來對被測量的大小進行指示,具有簡單直觀的優點。實驗要求:設計一個指針式直流電壓表,量程分為100mV、1V、10V、100V4檔。
2動態元件參數的測量
作為電路中的動態元件,電容和電感參數的測量方法有多種:交流電橋法、RLC串聯諧振法、電壓法、時間常數法等。實驗要求:用3種以上的方法測量電容和電感的參數。實驗方案舉例:用時間常數法測量電容的參數。將電阻R和被測電容C串聯,構成一階RC動態電路,以幅度為US的脈沖信號作為輸入信號ui,合理地選擇電阻R的值,用示波器觀察uC的波形,使電容C兩端的電壓uC。
3數模轉換器的設計
由于數字電子技術的迅速發展,尤其是計算機在自動控制、自動檢測以及其他許多領域中的廣泛應用,用數字電路處理模擬信號的情況也更加普遍了。為了能夠使用數字電路處理模擬信號,必須把模擬信號轉換成相應的數字信號,方能送入數字系統(例如計算機)進行處理。同時,往往還要求把處理后得到的數字信號再轉換成相應的模擬信號,作為最后的輸出。可見,數模轉換器是一種非常實用的電路。同時,在很多情況下,它還是構成模數轉換器的基本單元。常用的數模轉換電路(D/A轉換器)包括T型電阻網絡D/A轉換器、權電阻網絡D/A轉換器、權電容網絡D/A轉換器、權電流型D/A轉換器、開關樹型D/A轉換器等,它們都可以用電阻、電容、開關等常用的電工元件來進行設計。實驗要求:設計兩種不同的數模轉換電路,以4位二進制數字信號作為輸入,通過電路將其轉換為對應的模擬電壓。
4放大電路的設計
放大電路是一種應用廣泛的電子電路,在電子技術中具有非常重要的地位。在分立元件構成的放大電路中,起核心作用的是三極管或場效應管;在電子技術中得到普遍應用的集成運算放大器,也是以三極管或場效應管為基本單元構成的。三極管和場效應管的交流小信號模型可分別用電流控制的電流源(CCCS)和電壓控制的電流源(VCCS)來表示,因此,在沒有實際三極管和場效應管的情況下,利用受控源這一基本的電工元件,同樣可以設計出各種放大電路。實驗要求:利用受控源設計一個2級放大電路,要求電路輸入電阻大,第1級電壓放大倍數為-30,總的電壓放大倍數為600。
模擬電子技術是電子信息類專業的必修課,具有知識點多,涉及面廣的特點。為了更好的理論與實際相結合,通過實驗?砑由疃岳礪鄣睦斫狻H歡?目前模擬電子技術實驗仍然存在許多問題。學生通過做驗證性實驗來驗證理論,學習過程比較單一,思維得不到有效鍛煉;實驗內容沒能有效的進行項目拓展,沒有把實驗課與培養學生的創新能力結合在一起;存在實驗內容多而課時短的情況,學生很難及時完成實驗內容;考核制度不夠合理,難以對學生實驗情況作出有效考核。
1 模擬電子技術實驗教學改革方案
1.1 實驗內容
調節驗證性實驗、綜合性實驗及設計性實驗的比例。增大綜合性、設計性實驗的比例提。驗證性實驗是基礎,其目的是為了讓學生了解實驗設備使用、實驗方法及簡單的電路排查。其次,綜合性、設計性實驗是在具有相關理論知識的基礎上,掌握實驗的設計流程,強調學生主動學習,自主設計。提高學生獨立動手能力及解決問題的能力。以學生為主體,通過相關資料的查閱,制定出一套方案,根據設計方案,焊接電路,數據測量、故障排查及實驗報告撰寫等。
1.2 教學方法與手段
1.2.1 以往,學生主要是按照實驗步驟測試數據,與理論知識結合不起來。本次改革強調學生自主設計,改革實驗方式, 即摒棄傳統的給定課題、給定實現方法的實驗模式, 由學生根據構思設計, 確定該設計方案。最后根據設計方案實施直至最后調試運行。
由于整個過程均以學生為主體,由學生自己決定設計方案并最終實施,極大刺激了學生的探索心理與設計欲望,顯著提高模擬電子電路實驗的預期訓練效果。
1.2.2 根據設計出來的電路,選用Multisim仿真軟件先做仿真分析,利用仿真軟件進行輔助教學可加深學生對理論課的理解,調動了學生的學習積極性,增強了學生的動手能力和設計電路的能力。其次,在萬用板或面包板上進行布局、焊接及電路調試,提高學生的動手能力及檢查電路能力
1.2.3 針對課時少的問題,要求學生利用課外時間走進實驗室,所以,通過增強開放性實驗室的管理力度,為開放性實驗室提供便利,并將開放實驗作為實驗考核的內容。讓學生利用課外時間完成實驗內容。
1.2.4 完善考核制度,考核主要分為平時考核和期末考核,增大平時考核所占比例。
1.2.5 電子電路基礎實驗課程網站建設:通過建設課程網站,為學生提供了全部課題的教案、課件、實驗重難點指導、參考文獻、網絡實驗視頻等內容,為學生的課前預習、課堂實驗、課后總結以及實驗報告撰寫創造了條件。此外,網站為教學交流提供了優良的環境,教師可及時教學信息,學生可即時反饋意見,拓寬了師生交流的平臺。
(1)學生對課程學習缺乏興趣。主要原因是:①學生對計算機專業的相關情況了解不全面,通常認為該課程不屬于計算機的課,是否學好都無關緊要;②學生因對專業知識、電學知識的陌生而產生消極心理,失去課程學習的興趣。(2)學生的基礎參差不齊,而課程概念較多、內容較抽象、邏輯性較強。對實際電路環境有概念的學生,學習興趣可能建立得較快;但對相關概念空白的學生就會感到課程難懂、難學,繼而失去學習的興趣。(3)先修課程的教學目的不明確,涉及到的課程相關知識掌握不到位,如大學物理中關于電學的物理現象及概念、高等數學中復數的計算方法等等,學生學過也不知所以然;(4)課程內容不合理且偏多,涵蓋了基本電路分析、模擬電路分析及數字電路分析三大內容板塊,有限的課時需要更合理地統一這三方面知識;(5)教材內容都較經典,與時俱進的實際內容較難體現,學習枯燥感會由此而生。(6)實驗教學內容太過于詳細,實驗的目的無法體現,對知識的理解僅限于表面。
2合理分配教學內容,建立正確教學方法
結合我校計算機專業教學計劃,課程的教學課時定為64課時,其中理論課時為48課時,實驗課時16課時。課時有限,教學內容應圍繞專業的培養計劃進行優化選擇和重新組織,保證知識的系統性和完整性基礎上突出能力培養,增加教學內容的關聯性,涉及先修課程的內容以定義式形式給出,充實一些與專業密切相關的內容。
2.1關于理論教學
理論知識是課程實踐的基礎,成為課程教學中的一個重要環節。電子技術課程涵蓋了三大板塊知識,理論教學的內容根據專業的特點和需要進行取舍,依據職業崗位對技能和知識的實際需要,重點體現夠用,建立合理的知識結構,淡化知識的學術性和理論性;教學思路上遵循電路器件特性、電路處理方法及電路分析方法三條主線,有針對性地選擇教學例題,提高教學效果,明確教學目的。
2.1.1基本電路分析
教學內容應強化電路基本概念及電路基本分析方法。電路基本概念主要講解認識電源和電路基本元件及電路中參考方向學習和識別的意義;電路基本分析方法主要講解電路基本定律的內容及應用,選擇性地講解基爾霍夫定律、疊加原理及戴維南定理,以例題的方式說明定律的內容及應用,有針對性地建立正確的電路分析方法,對定律的數學證明不作說明。教學中注意引導學生構建正確的學習方法,學會看圖,分析電路中的元件和電源,區分電路的類型,確定電路的分析方法,以直流電源作用下的電路作為電路分析方法的學習,后續電路的電源可能不同,但電路經過處理后的目的就是要采用直流電源作用下的電路分析方法,后續電路中重點學習的就是電路如何進行處理;如交流電源作用下的電路首先解決的是如何將電壓、電流相量化及元件特性相量關系的建立。基本電路分析中主要涉及的是電路的計算,電源以直流、交流為主,教學例題中可以引入模擬電路需要解決的問題,對模擬電路中出現的元器件可以作為已知條件給出,如二極管、三極管、運算放大器,有機統一基本電路分析與模擬電路分析二方面內容,建立明確的學習目的。本篇安排8課時,其中電路基本概念約3.5課時,電路基本分析方法約4.5課時。
2.1.2模擬電路分析
教學內容主要包含三個元件二極管、三極管及運算放大器的特性說明及元件應用電路分析。二極管中講解半導體尤其是雜質半導體的特點,二極管的截止和導通工作狀態及對應等效方法,以整流電路及數字電路的基本門電路作為教學例題,建立含二極管電路的處理方法及基本分析思路。三極管中講解器件的結構特點和工作區域,放大區放大的原理及電壓放大電路的組成和性能指標的計算,工作在飽和區和截止區的器件在數字電路典型集成器件與非門中的分析;教學例題主要解決放大狀態下三極管管腳、管型的判別,小信號作用下含三極管電路的微變等效電路處理方法,以及分壓式偏置下電壓放大電路靜態、動態指標的計算。運算放大器作為直接耦合多級放大電路講解如何削弱零點漂移現象,淡化其內部結構,突出器件的外部輸入輸出特性及線性和非線性工作區域,通過說明擴大其線性區域施加負反饋條件講解反饋的概念、類型及判別方法;教學例題主要構建含運算放大器的電路處理方法及分析思路,如線性工作區域的器件使用在模擬信號運算中的功能,非線性工作區域的器件組成實用的電壓比較器,傳感器輸出電路中運放的放大作用等。本篇安排18課時,其中二極管4課時、三極管8課時、運算放大器6課時。
2.1.3數字電路分析
教學內容需淡化數字電路邏輯器件的內部結構及工作原理,重視外部邏輯功能的分析,包括數字電路分析基礎、組合邏輯電路的分析和時序電路的分析三大部分。數字電路分析基礎中教學內容涵蓋數制、碼制的概念及其轉換方法,邏輯函數的概念及化簡方法和意義,基本邏輯門的邏輯功能,數字電路分析方法;由于數字電路的信號源與模擬電路的信號源完全不同,尤其強化分析方法的講解。組合邏輯電路的分析重點教學的內容包括常用組合邏輯器件的外特性,組合邏輯電路的分析與設計方法;以設計方法設計實用的組合電路如加法器、編碼器等,建立中規模數字器件的概念,認識常用中規模集成器件,再講解中規模組合器件的應用,教學內容因此組成一條清晰的知識連線;教學例題可以偏向與專業密切聯系的內容,如計算機中加法器、計算機鍵盤編碼電路、存儲器中譯碼器應用等。時序電路的分析教學內容首先要充分體現時序電路與組合電路的區別,包括電路中組成器件的邏輯特性不同、分析方法的特點等,主要講解觸發器的外部邏輯特性,僅基本RS觸發器分析其內部結構以說明觸發器中復位與置位功能,其余觸發器僅說明其外部的邏輯功能,擯棄其內部枯燥的結構原理說明;以分析觸發器組成的計數器電路講解時序電路的分析方法,同樣可以適用其他電路如寄存器電路的分析,同時也揭示了集成計數器的內部結構及原理和功能,解決任意進制計數器的設計問題;教學例題要體現學習觸發器邏輯功能的重要性,時序電路的分析和設計思路,將555定時器作為綜合例題分析講解,包含三極管、運算放大器及觸發器。本篇安排22課時,其中數字電路分析基礎4課時、組合邏輯電路的分析6課時、時序電路的分析12課時。
2.2關于實驗教學
課程實驗共8個,安排16課時,包含驗證、儀器使用、綜合分析及設計項目,基本電路分析實驗主要以驗證性實驗為主,安排4課時;模擬電路分析包含儀器使用、綜合分析等項目,安排6課時;數字電路包含驗證、綜合分析及設計等項目,安排6課時。通過課程實驗鞏固和加強對理論知識的理解,增加電子技術方面的感性認識及學習興趣,培養學生對工程問題的基本分析能力、電路的調試技能以及分析和解決工程問題的綜合能力,提高學生的工程素質。(1)對驗證性和分析性實驗給出實驗電路和實驗內容,由學生根據實驗目的結合理論知識自主決定測量量、自擬實驗步驟及實驗表格;對設計性實驗給出設計要求,由學生自行設計實驗電路并調試得出結果;轉變學生被動學習的局面,培養學生獨立思考、獨立分析及解決問題能力。(2)實驗項目安排上要體現各實驗的相關性,內容安排體現從元器件到單元電路再到系統設計。如示波器、信號發生器的使用主要用于電壓放大電路及運算電路的實驗測試;數字電路器件邏輯功能測試與具體應用電路相結合。以往實驗中出現問題時通常有器件本身存在問題,但學生實驗前總是忽略器件的好壞,實驗中的問題難以入手解決,強調實驗的相關性可以開拓學生解決問題的思路,進一步掌握實驗中的主動性,并且各實驗的目的也更加明確,對課程從理論到實踐的學習過程做到循序漸進地完成。(3)豐富實驗內容,將實用小電路、電子競賽試題等應用于實驗中,或分析或設計,增加實驗的趣味性。課時限制使得實用電路在某個實驗中不可能完整實現,但可以將其中的單元電路作為實驗的內容,其他部分以模塊代替,實現電路的功能。(4)實驗前預習內容及實驗后的思考問題與實驗內容密切關聯。實驗前的預習可以保證實驗的有序進行,進一步理解學習的相關理論知識的應用性,從而提高學習課程理論知識的興趣;實驗后的思考是對實驗中的總結、實驗中出現問題的解答、實驗數據的分析等,培養學生建立綜合分析問題的方法及理論聯系實際的能力。
3結束語
關鍵詞:Multisim2001 仿真 戴維南定理 等效
一、前言
高職高專電路基礎注重實踐性、操作性,而由于目前高職院校實驗室設備及場地的限制,學生無法隨時隨地進入實驗室去預習實驗或設計電路。基于這種現狀,筆者認為可以利用電路仿真軟件來彌補實驗環境的局限。Multisim 2001是一種電子電路計算機仿真設計軟件,它被稱為電子設計工作平臺或虛擬電子實驗室。學生在Multisim環境中不僅可以精確地進行電路實驗,深入理解電子電路的原理,同時還可以大膽地設計電路,不必擔心損壞實驗設備。本文以電路基礎實驗中的戴維南定理的驗證來演示如何利用Multisim 2001仿真軟件來完成該實驗的模擬。
二、戴維南定理驗證
戴維南定理指出:任何一個線性有源二端網絡,對于外電路而言,總可以用一個理想電壓源和一個等效電阻串聯的等效電路模型來代替。其中:理想電壓源的電壓等于原二端網絡的開路電壓UOC,其等效電阻等于網絡中所有獨立源為零時的等效電阻Ro。對于開路電壓和等效電阻的測量,學生不易理解,操作總是錯誤,若在實驗前讓學生先通過仿真軟件進行模擬實驗,直觀地觀察到實驗現象及實驗結果,然后再進行實際電路操作,將起到事半功倍的效果,大大提高實驗效率。
(一)戴維南定理原電路
在仿真界面搭建戴維南實驗原電路如“圖1”所示,虛擬電壓源的輸出電壓分別為12V、6V,利用虛擬萬用表分別測量R3支路的電流和端電壓。打開仿真按鈕開關,可得R3支路的電流為6.429mA,端電壓為5.786V。
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圖1 戴維南原電路伏安特性仿真測試
為了得到戴維南等效電路,需要分別測試開路電壓及等效內阻。
(二)開路電壓UOC的仿真測試
根據開路電壓UOC的定義,將“圖1”中的R3支路斷開,得到如“圖2”所示電路。打開仿真按鈕開關,萬用表中即可顯示開路電壓UOC=9V。
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圖2 開路電壓的測試
(三)等效內阻Ro的仿真測試
“圖2”中,設置萬用表測試直流電流,如“圖3”所示電路。打開仿真開關,即可顯示測試的短路電流值ISC,帶入公式Ro=UOC/ ISC,即可得等效內阻Ro為5Ω。
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圖3 等效電阻的測試
(四)等效驗證
由開路電壓UOC=9V和等效內阻Ro=5Ω,根據戴維南定理可得等效電路如“圖4”所示,從圖中可以看出,支路電流及電壓分別為6.429mA、5.786V,與原電路相同,從而驗證了戴維南定理的正確性。
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圖4 戴維南等效電路伏安特性仿真測試
實踐證明,在電路基礎實驗中引入計算機仿真軟件進行模擬實驗,可以讓學生在實際電路操作前先進行模擬實驗,有一個直觀、形象的認識,有助于學生對實驗的理解,有效提高學生實驗的正確率,對提高教學質量,激發學習熱情,增強學習的主動性和積極性,培養學生分析問題、解決問題的綜合能力具有重要作用。
參考文獻:
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