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EDA即电子设计自动化,以计算机和仿真软件为工具,可以完成整个电路从系统级到物理级的设计与分析。常用仿真软件有Matlab、Protel、Multisim和PSpice等,考虑到Multisim先进的电路仿真和设计功能且一年级时曾作为学生的自修课程,本次教学研究采用Multisim软件。在模拟电子技术的理论教学中,对于那些概念分析抽象、不易理解的部分,利用Multisim,教师可以构建电子电路模型进行仿真演示,通过波形图和数据直观展示各种参数变化和虚拟故障对电路静态动态性能的影响,具体而又生动,不仅可以加强学生对理论知识的理解,还可以激发学生的学习兴趣,提高课堂教学效果。例如在模拟电子教学中第一次讲解共射放大电路时,很多同学对放大线路中各个节点的波形分不清楚,不知道直流信号和交流信号如何叠加在同一个电路中,电路中各节点信号的相位关系如何觉得难以理解。传统教学中,仅仅靠在黑板上画图讲解,教师难讲,学生难懂,费事费力效果却不好。现在针对这个问题,教师可以通过Multisim搭建基本共射放大电路模型,设置模型参数,观察仿真波形。共射电路输入信号(节点2波形)和输出信号(节点5波形)的反相关系,并且根据波形的峰值可以直接算出电路的电压放大倍数。节点2和节点4波形是静态工作点电压和交流信号叠加信号,c1和c2两个电容起到隔直作用。通过Multisim软件的演示过程,直接把抽象的理论转化成直观的视觉感受,电路各点波形在学生的脑海里留下深刻的印象,教学效果事半功倍。教学过程的前期,可以在课堂上现场建立电路模型,演示如何进行仿真,让学生逐渐掌握Multisim的使用。在教学过程的中后期,随着学生对Multisim软件的熟悉,为了节约课堂时间,可以事先把教材中需要讲解的电路模型搭建好,用到时直接调用即可。通过这种理论教学和软件演示相辅相成的教学方式,使得学生把电路原理、工作波形和数学关系等紧密结合在一起,全面掌握模拟电路的基础理论,更好地理解这门课程。
3.EDA技术在模拟电子技术实践教学中的应用
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模电作为一门技术基础课,有其自有的特点和规律,其课程更重视理论与实践的结合。一般教学计划都是电工基础安排在模电课程之前来作为模电的基础课程,但如果不加分析地用电工基础的分析方法去分析模电,可能不会得到正确的结论。模电的理论有其自身的特点,表现在:第一,模电主要的电子器件二级管、三级管都是非线性器件,这与线性电路的分析和计算是有很大区别。第二,模电的分析都是直流加交流的分析方法,即直流通道和交流通道。直流通道决定静态工作点,而交流通道是信号的通道。第三,反馈网络是模电经常使用的电路,不管是运算放大器还是振荡器都必须有反馈网络的构成。以上几点正是学生学习模电的难点,因此在讲课过程中,要让学生了解这些特点与难点,调整思维方式和学习方法,使学生能够正确把握这门课程的学习特点。以下通过几个实例说明如何引导学生思维方式的转变。
2.1非线性电路与估算
在模电中常用的二极管、三极管的伏安特性为非线性,一般称为非线性元件,而电阻、直流电源的伏安特性为线性,一般称为线性元件。在模电中线性元件与非线性元件共同组成各种电路,那么电路的计算问题在电工基础中并未涉及,那么计算这种电路目前使用估算法、图解法。有的同学往往提出为什么不用解析法,而那样计算的不是更精确吗?在讲解这类问题时要给学生讲清楚估算法在工程计算中是非常重要的,它能使有些计算问题变得简单,能较快地解决实际问题,而用解析法,一是目前学生的数学知识不能解决这种问题,二是如果能用高等数学的方法解决,但过程过于繁杂,虽然计算精度高,但与估算结果差距不大。因此在这里要让学生思维方式有一个转变。
2.2放大电路的直流通路与交流通路
在模电的放大电路中,直流通路和交流通路的分析也是模电独特的电路分析方法,由于二极管、三极管中PN结死区电压的存在,必须在交流信号通过放大电路时有一个直流电压及电流的存在,这样才能保证交流信号不失真地通过放大电路。这也是学生需思维转变的一个重要方面。对于三极管、电阻、电容、电感、电源等电子元器件,它们分别在直流电及交流信号激励作用下的不同响应决定了它们在直流电及交流信号中所起的不同作用,这些都是分析复杂放大电路的基础。很难想象不清楚放大电路直流通路和交流通路的学生能够学习好这门课程。
3通过课程综合实验提高学生的整体水平
由于模电是一门与实践联系非常密切的技术基础课,通过一些综合实验来提升学生的理论水平和实践技能是非常重要的,因此在课程讲完之后,笔者就安排一个超外差式收音机综合实验来提升学生模电的理论水平和实践能力。读图——提升学生的读图能力,课上讲的模电电路一般是各类单元电路,如共射基本放大电路、振荡电路、功率放大电路等。通过综合实验课可以将各个电路串成一个整体,笔者通过对一个超外差式收音机电路图进行整体讲解和分析,来提升学生模电电路的整体分析能力。一般超外差式收音机的电路组成为变频级——中放级——检波级——低频放大级——功率放大级,对照理论教学所讲授的内容,变频级对应振荡电路及基本放大电路,而该放大电路又工作在非线性区属非线性放大,这样才能混频输出差频信号,在这里还要补充讲解一下放大电路的非线性特性及应用,这样使学生对三极管有了更深刻的认识,平时常常强调放大电路要工作在线性区,似乎非线性区是不可用的、多余的,但通过这样一个实例让学生明白,三极管放大电路工作在线性工作区时可进行线性放大,工作非线性区时可以进行混频等应用。这样一级一级来分析后面的中频放大电路、检波电路、低频放大电路、功率放大电路等。实践证明,通过整体电路的分析与讲解,学生的读图和分析能力得到了明显的提高。
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PN结就是得与失的产物。P型半导体与N型半导体的交界面因多子极型以及浓度差别,形成多子扩散运动,N区的电子扩散到P区,P区的空穴扩散到N区,在交界区域原有的电中性被破坏,P区失去空穴留下了不能移动的杂质负离子,N区失去电子留下不能移动的杂质正离子。这些不能移动的带电粒子集中在P区与N区交界面附近,形成空间电荷区。空间电荷区的逐步建立削弱了多子的扩散,而增强了少子的漂移。当多子扩散运动与少子漂移运动保持一种动态平衡时,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结。两种不同极型的杂质半导体在交界面失去多子的过程,得到了一种导电性能独特于杂质半导体导电能力的介质,带来了半导体导电能力质的突变,这就是PN结的单向导电性,即正向偏置导通,反向偏置截止。复合的PN结,在制作工艺上的差别,分别有双极型晶体管与单极型晶体管。晶体管在合理偏置下导电性能表现了特有的控制性能,即电流控制型的双极型晶体管和电压控制型的单极型晶体管。
三、放大电路的得与失
晶体管器件在“合理偏置以及顺畅的交流通道”原则下就可以构建一个放大电路,一个微弱的输入信号从输入端引入,在输出端得到一个幅值足够的输出信号,表现了小幅度的模拟量通过放大电路后得到了大幅值的模拟量,淋漓尽致地表现出信号幅值放大的概念。殊不知,这种放大电路的“放大”理解是表面的,是片面的,只看到“得”的现象,而没看到“失”的本质。在放大电路中,工作电源不仅仅只是提供合理的偏置,更主要担负着能源作用。放大电路仅仅只是一个信号幅值变换的平台,微弱的输入信号能源通过晶体管的控制作用改变着工作电源在输出负载上的能量消耗。最常见的一个事例就是人们日常使用的收音机,收音机就是一个典型的放大电路。手持式收音机没有电池,不可能发声,装上电池后就可以接收电台信号,伴随听的时间与音量的大小,电池的消耗程度或使用时间就会不同。没有收音机,人们不可能感受到空中的电磁波能量,有了收音机而没有电源也听不到悦耳的音乐,电池能耗使用殆尽了也享受不了。所以,严格意义上的放大电路是一个能源控制电路,放大电路的本质是弱小能量对大能量的控制。放大电路表面上得到了信号的幅值增大,实质上消耗了电源电能。
四、差分电路的失与得
单级放大电路的放大能力是有限的,总期望多级放大。多级放大电路是由若干级单级放大电路所组成,这样单级放大电路之间就存在耦合关系,直接耦合是多级放大电路的典型结构形式,直接耦合的多级放大电路最突出的弊端就是零点漂移,零点漂移最核心的表现形式就是温漂,解决零点漂移最有效的手段就是差分电路。差分电路由两个特性完全一致的单级放大电路复合而成,表现在晶体管的特性一致,晶体管偏置电路器件参数一致。差分电路从理论到实用经历了三个演变,即基本式差分电路、长尾式差分电路、带恒流源的差分电路,这三个演变唯一不变的就是基本结构不变。通过电路分析不难得出结论,差分放大电路的差模增益与单级放大电路的增益是一样的,然而,差分电路的共模增益接近零,有较大的共模抑制比,可以很好地抑制温漂,而单级放大电路就无法解决温漂问题。第一级放大电路温漂决定了多级放大电路的温漂,所以,集成运放的第一级总是差分输入级。可见,差分电路通过“失去”硬件(增加结构等价的电路,增大电路成本),得到了对共模信号的抑制能力,而并不改变对差模信号的放大能力。
五、带宽增益积的得与失
考核放大电路的性能表现在增益、峰峰值、输入电阻、输出电阻、带宽、失真度、输出功率与效率等参数中,它们取决于放大电路组态、晶体管特性、电源以及应用的方式。在放大电路的时域分析过程中,总是期望放大电路的放大倍数越大越好,一级放大能力不够就采取多级放大,以提高放大增益;在放大电路的频域分析过程中,总是期望放大电路有很小的下限频率和很大的上限频率,频率响应范围越宽越好,即带宽值越大越好。带宽是上限频率与下限频率的差值,提高带宽的有限手段就是尽可能提高放大电路的上限频率值。通过电路的频域分析可以发现,提高上限频率与提高放大电路的增益是矛盾的,一旦当放大电路的晶体管选定之后,带宽与增益之积是一个常数,放大电路的放大倍数增大几倍,相应地该电路的带宽就会减小几倍,实际中,既要提高放大电路的增益又要扩展放大电路的带宽,总是选取基区体电阻小、发射结与集电结电容效应小的高频放大管。可见,放大电路带宽增益积概念表现了得与失的理念,欲想得到较大的增益,必然失去频率响应的范围。
六、反馈放大电路的得与失
反馈是自动控制的一个重要概念,反馈放大电路是提高放大电路放大性能的重要手段,在电子技术应用中运用极为普遍。负反馈放大电路中,输出信号部分或全部反送到输入端削弱输入信号,使得闭环增益相对开环增益减小了反馈深度倍,表面上损失了放大电路的增益,然而,对放大电路的其他性能技术指标得到了极大的改善,表现在增益的稳定性得到了提高;环内的噪声干扰抑制能力以及非线性失真得到了改善;电路的带宽得到了扩展;输入电阻与输出电阻得到了相应的改善。如电压串联负反馈放大电路,增大了输入电阻,有助于电压输入信号的放大;减少了输出电阻,有利于输出电压的稳定性。正反馈放大电路中,输出信号部分或全部反送到输入端增强输入信号,闭环增益相对开环增益进一步增大,这是信号发生电路扰动起振的必然要求。信号发生器不会有输入信号或者说就是一个零输入电路,电路接通电源瞬间形成电路换路情形,通过正反馈选频网络(RC或LC选频网络)把输出端的信号有频率选择性地反送到输入端不断放大,这种无止境的放大也必然带来输出信号的非线性失真,所以在电路中为了防止输出信号的非线性失真,总是需要设置输出稳幅网络。可见,信号发生电路由放大电路、正反馈选频网络、稳幅网络三部分组成。稳幅的有效措施就是负反馈,所以,信号发生电路必须维持正反馈特性与负反馈特性的动态平衡。负反馈放大电路失去了增益,得到了电路性能技术指标的改善;正反馈放大电路得到了增益的“膨胀”,失去了输出信号的线性度,实际中为了挽回这种“失”,再次引入负反馈特性。
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为了满足独立学院将学生培养成为应用型人才的目标,借鉴职业教育理念,我们准备对模拟电子技术课程进行项目化教学改革,目的是将传统意义下的模拟电子技术课程知识进行解构、整合、序化,加入电子工艺学知识,配合课程实验、课程设计项目,按照“做中学,学中做,递进交互”的教学理念,以行业和岗位需求为导向,以培养学生的实践技能为主线,以具体的电路产品为载体,实施项目化教学,一步步提升学生的专业实践能力。
2.1项目化教学目标的分析
根据项目化教学要求,以社会就业行业和岗位需求为导向,通过对独立学院往届电信和通信相关专业的毕业生及其就业单位企业、工作需求市场进行调研,分析其就业岗位,总结出主要的职业岗位群;然后通过分析各种岗位群对模电课程相关内容的要求,确立独立学院模拟电子技术课程的知识要求、能力要求及素质目标。
2.2项目化教学理念与思路的确立
根据项目化教学要求,以生活中具体的电路产品为载体,探索基于工作过程的课程开发与设计,通过分析真实产品的生产流程,以培养学生的实践技能为主线,以职业资格标准为参照来开发和设计模拟电子技术项目化教学中合适的项目,实施行动导向的项目式教学方法,使学生在获取知识、提高实践能力的同时,获得再学习能力和职业技术能力。
2.3项目化教学课程内容新体系的构建
模拟电子技术项目化教学中,课程内容和体系改革是课程建设的核心。本课程在进行教学的时候,应考虑哪些知识是进行项目所需的基础,或者项目进行过程中关键点所在。课程内容选取遵循独立学院教育的基本规律,基于行动优先原则,针对独立学院电信和通信类专业培养目标及学生就业岗位需求,以职业能力培养为重点,根据职业岗位的任职要求,构建新的教学做一体化课程内容体系。根据课程教学的需要,将教学内容划分为两个大的模块。基础模块:包括基本器件和基本放大电路。在教学过程中,突出应用,以电子产品实例为载体,使学生掌握模电基本知识点、基本放大电路的分析和设计方法。这个模块应该强调基础,支撑后续课程的学习,培养学生的学习兴趣。实用模块:包括集成运放电路和应用模块。通过该模块的学习,基本掌握实用模拟电子系统分析、计算、调试、检测、设计的能力。教学过程中知识应该精炼,教学内容及时更新,尽量与实际岗位工作要求相符,更好地培养学生的应用能力和实践能力。
2.4项目化教学方法与手段的设计
对课程进行基于行动导向的教学改革与实践。实践课程中选取多个项目,根据项目重新整理课程内容,将原模拟电子技术课程理论教学与实践教学有机融合到这些制作项目中,通过完成产品组件的分析、制作与调试等综合性学习任务,使教学内容更加丰富、直观,更加贴近工程实际。理论教学主要采用以下方式:(1)“精讲+演示”的教学方式,通过各个具体项目的实物电路呈现,使学生最直观地认识电子产品的设计、制作与调试等相关知识,通过应用实例启发学生兴趣、举一反三。(2)根据学习情境和教学对象的特点,灵活运用基于行动导向的多种教学方法,通过多媒体课件、动画演示、课程学习网站及基于Protel、Proteus、EWB、Multisim的软件测试等多种现代化教学手段。将传统教学手段与现代教学手段紧密结合,增强教学内容的动感和趣味性,从而实现更生动的教学模式。(3)引导学生使用相关软件工具分析和设计电子电路、重视课后答疑并及时组织习题讨论课,引导学生进行研究性的学习,鼓励学生大胆提出问题、研究解决问题的途径和方法。实践教学主要采用以下方式:
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在每个知识点上,我们都设置了“三段九步”的教学组织形式,其中“三段”指的是“任务准备阶段”、“任务实施阶段”和“总结和考核阶段”。“九步”指的是“分组”、“下达项目任务书”、“教师分解任务”、“分组讨论任务”、“任务分析设计”、“项目制作”、“项目验收考核”、“总结汇报”和“教师点评”。在整个教学设计中,我们主要强调的是充分发挥学生的主观能动性,让学生自己去发现知识点,找到自己的薄弱环节,用每一个任务去驱动学生主动地学习,查找资料。
3提高学生学习兴趣,增强自主学习能力
在教学过程中旨在提高学生的学习兴趣,培养学生的自学能力,教师起到引导的作用。由于之前学生没有这样上过课,所以学生在整个课程的学习中兴趣还是很浓厚的。每一个项目都要求学生自己查阅相关资料,在正式进行项目制作之前通过各种渠道进行知识的储备和积累,教师进行提示,把学生应该在本项目中掌握的知识点以任务书的形式传达下去,很大程度上提高了学生的自主学习能力,学生能够在项目任务书中看到任务的趣味性,能够真正提高兴趣,自己想学,去学,从而达到教学的目的,做到做中学,学中做,学生在项目制作中如果遇到问题,教师也是起到引导的作用,引导学生自己去解决问题,可以给学生提供解决问题的途径,或者给学生提出合理化的建议,当真正遇到大多数学生都解决不了的问题的时候,才集中给学生做讲解,尽量避免传统教学中“满堂灌”的教学模式,使学生不会感觉枯燥乏味,对学习这门课程产生兴趣。用问题去引导学生向着更深层面的去发掘。举个例子,在学生制作“声控电子猫”的时候,项目初始时,学生只要能让电子猫的眼睛(两个发光二极管)发光,发出叫声(蜂鸣器响)就可以了,之后对学生提出新的要求,能够让眼睛眨起来,叫声忽高忽低,提出这些要求之后,学生就开始主动通过上网、查阅书籍,想办法去解决问题,最后有一部分学生能够基本完成任务并把自己经验分享给其他同学。学生的学习兴趣提高了,学习态度和学习中的一些不良习惯也慢慢改善了,例如个别学生在第一次项目中积极性很差,在经过了几个项目的制作后可以将自己融入到小组中,服从小组的分工,尽力的去完成应当完成的各项工作。
4增强学生团队意识,培养学生职业素养
在这门课程中,我们重点强调团队协作,考虑到将来学生走上社会,走上工作岗位,面临着和人相处,与人合作的问题,所以在课程的组织上,我们尽可能多的考虑学生职业素质的培养,我们在每次项目进行之前都对学生进行趣味性的分组,既保证学生分组的公平性,随机性,还要顾及到分组的趣味性,在项目制作的时候,学生的考核主要是采取过程考核的方式,将学生在项目制作过程中对学生的表现进行采分,而且要让学生明白个人的表现不仅仅影响着个人的成绩,还与小组成绩息息相关,而每个人都要以小组成绩作为基分,才能够得出最后的个人总分,由此可见,团队协作的重要性,每个人都不是独立的个人,每个人的背后都有团队,要在所有项目进行完之后,把团队协作的理念潜移默化的给学生灌输进去。我们在进行考核分数的设定上也充分考虑到了小组与个人的这种相互作用的关系。在每一个项目结束之后还要求学生针对自己所做的项目进行PPT汇报,一方面能够使学生对自己的学习过程做一个总结性回顾,另一方面还可以培养学生的计算机能力和口头表达能力。学生从第一个项目生涩的语言组织,简单的幻灯片发展到最后能够声情并茂的去讲解自己制作的精美PPT,这也是一个非常大的进步,相信能给他们今后的职业生涯奠定一定的基础。
5促进教师能力的提高
这一点作为教师感触颇深,以前进行传统授课,需要提前备教材,备学生,现在进行改革模式的教学,课上做的事少了,可是课下却要进行更加充足的准备,寻找合适的项目,既要满足知识点的要求,又要有一定的趣味性,构思整个项目制作的安排,考虑到学生在项目制作过程中可能遇到的问题,能否提出解决的方案,在这个过程中,需要查找大量的资料,以前是讲什么看什么,而现在则需要参考很多的东西,涉及很多的领域,在知识的储备上也有了一个较高的要求,要站在一个宏观的高度上去看待每一个项目,包括这个项目最后要达到的效果,都需要提前做好设想。
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2.教材与参考书目选用应符合物理师范生专业特点
全国各大高校都陆续出版了许多优秀的教材。但是每一本教材的侧重点和难易程度也各不相同。选用较多的是高等教育出版社出版、由康华光主编的教材,由童诗白主编的教材以及杨拴科等主编的教材。根据物理师范生注重公式的逻辑推理的思维特点。所以选取更侧重于基本概念的讲解,逻辑性强,知识点丰富,学生需要掌握的内容多,由童诗白主编的教材更加适合西部师范院校物理专业的学生。
3.核心突出内容的取舍
模拟电路就是处理模拟电压和电流的电路,而由于现实生活中大多信号较为微弱的模拟信号,所以要进行信号的放大,这也是模拟电子技术课程的核心部分。所以本课程的核心内容自然非放大电路莫属。与此同时,现实生活中相关器件的供电电源很多为直流电源,所以必然需要一种将电厂的交流电转为直流的电路,此电路就是直流稳压电源。由此可知,主讲内容就是放大电路和直流稳压电源,尤其是放大电路部分。
二、教学方法和教学手段改革
1.教学方法多元化
在选择教学方法的时候,要特别注意培养学生的感性认识,以调动学生的主观能动性为目的。比如在讲授“反馈”概念时,我们可以运用类比教学法。教师可以以常见的冷暖空调的温度调节过程为例。另外在教学过程中,也需多运用启发式教学法,教师只有善于提出问题,才能更好地启发学生进行积极的思考,变被动接收为主动学习。
2.充分利用仿真软件
因为师范生最在意教学形式,如果仅仅在课堂平白地传授复杂的模拟电路理论知识,枯燥的形式会让师范生认为理论与实际相差太远,进而对电子类课程失去兴趣。所以在讲授理论课时,利用计算机仿真技术,将虚拟电子实验引入课堂教学中,可以随时进行电路连接、仿真和测量,增强了教学的直观性、形象性和生动性,有助于加强课堂互动,激发和调动学生的学习兴趣,从而实现了理论教学和实践教学的有机结合。
三、实践教学环节
1.实验准备
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1.2建设内容
高职建筑工程技术专业主要培养从事建筑工程施工与管理、工程测量、工程预决算及工程监理等工作,具有理论基础扎实、专业素质高、实践能力及可持续发展能力强,擅识图、能计算、懂技术、会管理的复合型、创新型、发展型技术技能人才。因此,我们从分析本专业所对应的核心职业岗位(施工员岗位)工作任务与专业能力的要求,按照虚拟企业、虚拟场景、虚拟设备以及虚拟工程项目、企业生产工具、生产对象、生产场景、基地管理制度等原则,构建专业仿真实践教学体系。
2模拟实训项目的开发
虚拟实训项目的开发以构建符合仿真教学实际的“教、学、管、评、控”的运行模式为原则,以深化学校理实一体的人才培养模式为指导,深入分析建筑技术应用与施工管理教学过程,通过虚拟技术紧扣施工工艺、直击教学难点,实现多维仿真和真实场景模拟,提高学生学习的主动性;通过网络技术辅助学生课下练习、及时巩固知识,实现单人训练、多人竞赛和互动交流,提高学生学习的积极性;同时,通过数据库技术跟踪学生学习轨迹,实现学生知识点掌握情况的统计与分析,提高教学评价的科学性。
2.1构建仿真教学“教、学、管、评、控”的运行模式
围绕“教”与“学”建立虚拟仿真教学系统、资源库系统、题库系统、数据管理系统;围绕“管、评、控”实现统一登录用户界面、数据信息系统的建立,实现教学信息的有效传递与分析反馈,合理安排和及时调整教学进度。实现平台功能与内容的嵌入。
2.2解决传统教学弊端,实现立体化的教与学
仿真虚拟教学系统的建设,着重规避传统教学的弊端,扩充专业教学和信息资源,利用技术优势,直击教学难点。结合实际的教学内容,设计仿真实训项目脚本的深度。以学校专业化的教学力量为依托,以企业成熟技术与先进技术应用为基础,通过项目的顶层设计、需求调研、规范专业教学基本要求、制订专业教学标准,开发核心课程,不断提高教学深度。
2.3依托专业教学管理数据库,合理安排教学
建立数据管理系统,实现教学安排的规范性及教学信息反馈的搜集,便于合理调整教学进度与方式。通过资源、课程的管理,让专业教师实现个性化、针对性的课程安排和设置;通过练习、考试、经验积分的管理,实现教学成果的考察及数据信息反馈搜集。
3仿真模拟实训的效果
3.1学生层面:提升知识整体贯穿能力,提高学生岗位核心竞争力
仿真虚拟实训项目的开展实现了信息化教学资源的任意调用,它以学生对建筑领域核心岗位项目的学习作为一个整体,以虚拟技术还原真实的施工场景,通过施工现场的三维展示和立体情境漫游,能够在课上、课下为学生提供系统化的技能知识点串联和全天候的校内实践操作机会,剔除了以往学生实践的时间和空间限制,将理论与实践相融合,让学生更好的掌握教学内容,熟悉技能实际应用需求,培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力,有效的提高了学生岗位核心竞争力,为职业发展奠定良好的基础。
3.2学校层面:以教学信息化建设带动教学改革,促进专业建设
在教学过程中引入计算机、虚拟仿真等现代技术,解决了专业教学理论课堂抽象生硬,施工细节讲解不到位、工艺操作方法难以演示的问题,其次,通过仿真模拟教学,将学生碎片化的知识进行系统性的整合,提高学生的专业知识和技能运用,为专业教学改革提供了全新的思路,有助于提升本专业的建设水平。
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首先,教师要在教学过程中去激发学生想要深入探究的欲望。大体是说老师在教学上要善于运用问题教学法。所谓的问题教学法就是将问题作为主题去驱使学生学习的方法。它主要是为了培养学生的思考能力,培养学生主动探究问题的意识以及培养学生解决问题的能力。其次,教师为了培养学生的自主学习的意识和能力,要懂得运用项目教学法。所谓的项目教学法就是以培养学生的各方面能力为目的的教学方法。将项目作为任务,学生需要解决任务,而教师是辅助学生解决任务。让学生在做任务的同时逐步培养学生的各方面的能力。最后,教师为了促进学生的主观能动性和培养学生学习的兴趣,需要运用互动式教学以及多媒体教学,来激发学生们的主观能动性和其对学习产生兴趣。俗话说的好,兴趣是最好的帮助学生学习的良方。所以,教师要正确的运用这些教学方法来促进学生的学习,进而提高模拟电子技术课堂的教学效率。
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PN结就是得与失的产物。P型半导体与N型半导体的交界面因多子极型以及浓度差别,形成多子扩散运动,N区的电子扩散到P区,P区的空穴扩散到N区,在交界区域原有的电中性被破坏,P区失去空穴留下了不能移动的杂质负离子,N区失去电子留下不能移动的杂质正离子。这些不能移动的带电粒子集中在P区与N区交界面附近,形成空间电荷区。空间电荷区的逐步建立削弱了多子的扩散,而增强了少子的漂移。当多子扩散运动与少子漂移运动保持一种动态平衡时,交界面形成稳定的空间电荷区,即PN结。两种不同极型的杂质半导体在交界面失去多子的过程,得到了一种导电性能独特于杂质半导体导电能力的介质,带来了半导体导电能力质的突变,这就是PN结的单向导电性,即正向偏置导通,反向偏置截止。复合的PN结,在制作工艺上的差别,分别有双极型晶体管与单极型晶体管。晶体管在合理偏置下导电性能表现了特有的控制性能,即电流控制型的双极型晶体管和电压控制型的单极型晶体管。
三、放大电路的得与失
晶体管器件在“合理偏置以及顺畅的交流通道”原则下就可以构建一个放大电路,一个微弱的输入信号从输入端引入,在输出端得到一个幅值足够的输出信号,表现了小幅度的模拟量通过放大电路后得到了大幅值的模拟量,淋漓尽致地表现出信号幅值放大的概念。殊不知,这种放大电路的“放大”理解是表面的,是片面的,只看到“得”的现象,而没看到“失”的本质。在放大电路中,工作电源不仅仅只是提供合理的偏置,更主要担负着能源作用。放大电路仅仅只是一个信号幅值变换的平台,微弱的输入信号能源通过晶体管的控制作用改变着工作电源在输出负载上的能量消耗。最常见的一个事例就是人们日常使用的收音机,收音机就是一个典型的放大电路。手持式收音机没有电池,不可能发声,装上电池后就可以接收电台信号,伴随听的时间与音量的大小,电池的消耗程度或使用时间就会不同。没有收音机,人们不可能感受到空中的电磁波能量,有了收音机而没有电源也听不到悦耳的音乐,电池能耗使用殆尽了也享受不了。所以,严格意义上的放大电路是一个能源控制电路,放大电路的本质是弱小能量对大能量的控制。放大电路表面上得到了信号的幅值增大,实质上消耗了电源电能。
四、差分电路的失与得
单级放大电路的放大能力是有限的,总期望多级放大。多级放大电路是由若干级单级放大电路所组成,这样单级放大电路之间就存在耦合关系,直接耦合是多级放大电路的典型结构形式,直接耦合的多级放大电路最突出的弊端就是零点漂移,零点漂移最核心的表现形式就是温漂,解决零点漂移最有效的手段就是差分电路。差分电路由两个特性完全一致的单级放大电路复合而成,表现在晶体管的特性一致,晶体管偏置电路器件参数一致。差分电路从理论到实用经历了三个演变,即基本式差分电路、长尾式差分电路、带恒流源的差分电路,这三个演变唯一不变的就是基本结构不变。通过电路分析不难得出结论,差分放大电路的差模增益与单级放大电路的增益是一样的,然而,差分电路的共模增益接近零,有较大的共模抑制比,可以很好地抑制温漂,而单级放大电路就无法解决温漂问题。第一级放大电路温漂决定了多级放大电路的温漂,所以,集成运放的第一级总是差分输入级。可见,差分电路通过“失去”硬件(增加结构等价的电路,增大电路成本),得到了对共模信号的抑制能力,而并不改变对差模信号的放大能力。
五、带宽增益积的得与失
考核放大电路的性能表现在增益、峰峰值、输入电阻、输出电阻、带宽、失真度、输出功率与效率等参数中,它们取决于放大电路组态、晶体管特性、电源以及应用的方式。在放大电路的时域分析过程中,总是期望放大电路的放大倍数越大越好,一级放大能力不够就采取多级放大,以提高放大增益;在放大电路的频域分析过程中,总是期望放大电路有很小的下限频率和很大的上限频率,频率响应范围越宽越好,即带宽值越大越好。带宽是上限频率与下限频率的差值,提高带宽的有限手段就是尽可能提高放大电路的上限频率值。通过电路的频域分析可以发现,提高上限频率与提高放大电路的增益是矛盾的,一旦当放大电路的晶体管选定之后,带宽与增益之积是一个常数,放大电路的放大倍数增大几倍,相应地该电路的带宽就会减小几倍,实际中,既要提高放大电路的增益又要扩展放大电路的带宽,总是选取基区体电阻小、发射结与集电结电容效应小的高频放大管。可见,放大电路带宽增益积概念表现了得与失的理念,欲想得到较大的增益,必然失去频率响应的范围。
六、反馈放大电路的得与失
反馈是自动控制的一个重要概念,反馈放大电路是提高放大电路放大性能的重要手段,在电子技术应用中运用极为普遍。负反馈放大电路中,输出信号部分或全部反送到输入端削弱输入信号,使得闭环增益相对开环增益减小了反馈深度倍,表面上损失了放大电路的增益,然而,对放大电路的其他性能技术指标得到了极大的改善,表现在增益的稳定性得到了提高;环内的噪声干扰抑制能力以及非线性失真得到了改善;电路的带宽得到了扩展;输入电阻与输出电阻得到了相应的改善。如电压串联负反馈放大电路,增大了输入电阻,有助于电压输入信号的放大;减少了输出电阻,有利于输出电压的稳定性。正反馈放大电路中,输出信号部分或全部反送到输入端增强输入信号,闭环增益相对开环增益进一步增大,这是信号发生电路扰动起振的必然要求。信号发生器不会有输入信号或者说就是一个零输入电路,电路接通电源瞬间形成电路换路情形,通过正反馈选频网络(RC或LC选频网络)把输出端的信号有频率选择性地反送到输入端不断放大,这种无止境的放大也必然带来输出信号的非线性失真,所以在电路中为了防止输出信号的非线性失真,总是需要设置输出稳幅网络。可见,信号发生电路由放大电路、正反馈选频网络、稳幅网络三部分组成。稳幅的有效措施就是负反馈,所以,信号发生电路必须维持正反馈特性与负反馈特性的动态平衡。负反馈放大电路失去了增益,得到了电路性能技术指标的改善;正反馈放大电路得到了增益的“膨胀”,失去了输出信号的线性度,实际中为了挽回这种“失”,再次引入负反馈特性。
七、桥式整流的得与失
小功率直流稳压电源中整流的任务就是把交流电转换成直流电,衡量整流电路性能的主要参数表现在两个方面:(1)表征整流电路质量的参数,有输出电压和脉动系数;(2)表征整流电路对整流元件要求的参数,有正向工作电流和反向峰值耐压。半波整流输出电压低,脉动系数大;全波整流输出电压高,脉动系数小。然而,全波整流不仅需要降压变压器的副边引出中间抽头,更主要对整流元件的反向耐压提出了苛刻的要求,它是半波整流对整流元件反向耐压值要求的两倍。实际中,既要提高整流输出电压并减少纹波系数,又要对整流元件反向耐压的要求不苛刻,有效的技术手段就是桥式整流,桥式整流相比全波整流,在电路结构上只是增加了两个整流元件,但输出效果等同于全波整流电路的整流;桥式整流电路对整流元件的要求等同于半波整流电路对整流元件的要求,把半波整流与全波整流各自的优势整合在一个应用电路中。可见,桥式整流电路通过“失去”硬件(增加电路成本),得到了优于半波与全波整流电路的整流性能。
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(一)元器件特性难理解电子电路是由二极管、三极管等半导体器件和电阻、电容等无源元件组成的实用电路,包含模拟电路和数字电路两大类。模拟电子技术主要学习模拟电路的分析计算方法,其基本思想是运用线性电路的基本理论和方法,通过求解电路中电压、电流等物理量,来分析模拟电路的各项性能指标,或确定电路中元器件的参数值。由电路理论我们知道:基尔霍夫电压电流定律(KVL、KCL)和元器件的电压电流关系(VAR)是求解电压、电流的两个基本出发点。因此模拟电子技术课程首先介绍半导体器件的基本特性及VAR。常用的半导体元器件有二极管、三极管和场效应晶体管等。对器件工作特性的理解,涉及到半导体PN结微观机理、器件端口非线性VAR、电容效应、主要参数和温度特性等诸多内容,尤其是三极管和场效应晶体管是三端元件,端与端之间的VAR更加复杂。这些半导体元器件表现出的非线性VAR的复杂性及温度特性让初学者感到头绪乱、难理解。
(二)工程近似方法难适应在接触模拟电子技术之前,学生被训练成的思维模式是习惯用精确计算方法分析解决问题。而在模拟电子技术中,常采用工程近似方法,即根据实际情况采用不同的简化方法分析各种电子电路。近似体现在具体情况具体分析,突出主要矛盾,简化电路的分析计算模型,这种近似虽然会造成计算精度上的误差,但可以大大地简化分析计算的难度和工作量,而且也完全符合实际电子电路的精度要求。在模拟电路的分析计算中,有多种近似处理方法,如基本放大电路的交直流分析,对三极管采用不同的近似模型;运放应用电路的分析,对运放采用理想化的近似;功放电路的功率计算,采用大信号图解分析对功率管做有效的近似,等等。学生头脑中本来还没有这种工程近似分析的思维方式,一下子面对这么多近似化简的具体情况,容易不知所措,难适应。
(三)交直流的作用和相互影响难想象最基本的模拟电路是放大电路,即对输入的模拟信号进行放大处理。放大电路也是构成各种功能模拟电路的基本电路。在分析放大电路时,一般用正弦波表示输入的模拟信号,而电路要起到正常的放大作用,需要加直流电源,以保证电路中的三极管处于放大的状态,同时还需要设置合适的静态工作点,以保证能对输入信号进行不失真的放大。因此在实际的放大电路中,直流电源的作用和交流信号的作用总是共存的,但在分析计算时,往往采用分别计算方式,即在直流等效电路中计算静态工作点,在交流等效电路中计算动态参数。在这些分析计算中,交直流电压电流是如何相互影响的?何处体现出了这种影响?对用图解法定性分析这种影响,学生往往不容易理解。另外模拟电路都是反馈电路,放大电路引入负反馈以改善电路的性能,信号产生器电路引入正反馈以实现振荡。由于反馈作用,输出端的电压电流会影响输入端的电压电流,有的只有交流影响,有的只有直流影响,有的交直流影响共存,这种电压电流相互影响关系使得电路分析计算更加复杂,学生更是难以想象这种作用对电路性能的影响。
(四)基本单元电路种类繁多性能各异难掌握尽管当今电子技术发展日新月异,新的电子产品层出不穷,电路系统的集成度越来越高,功能越来越全,但是构成这些电路系统核心的基本单元电路基本上没有变化。掌握这些基本单元电路的电路结构,学会分析计算这些电路的性能指标,是模拟电子技术课程的学习目标。模拟电路系统的基本单元电路包括低频电子电路和高频电子电路。“模拟电子技术基础”课程主要涉及低频电子电路的分析与计算,其中包含了许多基本单元电路,如晶体三极管基本放大电路的三种组态;场效应管放大电路三种组态;功率放大电路;多级放大电路;差分式放大电路;电流源电路;反馈电路;集成运放电路及应用电路;稳压电路等等。这些单元电路各有其基本的电路结构和性能特点,在分析计算时,考虑的细节问题不同,采用的近似方法也不同。如基本放大电路的作用是不失真地放大微小的输入信号,采用微变等效电路模型进行分析计算,而功率放大电路的作用是输出大功率,即在电路的输出端得到尽量大的输出电压和输出电流,常采用图解法分析电路的功率问题;为了克服直接耦合多级放大电路的零点漂移问题,采用差分电路结构,等等。这么多的基本电路结构,在分析计算时要考虑的细节和方法,都是与实际需求相关,没有统一的规律和方法可循,正因如此,学生在学习时往往感觉很凌乱,摸不着头绪,不容易掌握其核心思想方法,碰到一些实际电路问题就容易不知所措。由于缺乏对实际电路的了解和见识,即便是照葫芦画瓢会计算各种电路的性能指标,但还是难以想象这些单元电路究竟是如何体现它的功能的。
三、化解难点的一些教学策略
(一)利用简单二极管电路,引入非线性电路近似处理方法目前许多的模拟电子技术教材,在关于二极管、三极管和场效应管器件介绍这部分内容中,花了相当的篇幅描述器件的工作原理、特性曲线和主要参数,而在放大电路分析时才引入图解法和微变等效电路模型方法。图解法分析放大电路的工作过程是教学难点,学生往往对曲线之间的映射关系不清楚。其实图解法是线性和非线性电阻电路的一种分析方法。我们可以在分析简单二极管电路时,引入图解法和一般非线性电阻电路的近似处理方法,使学生在头脑中建立起非线性电阻电路分析的一般思路。
(二)强调单元电路分析的基本步骤,引导分析思路和方法前面提到,基本单元电路是构成各种实际电子系统的基石,掌握了基本单元电路的结构、工作原理和特性,就容易分析和设计具有实际功能的各种电子系统。面对众多的结构和性能各异的基本单元电路,我们采用所谓“五步教学法”,即固定的5个步骤讲解基本单元电路:
(1)电路功能和电路结构以实际功能需求为先导,或是在总结已学单元电路不足的基础上,引出要学习的单元电路,强调电路结构的构思方法和特点,使学生在认识电路同时,也能对电路构成的基本规律有所了解。例如在学习功率放大电路时,一般的教学策略就是,先简单说明单管甲类功放电路的效率低的原因,提高效率的途径,从而引出互补对称乙类功率放大电路结构。然后说明构成电路的结构要素和关键元件,以帮助学生认识和记忆。
(2)工作原理分析在这个环节,主要是定性分析电路中各个元件的作用,电路的工作过程,从而说明电路的功能。有些单元电路的学习,以定性分析为主,如负反馈放大电路的分类判断,正弦波振荡电路的分析等。反馈电路的分析和判断,可以说是模拟电子技术学习的难中之难,针对具体电路进行判断的过程是,首先要正确辨识反馈网络和基本放大器的输入端,然后判断反馈网络与输入信号的位置关系,从而判断是串联或并联反馈,再根据反馈量和输出量的关系,判断是电压或电流反馈,最后根据瞬时极性法判断是正反馈还是负反馈。以上判断过程对负反馈放大电路和正弦波振荡电路分析都适用,应该强调反馈量仅仅取决于输出量,与输入量无关这个基本出发点。
(3)主要参数分析计算在单元电路的学习中,有些电路要求掌握一些性能参数的计算,如放大电路静态工作点和动态参数的计算、功放电路输出功率和效率的计算,集成运放应用电路的分析计算,稳压电路的输出电压计算等等。这些计算中都采用了工程近似方法,不同的电路分析采用不一样的近似方法,如静态工作点的计算在直流通路中进行,三极管的发射极正偏时,采用0.7V模型近似,而在求放大电路的放大倍数、输入阻抗和输出阻抗等动态参数时,三极管采用的是微变等效电路模型,这些问题,与前面讨论的非线性电路近似处理方法联系起来,就好理解啦。讨论这些电路的计算问题时,一定要强调说明不同电路计算的近似方法和手段,学生才会有的放矢地加以运用。
(4)应用及注意事项单元电路都是构成实际电子产品的基本电路。为了加深学生对模拟电路的认识,提高学习兴趣,激发探索精神,在讲授一些单元电路时,可以适当举例,说明这些电路在实际中的应用。如学习功放电路时,可以扩音器电路示例,在学习直流稳压电源时,可以一个实际稳压器电路为例,还有集成运放构成的各种应用电路等等。有两种教学策略说明单元电路的应用,一是从引入实际电路开始进入单元电路的学习,在实际电路图中框出单元电路;二是在学完后举例说明单元电路的实际应用,这时应从应用的角度说明应用电路的构成原则、元器件参数的选择、应用条件等注意事项,有条件的话,可在课堂上做实物演示或仿真演示。
(5)归纳小结对于每个单元电路讲解的最后,都应该按照以上4个步骤进行归纳小结,使学生对该单元电路结构特点和功能的加深认识、对该电路的分析方法和手段加深印象。再通过例题讲解或练习,使学生学会分析和应用。我们强调对单元电路结构的认识,这样在分析一个具体的、复杂的实际电路图时,就容易从中划分出一个个的单元电路,然后根据单元电路的功能和连接关系,推测出该实际电路的功能,这也是分析实用电子系统的基本方法。
(三)仿真和实物实验相配合,提高认知和动手能力电子技术是一门理论和实践都很强的学科,要学好模拟电子技术,离不开配套的课后实验环节。通过实物实验,学生可以加深对知识的理解,同时学会使用常用电路测试仪表,了解电路测试技术,提高动手能力。但以往的课后实验都是在单元电路学完后才开展的,在学习时仍然存在不好理解等问题。随着计算机技术的飞速发展,以计算机辅助设计为基础的电子设计自动化(EDA)技术已成为电子电路分析与设计的主要工具,EDA系统中所包含的虚拟仿真技术可以作为电子技术课堂教学有效的辅助手段,实现对单元电路的演示,帮助学生理解所学知识。我们在教学中采用了ElectronicsWorkbench(EWB)软件,在课堂上演示基本放大电路、功放电路、振荡电路等单元电路的功能,能够形象地看到一些电路现象,如输出波形的变化及影响因素等。现在有一种趋势,就是电子技术的课程教学越来越软化,甚至全部用EDA软件仿真替代实物实验,这是不可取的。我们认为模拟电子技术课程教学,一定要仿真和实物实验相配合。在讲授元器件时,把二极管、三极管、集成运放芯片等拿到课堂上展示。通过在面包板上搭建一个个实物电路,并通过实际仪器仪表对其进行测试和观察,学生才能感受真实单元电路的魅力,提高认知和动手能力。
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模拟电子技术课程所涉及的理论、设计及分析方法具有很强的工程应用性和实用性,在学生的整个知识体系中占有相当的比例,对于培养学生的逻辑思维能力、工程实践能力、创新能力及后续课程的学习都十分重要。计算机类专业的模拟电子技术课程在教学实践中遇到的问题很多,主要有以下几个方面:
2.1学时少,内容多
为了突出专业课程的学习,很多学校的做法是压缩电路分析课程的学时数,甚至取消了电路分析课程。而模拟电子技术课程知识多且比较分散,它集高等数学、电磁学、物质结构理论和电路分析等知识于一体,该课程的学时数(含实验)一般在80学时以下,在如此紧张的时间内要完成该课程的教学工作,不仅老师感到困难,学生也有很吃力。
2.2学生认识不到位
很多学生错误地认为模拟电子技术课程应该是电子、机械类专业学生的专业课程,他们在专业学习中一般都有重视软件而轻视硬件的倾向,而且,学习模拟电子技术课程的成就感往往不及其他课程来得快和强烈,因此,就造成了学生的学习积极性不高。刚刚从中学过度到大学的学生,很多还没有找到适合本课程的学习方法,模拟电子技术主要以原理分析为主,而学生更多地相信精确的数值计算,他们往往认为只有经过严格的数学推算得出的结果才是可信的,当实际结果与严格的理论演算结果有出入时,他们难免会感到困惑。学生的认识不到位和思维方式上的差异,导致了计算机类专业中该课程的教学效果一直不太理想。
2.3课程教学本身存在问题
计算机专业的模拟电子技术课程的教学内容和方法完全套用电子、机械类专业的那一套,有些学校甚至完全由机电类专业的老师来教授该门课程。这些教学内容和方法在一定程度上与计算机类专业存在脱钩的现象,没有突出本专业的特色。近些年来,很多高校的计算机类专业的同仁们对本课程进行了一定的改革探索,并总结了许多值得借鉴的经验,但是,对于不同的学校和不同的学生,这些教学改革举措应该不尽相同,在具体的教学实践中,切忌“拿来主义”和生搬硬套。我们也对贺州学院的计算机类专业的模拟电子技术课程的教学做了一些研究和探索工作,实践表明这些工作有益于提高教学效果。
3教学改革的内容和措施
为了使模拟电子技术课程的教学更切合计算机类专业的实际,我们做了一定的探索以提高教学效果和应用型人才培养质量。
3.1教学内容的甄别与整合
模拟电子技术课程涉及的内容多且知识面广,为了提高学生的工程实践能力和创新能力,我们根据计算机类专业的特点,依据“必用、够用”的原则甄别和整合课程内容。受学时数的限制,计算机类专业一般无法系统开设电路分析等先导课程,但电路分析的基本原理和方法贯穿于模拟电子技术课程教学的全过程,因此,我们把电路分析课程的主干内容整合到模拟电子课程之中。在正式讲解模拟电子技术课程的内容之前,我们花4至6个学时重点讲解电路分析的基本原理及其应用,主要有KCL、KVL、叠加原理、戴维宁定理、诺顿定理及密勒定理。经过对多部国家级模拟电子技术教材的比较,我们选定康华光教授主编的《电子技术基础(模拟部分)》(第五版)作为我院计算机类专业的教材。该教材加强了基础理论,如加强了半导体的物理基础和电路的基本分析方法;同时也注意吸取国内外的先进技术,如加强了线性集成电路和数字集成电路(包括中、大规模集成电路)的原理和应用,新增了电子电路的计算机辅助分析等内容。该教材历经多次改版以紧跟当代电子技术的发展步伐,但我们不是全部讲解教材内容,依据“必用、够用”的原则甄选讲解内容,其他内容留作学生课外阅读,以开阔视野。经过讨论,我们将教材内容整合成半导体器件、放大电路基础、信号产生与处理三大部分,将直流稳压电源的内容作为任务驱动式教学内容。
(1)半导体器件部分简要介绍常用半导体二极管、三极管及场效应管的基本结构等基本知识,重点讲解它们的应用及经典电路的分析方法。
(2)放大电路基础部分重点分析三极管单管共射放大电路,包括静态工作点的设计及稳定措施、输入输出特性、电压增益计算、输入输出电阻等特性,然后介绍集成运算放大器的“虚短”和“虚断”等基本概念及集成运算放大电路的基本分析方法等知识。
(3)信号产生与处理部分重点介绍有源滤波电路和正弦波振荡电路,信号产生与处理部分知识是今后学习接口技术、理解芯片电路设计原理的基础,所以,不能简单地将这部分知识从模拟电子技术课程的内容中删掉。
3.2教学方法的改革与创新
我院计算机类专业的模拟电子技术课程一般安排在大二的第一个学期,由于课程内容多、难度大,而且相当多学生的前导课程知识掌握不牢,所以,他们在心理上产生一定的畏惧感,鉴于我院学生的实际情况,我们对模拟电子技术课程的教学实践做了一定的探索。
3.2.1理论教学灵活多变
课堂教学方法很多,常见的有讲授法、讨论法、直观演示法、练习法、读书指导法、任务驱动发、启发式教学法等,要生动有趣讲解好本课程的内容,往往要灵活应用多种教学方法才能取得预期效果。本文重点介绍启发式教学法和任务驱动法在模拟电子技术课程教学实践中的应用。
(1)启发式教学法。
课堂教学最忌讳的是老师一言堂,教师必须想办法活跃课堂气氛,启发式教学法是调动学生学习积极性,激发学生学习激情最有效的手段之一。这就要求教师在教学中根据教学内容的铺展由表及里循序渐进地不断引出问题,启迪学生去思考、分析问题,直到提出解决问题的方法或途径。比如,在讲解KCL时有学生对定律无法理解,教师就可以用水管中水流的特性做类比以启发学生的思维,然后借用中学电学中关于电流、电荷的知识来引出电荷在导线上不能积聚,从而得出任意时刻流进节点的电流之和必然等于流出节点的电流之和的结论。为了进一步巩固KCL相关知识,教师应该提出节点的相对概念,即电路中的节点既可以是一个电路分支的交叉点,也可以是任何一部分电路。这样扩大了节点的概念,学生自然就掌握了KCL的更广泛的应用。比如在讲到NPN和PNP型三极管时,发射极上的箭头标识的方向不同于集电极和基极上的电流方向,如果将三极管看作是一个节点,那么从宏观上就很容易得出放大电路中三极管三个极上的电流分配关系:Ie=Ib+Ic。有了宏观认识以后,再讲解三极管电流分配关系的微观解释就显得较为轻松。
(2)任务驱动法。
任务驱动式教学方法是一种建立在建构主义学习理论基础上的教学方法,它将传授知识为主的传统教学,转变为以解决问题、完成任务为主的多维互动式的教学。模拟电子技术课程的工程实践性比较强,因此,当学生具备一定模拟电子技术基础以后,教师就可以在课程的教学中使用任务驱动式教学法。比如,当学生学完二极管电路的分析方法以后,学生具备了二极管半波整流的知识,然后给他们布置新的任务:查阅资料,掌握常用全波整流电路的相关知识。很多学生通过网络和图书馆的资料掌握了桥式整流电路的结构特点和工作效率,在此基础上,我给他们演示一台卡式录音机的故障现象:单独用干电池供电时,录音机工作正常;单独用220伏交流电供电时,录音机不工作。然后拆开录音机,让学生观察电源部分电路的结构特点,最后给他们布置任务:画出录音机电源部分原理图,分析各部分电路的功能。采用任务驱动式教学法可以将教材中直流稳压电源部分知识的教学彻底转换为以学生为主体,这样,有利于培养学生的综合能力,提高他们解决实际问题的能力。
3.2.2理论与实验教学交叉融合
计算机类专业的学生大多计算机操作能力较强,因此,在模拟电子技术课程的教学中,我们引入了SPICE仿真软件。有了此类仿真软件,理论教学和实验教学的界线越来越模糊。在理论教学中可以先用仿真软件演示有关理论或电路的宏观外在表现,使抽象知识具体化。学生在用物理器件做实验前也可以先用仿真软件做一遍,这样可以提高实验效率,降低实验损耗。有了仿真软件,课堂上无法及时完成的实验,学生还可以在自己的电脑上完成。所以,利用仿真软件可以实现理论教学与实验教学的相互交融,当然,为了强化理论知识,突出学生工程实践能力的培养,我们在实践中坚持理论教学与实验教学必须是同一位老师的做法,这样,有利于老师掌握学生的学习动态,提高教学的针对性。
3.3多角化课程考核方式
课程考核是课程教学改革的重要方面,好的考核机制有利于提高学生的学习积极性、激发他们的学习兴趣。实践中,我们以专业知识和技能考核为主,兼顾学生德育和出勤率考查。课程考核项目包括出勤情况(占总分10%)、课堂表现(占总分20%)、平时作业(占总分20%)、期末测评(含理论笔试和技能测试,占总分50%)。按时出勤可以培养学生的集体主义观念和遵守纪律的习惯,也是课程教学得以正常进行的必要条件。笔者的做法是全勤记10分,缺席一次扣2分,缺席三次者给予警告,缺席五次取消该门课程考核资格。为巩固理论知识,适当加重对平时作业的考核是否必要的。笔者的做法是整个学期共布置、批改作业五次,每次4分,根据作业的质量分D、C、B、A四个档次,每个档次分别给为1分、2分、3分和4分。另外,为防止相互抄袭,限制作业必须按时完成,不得补交,一旦发现存在抄袭作业的情况,抄袭与被抄袭者双方本次作业都做零分处理。为活跃课堂气氛,激发学生的学习主动性,课堂表现考核显得十分重要。笔者的做法是主动回答问题者,正确的一次记2分,错误的不扣分;被点名回答问题,正确的计1分,错误的不扣分。期末测评包括试卷笔试和技能测试。笔试是学生对知识掌握情况的集中体现,占课程考核40%的比重,专业技能测试是考查学生实际动手能力的主要手段,占课程考核10%的比重。通过多角化课程考核方式改革,取得了令人满意的效果。学期课程的平均出勤率达到98%以上,学生的学习兴趣和主动性明显提高,课堂教学秩序良好,气氛活跃,学习效果明显提高。
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将照明模拟技术引入室内设计教学,虽然难以解决光环境的真实体验问题,但有助于学生理解、掌握照明技术的基本知识,对学生深入认识照明物理量的视觉意义也有一定帮助。本文所指的照明模拟软件不同于3D效果图制作软件,虽然这些软件也能输出三维的照明场景效果图,但场景图的照明效果与模型中照明器具的位置及参数有直接关系,换言之,模型中的照明器具是决定照明效果的关键因素(3D效果图的照明效果并非完全是照明器具决定的,照明器具也没有具体的灯具型号、照明功率等各项参数),这种照明效果更接近方案实施后的真实场景,具有高仿真性,对于这一点,照明模拟软件与3D效果图制作软件有本质的不同。一言以蔽之,如果学生能够熟练使用照明模拟软件,那么,在设计照明方案时也能较准确地控制照明的最终实施效果,因此,将软件引入教学有其必要性。相关文献表明,目前,市场上大约有50多款商业照明软件,这些软件有的侧重于自然采光,有的侧重于人工照明,至今并未发现能兼顾二者的照明模拟软件。从辅助设计的角度出发,自然采光软件方面:Ecotect、Radiance和Daysim比较适于设计专业学生学习;人工照明软件方面:比较成熟的是Agi32和Dialux,但Agi32价格昂贵,学生难以接受,Dialux具有易用性好、计算精确度高、可免费使用等优点,适于学生学习、掌握。对照明设计专业的学生而言,自然采光和人工照明两个方面的软件都有必要掌握,但对于室内设计专业的学生,只掌握一款人工照明软件也基本能满足专业学习的要求。主要原因是:1.自然采光软件主要为建筑设计服务,对建筑学专业的学生比较重要,对室内设计专业的重要程度有所降低,相反,人工照明软件对室内设计专业的学生比较重要;2.由于室内设计专业学制时间短(一般4年),学习课程门类较多,在有限学制内安排多门照明软件课,难度较大。因此,笔者建议,将人工照明模拟软件Dialux引入室内设计教学即可。
三、Dialux引入室内设计教学的途径与方法
照明模拟软件Dialux是德国DIAL公司与多家国际知名灯具厂家联合共同投资研发的一款人工光照明软件(其自然光的计算能力较弱),1992年,该软件正式推出,目前是欧洲最顶级的专业照明软件之一。Dialux界面友好、使用简单,兼容性强,得到了众多著名灯具厂商的灯具插件支持,可广泛用于建筑、景观、道路、隧道等灯光场景计算、模拟。另外,该软件版本更新较快,可免费下载使用,尽管有建模能力弱、渲染效果不真实等缺陷,但并不妨碍这款软件在亚太地区的推广,目前,已成为我国使用最广泛的照明模拟软件。Dialux软件的主要操作流程是:首先搭建仿真模型并赋予材质;然后置入家具和灯具;最后进行照明计算,自动生成报表。报表内容主要有灯具信息、测光结果、眩光值、3D效果图、伪色图、各室内界面的照度值、亮度值等。可以说,计算结果不仅有照明的视觉场景文件也有量化数据信息,能够全面衡量照明方案的质量。这种操作模式适于空间及灯具排列比较复杂的照明场景计算(如专卖店、餐厅等空间),输出报表的内容也比较全面,但对于办公室、教室等比较简单的照明场景,采用这种模式就过于麻烦。因此,Dialux从3.1版开始,就提供了精灵操作模式,这种模式适于空间比较规则并采用均质照明的设计方案,依据设计方案输入空间尺寸、界面反射比、灯具款式、数量及位置等信息,软件便可快速计算出工作面照度并渲染出灯光场景图,尽管报表输出内容较少,但操作过程极其方便、快捷,非常适合辅助办公、学校、医疗等空间的照明方案设计。精灵模式的另一特点是操作界面易懂,即便使用者没有受过专门的软件培训,也能很快了解、并掌握该模式的操作、使用方法。
(一)引入途径
将Dialux引入室内设计教学,首先要解决软件的学习问题,结合室内设计专业的课程设置特点,软件学习可从如下三个途径解决。第一,开设专门的Dialux软件课。室内设计专业一般开设Cad、3DMax、Photoshop等软件课程,如果课时允许,可对教学计划适当调整,将Dialux加入软件课程,较早地解决该软件的学习问题,为后期的照明设计课和设计专项课打好基础。笔者认为,20个课时基本能完成该课程的讲授和学习。第二,在照明设计课中增加软件学习内容。如果软件课程中无法增加Dialux,也可以尝试在照明设计课中学习。照明设计课主要解决照明基础理论与照明设计问题,但照明设计如果仅停留在概念和视觉层面,没有光的量化信息,不能称之为完整的照明设计。尽管软件学习会占用、挤压本应用于方案设计的时间,但与专门的软件课不同,在此阶段学习Dialux,能够很快用于辅助照明方案的设计,对于此,也可以说是该课程学习Dialux的一个优势。第三,在设计专项课中学习Dialux。可以说,在设计专项课中学习该软件,不是太好的途径,毕竟设计专项课主要解决的是各类空间的综合设计问题,涉及内容多,课程时间紧,而照明设计仅是设计专项中的一个要素而已。但各院校状况不同,出于各种原因,有时也只能将Dialux设置在某个设计专项课中。如果采用这种途径,也只能要求学生掌握Dialux精灵模式的操作即可(4个课时基本可以熟练掌握),换言之,通过精灵模式辅助照明设计,至少能保证设计方案中灯具的款式及数量不会出现大的问题,对于照明细节,则不能过于苛求。
(二)引入方法
将Dialux引入室内设计教学可达到两个目的:其一,对于均质照明设计,学生通过反复模拟训练,能够掌握照明设计的一般规律,以此为基础,在不依靠软件的情况下,凭借模拟阶段积累的经验,也可以顺利完成照明方案而不会出现原则性错误;其二,对于非均质复杂性照明设计,通过软件的仿真模拟与计算,能发现设计方案存在的问题与不足,以模拟结果为参照依据,可将原照明方案修正得更为合理。为达到上述目的,通过合适的教学方法将模拟技术与设计课程紧密结合至关重要,而方法的选择要基于软件的特性及课程的需要,可从如下两个方面入手:第一,规则空间、均质照明的教学方法。前文已经提到,对于办公、教学、医疗等以工作、学习为主的场所,其空间一般比较规则,主要采用均质的一般照明方式。对此类空间,可采用Dialux的精灵操作模式,通过系列照明模拟训练掌握照明设计的基本规律。方法是:设定空间原型和照度标准(照度标准参考建筑照明规范要求),选用一款常用的照明器具(格栅灯具或筒灯)作为一般性照明的光源,均质排列灯具后进行模拟计算,观察灯光场景效果图、等照度图和测光结果,若工作面照度计算结果与设定标准相差太大,可调整灯具数量然后再次计算,直至找到理想的照明方案。以此类推,在保持空间三维尺寸和照度标准不变的情况下,依次改变常用照明器具,并对不同灯具照明方案的模拟结果进行比较,经反复对比,可初步掌握类似空间照明器具的选用与排列规律。以此为基础,还可以在不改变照明器具款式的情况下,改变空间的尺寸和灯具数量,观察计算结果有什么变化规律。通过这种教学方法,第一个教学目的基本可以达到。第二,非规则空间、非均质照明的教学方法。很多商业类室内设计项目,其空间形态往往变化较大,照明方式也强调个性化、艺术化,对这类空间的照明设计,不能说没有规律可循,但探寻个性化照明方案的设计规律本身没有太大意义。因此,对商业类空间的照明设计,采用Dialux对其仿真模拟,发现问题并进行方案修正更为重要。显然,Dialux的精灵操作模式无法满足这类空间照明模拟的要求,需要使用另一种更复杂的操作模式。与第一种教学方法不同,商业类空间的教学应尽量与课程实践相结合,如可在照明设计课中安排小型商业空间照明的设计任务,或在商业空间的设计专项课中,要求学生对设计专项的照明方案进行模拟、计算,根据模拟结果,进一步优化设计。采用这种教学方法,学生经过多个设计案例的实践,基本可以熟练掌握Dialux辅助商业空间照明设计的流程与方法。