仿真驱动理论学习模式在《模拟电子技术》教学中的应用

严 琼，李弘楠，祝晓霞

（1．2．3．福建江夏学院电子信息科学学院，福建福州，350108）

《模拟电子技术》课程是电子信息、电气自动化等专业学生的必修基础课，在本科生课程体系中起到承上启下的作用，影响着学生的工程实践能力。本文提出仿真驱动理论学习模式，力求实现课堂由灌输式“重知轻行”向探究式“知行合一”的转变，增强课程的教学效果，激发学生的主动性和创新实践能力。

一、课程现状及传统教学存在的问题

传统的《模拟电子技术》课程的理论部分是教师讲授、学生被动接受的模式，实验部分是教师演示、学生模仿和验证的模式。该模式难以激发学生的学习热情，使学生在课堂上难以集中注意力。同时，课程的入门难度高，而学生很少会在课后时间主动去提取知识点的主要脉络并深入思考，因此很难达到理想的教学效果。课程现状及传统教学存在的问题总结如表1所示：

表1 课程现状及传统教学存在的问题

一方面，在当前教学模式下，对电路的原理和工作机制等知识点只靠概念和公式强化记忆，没有涉及电路的实际参数折衷设计和产品应用。学生虽然能够通过课程培养理论分析能力，却不会设计实际电路，不能达到应用型本科院校对“复合性、创新性、应用型”人才的要求。另一方面，传统的考核只有期末试卷，导致部分学生平时不学习积累，仅靠考前突击应对，实际教学效果不佳。因此，应将考核融入学习过程中，[1]弱化期末卷面考试，强化平时表现的评价，更好地引导学生积极学习。

二、授课知识点占比

国外高校在电子学科一直处于强势地位，其优秀教材，如Thomas L编写的《Foundations of Analog Circuits》、Sedra编写的《Microelectronic Circuits》、Allan编写的《Electronics》等安排的学时均比国内教材多。例如，《Microelectronic Circuits》建议授课安排两学期，每学期40～50学时。[2]当前有限的学时（48学时）紧张，因此要对教学内容有所侧重。结合业界发展调整授课知识点占比：一方面，结合BJT与MOS管的工艺发展趋势，教学中需要增加MOS管电路设计的占比，弱化BJT电路的分析；另一方面，缩减分立元件部分的知识点，加大集成运放部分的学时比重。

（一）分立器件部分以大电流、高速、高反压功率器件为重

未来半导体产业分立器件的发展方向是：在结构上向复合型、模块化发展，在性能上向大电流、高速、高反压功率半导体分立器件发展。而《模拟电子技术》课程中与分立器件相关的知识点包括：单管放大电路、多级放大电路、差分式放大电路、功率放大电路。因此，应该加大功率放大电路的内容比重，扩展大电流、高速、高反压功率器件的知识点。

（二）集成电路部分扩充运放的设计

2015年，随着《国家集成电路产业发展推进纲要》等一系列政策的实施，中国集成电路产业呈爆发式飞速增长。如图1所示，设计、制造、封测3个产业销售额持续增长，产业结构更加合理化：设计业和制造业逐步超越封测。

图1 2014—2015年中国集成电路产业各产业环节销售收入及增长

2015年，我国IC从业人数39.4万人，预计到2020年从业人数将达79.2万人。专业人才缺口越来越大，因此授课中应扩充运放设计方面的知识，具体设计框图如图2所示。集成运放的设计首先应考虑各种参数之间的折衷，同时兼顾噪声、串扰、二级效应、稳定性及频率补偿等。

图2 集成运算放大器的设计

（三）扩充BJT与MOS管的工艺发展

运放的工艺决定了运放的一些性能参数。其中，输入失调电压及其漂移、输入偏置电流及其漂移对运放的影响最为直观，具体如表2所示：

表2 运放的工艺与性能参数

表2中列出了4种工艺的对比，包括：结型场效应管JFET、互补金属氧化物CMOS管、绝缘隔离场效应管DiFET。其中，JFET工艺设计中应注意控制温度，因为管子偏置电流会随温度升高而翻倍增长。CMOS是轨到轨输出运放，也称为满幅运放，它的自归零（Auto-Zero）技术大幅降低了运放的输入失调电压，零交越失真（Zero-Crossover）和零温漂（Zero-Drift）技术抑制了运放的失真和温漂。绝缘隔离FET的寄生电容、晶体管饱和效应、输入泄漏IIB都很低，因此具有较好的带宽和更大的输出摆幅，然而其受限于复杂的工艺（价格昂贵）。以德州仪器（TI）和意法半导体（ST）的运放为例，分析不同工艺的发展趋势，[3]如图3所示：

图3 运放的不同工艺新品占比趋势

可以看出，CMOS正超越BJT成为业界主流工艺。因此，教学上应该增加“场效应管及其基本放大电路”的内容，适当缩略“晶体三极管及其基本放大电路”的内容，更好地引导学生了解业界最新动态、将理论知识与工程应用紧密地联系起来。

三、仿真驱动理论学习模式

结合《模拟电子技术》这一专业基础课的特点与实践经验，提出仿真驱动理论学习方法，将“灌输式”知识点转向“探究式”仿真实例，[4,5]以提升教学效果。首先，与生活紧密联系的案例使课堂教学充满生机与趣味，加深学生对知识的印象；其次，通过仿真案例的任务分配将考核融入学习过程中，杜绝考前突击的现象，督促学生平时多学习积累；最后，仿真的引入强化了理论与实践的联系，促使学生主动地学习运用模电理论知识来解决工程应用问题，提高学生分析问题和学以致用的能力。

（一）设计仿真实例

仿真实例的设计，要求教师能够熟练地运用理论知识，结合自身充足的实践经验，来激发和挖掘学生的实践潜能。

第一，紧密联系生活。教师在设计仿真实例时需要反复斟酌，尽量从学生的实际生活中提炼相关的趣味且实用型电子产品，作为相应知识点的载体，如表3所示：

表3 仿真实例与知识点

可以看出，仿真实例都来自于日常生活。这样在一定程度上可以避免学生在抽象、枯燥的理论知识中失去学习兴趣，使其感受到学以致用的乐趣，找到课程知识的用武之地，激发学习主动性、探究性和创新实践能力，增强课程的教学效果。

第二，以能力为本位，因材施教。为了避免打击学生的积极性，降低课程的入门难度，仿真实例的设计不宜难度太高，应该以人为本，以确保仿真驱动理论学习模式的顺利实施。同时，教学过程中，教师应及时听取学生的反馈建议，不断探索，不断改进。设计的仿真实例可按难度系数阶梯式分布，由浅入深，不同层次的学生可以有不同的选择范围。这样因材施教的模式，既照顾基础薄弱的同学，又充分考虑学生的兴趣导向，保证每个学生都能顺利完成设计、调试，最大限度地发挥自身的探究性和创新实践能力。

（二）仿真实例的辅助软件

第一，课堂上的动态直观性。在课堂上利用Multisim、Proteus等虚拟仪器，[6]模拟实际电路的搭建及设计，学生可以随时观察输入和输出的时域波形、频域谱线。在授课中，教师通过改变电路各参数和拓扑结构，将抽象理论转换为动态的直观形象的波形、谱线，并为学生进行演示，让学生感性认识电路的变化过程，降低理解难度，缩短掌握知识点的时间，提高课堂效率。

第二，时间和空间上的拓展性。仿真驱动理论学习模式能够避免教学中学生申请实验室困难、实验箱硬件电路固定不可调、元件损耗大的问题，克服时间和空间上的局限性。学生可以利用课外时间，在宿舍、图书馆随时随地进行仿真，扩充课堂知识，实现探究式“知行合一”的实践。

静态工作点、瞬时分析、小信号分析和参数扫描是《模拟电子技术》课程的重中之重，表4列出了Multisim、Proteus的常用仿真功能：[7]

表4 Protel Mixed Sim与Multisim仿真

如表4所示，Protel Mixed Sim与Multisim仿真操作相似。以Protel Mixed Sim混合仿真为例，分析电路时执行工作点分析（Operating Point Analysis）和瞬时分析（Transient Analysis）、交流小信号分析（AC SmallSignal Analysis）或参数扫描分析（Parameter Analysis）等仿真功能。使用软件时，要求学生熟悉Multisim、Proteus等虚拟仪器的操作界面，明确选取元器件时的注意事项，掌握原理图设计、布局、调试、PCB 设计等操作，为今后的课程设计、实训、实习、就业打下厚实的基础。

（三）仿真实例的教学

1.引出授课内容

教师在课堂上提出仿真实例作为相应知识点的载体，将“灌输式”知识点转向“探究式”仿真实例，引导学生思考实例所涉及的知识点，以此引出授课内容。一方面，帮助抽象思维能力欠佳的学生更形象地了解电路；另一方面，促使学生带着目标去学习，积极主动地运用模电理论知识来解决工程应用问题。学生感到学有所得，学有所用，上课更有激情、更加投入，课堂效率大有提高。

2.电路拆分成子单元

实施案例仿真前，教师首先讲解各仿真实例对应的知识点。例如，汽车的玻璃除霜实例对应电阻电路的设计；音频信号放大器对应放大电路的带宽和负载设计；电子生日蜡烛对应双稳触发电路，热敏电阻的阻值影响三极管集电极和基极的压降，使由三极管构成的双稳电路发生翻转。

之后，教师再指导学生将各实例电路拆分成子单元，以直流稳压电源为例，如图4所示：

图4 直流稳压电源设计框图

图4中将直流稳压电源的设计分解为变压、整流、滤波、稳压4个子电路。电路的拆分有助于学生进一步理解仿真案例，一定程度上降低学习难度。仿真实例由学生分组合作完成，每个成员设计一个子电路。学生通过图书馆和网络资源来搜集相关资料、利用Multisim、Proteus等虚拟仪器，搭建并设计电路。

3.探究电路

教师将仿真案例作为学生的课外仿真作业，如讲授放大器时布置学生设计脉搏信号放大器或微弱信号检测电路等。学生分组合作，撰写设计报告，通过答辩的形式互相交流，完善已有的知识，培养探究电路的兴趣。

在运用模电理论知识来解决工程应用问题的过程中，学生慢慢学会将课本的精确计算的思维转换为工程上的近似估算思维模式。近似估算一方面可以简化电路模型，节省繁琐的计算时间；另一方面可以突出设计中的主要指标，便于调试时候排查电路故障。

丰富的仿真案例不仅能够锻炼学生设计电路的能力，同时也为学生的创新思维提供更广的发挥空间，为后续课程的延伸打下更厚实的基础。仿真案例由简单到复杂，符合学生理性认知的过程，也降低理解难度，提升学生就业后的岗位适应能力。

参考文献：

[1] 李雪梅."模拟电子技术"课程教学模式的改革[J].电气电子教学学报,2015,37(2):35-37.

[2] Adel S. Sedra,Keneth C.Smith.Microelectronic Circuits 6th ed[M].New York:Oxford Univesity Press,2009.

[3] 张林,邓天平."模拟电子技术"课程教学内容改革探讨[J].电气电子教学学报,2015,37(2):14-16.

[4] 华成英,王红,叶朝辉.电子技术基础课程研究型教学模式的探索与实践[J].北华航天工业学院学报,2011,21(4):41-43.

[5] 赵伟强,沈红卫,魏佩敏,等.项目驱动团队学习模式在工科电类课程教学中的应用[J].绍兴文理学院学报,2014,34(12):5-8.

[6] 侯向锋,周兆丰.Proteus在模拟电子技术教学中的应用[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2012,32(4):114-118.

[7] 邓天平,张林."电路"和"模拟电子技术"课程教学改革[J].电气电子教学学报,2015,37(4):21-23.