虚实结合的模拟电子技术课程教学改革探索

戴 伟 吴晓新 陈 峰 刘 明

南通大学 江苏南通 226019

模拟电子技术作为工科电类专业的核心课程，主要研究各类放大电路的特性，而静态工作点(Q点)是否稳定是关系到放大电路能否正常放大的前提，通常列入教学的核心内容[1]；“BJT放大电路静态工作点的稳定问题”作为经典教学内容，因内容相对抽象，学生在学习中普遍反映难以深刻理解。教学实践表明，单纯靠理论讲解难以达到理想的教学效果，但如果对教材内容进行适当编排，采用问题链式教学方法，并结合“虚实结合”的动态演示，则可以引导学生逐步深入理解知识点，有利于学生理论知识与动手能力相融合，提高学生参与感，为后续电力电子技术等专业课程的学习乃至日后任职需要奠定坚实的理论基础。

在讲授“BJT放大电路静态工作点的稳定问题”知识点前，考虑到学生已经掌握了放大电路的静、动态分析方法，若仍把教学偏重于对分压偏置放大电路的静、动态分析上，会导致内容的重复枯燥，影响学习兴趣。因此把授课定位在理清知识脉络，利用实证手段与理论分析相结合的方式进行知识点的讲解。通过“虚实结合”的实验演示培养学生观察现象、发现问题的能力[2,3]；并引导挖掘现象背后的客观规律，从而提高学习者分析、解决问题的能力。

1 教法与学法总体设计目标

在本知识点教学中，目标是希望学生通过课程学习能够对影响静态工作点稳定的因素以及稳定静态工作点的措施有深入的理解；学会将理论分析与实际应用相结合；进而增强其观察实践能力，激发学习模电知识、模电与技术联系的兴趣[4,5]。

1.1 教法设计

照本宣科式的组织教学只能让学生生硬地学习课本上的知识，却起不到开拓学生视野、锻炼学生能力、激发学习兴趣的目的。因此，在课程的教学方法上通过实例引入、启发渐进、对比探究、点面结合促进学生对知识点的认识、理解、记忆和掌握。

1.1.1 注重前后序课程的衔接 以问题作驱动

前期的知识储备是后续学习的基础。课堂教学中采用提问回顾电路中与工作点相关的分析方法，既可以为本次课程学习内容埋下伏笔，也可以了解学生对已学习知识的掌握程度。在教学中，利用问题驱动使学生关注实验现象、总结实验过程，可以将学生的思路引导到关注工作点的变化上来，并提升自己的研究能力。

1.1.2 实证与理论分析结合

在教学中，虚实手段结合，层层递进。首先，利用虚拟仿真实验引入工作点的稳定问题，树立直观的印象；其次，教师利用多媒体演示，通过问题驱动方式引导学生观察、分析电路特性，并在此基础上总结得出结论，让学生参与知识的获取过程。得出结论后再次通过实物电路来验证结论，巩固学生的学习成果。

1.2 学法引导

利用教学过程进行学习方法的渗透。教学过程中分析问题时，注意抓住工作点稳定的本质，比较不同结构电路对工作点稳定带来的影响，注意总结规律，举一反三，促进学生掌握学习放大电路的有效方法，培养其自学能力使其今后能够有效快速地学习其他的模拟电路。

2 基于虚实结合的实验教学过程设计

2.1 提问式复习铺垫问题

在引入新的知识点前，教师通过提问方式帮助学生回顾基本放大电路知识点，并在此基础上进行优缺点归纳。该电路优点体现为结构简单，只要电源和基极固定、偏置电阻确定，基极电流也就确定，对应工作点大小也就确定；其缺点集中在电路本身不具备自动调节静态工作点的能力，Q点极易受温度或放大原件更换等因素的影响。从而引出工作点稳定问题：工程实践中使用的放大电路必须能够自动地实现Q点的稳定，以保证尽可能大的输出动态范围和避免非线性失真。

2.2 “虚实结合”的新课讲授

在教学中，教师通过虚实结合的手段以问题作为引导可以驱动学生进行探究式学习。

2.2.1 构建仿真演示

采用美国NI公司的电路仿真工具Multisim 10，教师可在计算机中直接构建出共射极基本放大仿真实验电路(如图1所示)，通过其提供的分析工具演示温度变化对于工作点的影响。

图1 共射极基本放大仿真电路

该电路采用+12 V直流电压供电，以2N222A作为放大元件。在其当前工作点下，输入10 mV频率为1 KHz的正弦信号，可以获得如图2所示输出波形。从中可以看到电路输出无失真现象，且利用输入输出波形的幅度可以计算得到放大倍数约为146倍。对于以上这些参数的获得，教师可以通过对学生的提问实现，不仅可以巩固关于电路参数的一些基本概念，同时还可以强调其输入、输出之间反相的特性。

图2 共射极基本放大仿真电路无失真放大波形

利用Multisim的温度扫描分析模块，教师可以演示上述电路当前静态工作状态下，其工作温度从10 ℃到100 ℃(以每10 ℃为间隔)变化这一过程中其集电极直流电位的变动情况，进而可以确定集电极电流的大小。

图3 共射极基本放大仿真电路温度扫描图

2.2.2 问题引导思考

教师针对上面的演示结果，采用提问方式驱动学生关注相关的实验现象：随着温度的升高，输出端的电位从4.8 V逐步下降到2.3 V，这意味着集电极的电流从3.6 mA上升到了4.85 mA，波动达到了50%以上，同时各个温度间隔之间的变化梯度也是逐步变小的。此时，引导学生获得结论：电路的工作点会随着温度上升产生上移现象。

在此基础上，教师拓展出新的问题“除了温度外，还有哪些情况可以引起工作点的变化？”通过问题引导学生思考，得出除了温度变化，电源电压波动、元件参数改变都有可能引起工作点的变动的结论。同时，教师也可以将这些变化情况对于电路工作点的具体影响情况作为探究式学习的内容布置给学生进行课外学习，加深对其理解[6]。

2.2.3 引入基极分压式射极偏置电路

在共射极基本放大电路基础上，教师利用课件以动画形式补充基极分压偏置结构，改画出分压式偏置放大原理电路图，引导学生观察比较固定偏置和分压式偏置放大电路的电路异同，并结合问题“添加的结构作用是什么？”对电路进行进一步分析。

此时，教师要求学生结合估算法自行对电路进行静态、动态分析，并邀请同学到黑板上展示分析结果。结合其分析过程，教师顺势引出电路分析中的重要结论：要使基极电位保持基本不变需要满足基极电流远小于分压结构中的电流这一前提；分压偏置结构中的电阻大小不能够随便设定，受到电流大小约束；发射极电阻构成了负反馈通道，本质上是采样集电极电流的变化，利用欧姆定律转换为电压变化，通过负反馈作用稳定静态工作点，因此在电路中也是不可或缺的。通过上述分析，学生自然而然就可以获得前面问题的答案。

在整个过程中，教师通过观察学生在分析环节的表现，了解学生知识点的实际掌握程度，为把握教学进度提供依据。引入的“反馈控制”概念为其后《电子电路的反馈》章节的教学也做好了知识铺垫。

2.2.4 “虚实结合”比较验证

在Multisim软件环境中，教师同样构建出基极分压式射极偏置放大仿真电路，并进行温度变化分析，如图4所示。

图4 分压式射极偏置放大仿真电路

利用温度扫描分析模块设置温度变化范围(从10 ℃到100 ℃变化，每10 ℃一个间隔)，观察电路工作点随温度的变化情况。从仿真结果(如图5所示)可以发现，随着温度从低到高，该电路输出电位从7.45 V下降到7.1 V，变化幅度比较小。集电极电流相应也从2.275 mA上升到2.45 mA，波动幅度从50%下降为4.6%，各温度间隔之间的变化梯度基本一致。提问学生比较前后变化，得到结论：基极分压式偏置式放大电路确实能够自动稳定静态工作点。

图5 分压偏置基本放大电路温度扫描图

由于电路仿真毕竟是一种基于数学模型的模拟手段，其与实际系统仍然具有差异性，是在一定范围内的近似。因此，在引入仿真软件这个虚拟手段的同时，如果配合以实物实验这个实际手段，可以做到互相印证，增强说服力。为了达到这个目标，课程中设计了如下的实物实验：按照上述2个仿真电路参数事先搭好实物电路并在课堂教学中展示，并用信号发生器提供两路大小一样的交流输入信号(10 mV峰-峰值，频率1 KHz)给上述2个电路。以家用吹风机作为热源加热电路，模拟电路工作环境温度变化的情况；用测温枪测量芯片温度变化；数字万用表实时检测量集电极静态电流，观察Q点变化；数字示波器在线监测输出信号波形，观察是否出现失真。在教学过程中，为了增加学生的参与感，邀请学生进行实验操作，从而提高教学的互动性。在实验操作中需要注意加温前2个电路的输出均没有出现失真；2个电路的状态要同步测量显示，需要保证测量仪表各有2个以上的通道；为了保证环境温度分布尽量均匀，需要来回摆动吹分机的风口，保证2个电路的受热基本一致。由于该升温过程需要一定的时间(特别是气温较低时)，如果考虑到学时限制，也可将该实物验证作为课后研究课题布置给学生，促进其实践研究能力的培养。

在实验完成后，教师通过提问总结观察结果，引导学生获得结论：静态工况下随着环境温度上升两个电路的集电极电流都变大，但是变化的幅度并不相同，差异程度与仿真的结果一致，但是在具体测量数据大小上与仿真结果有差异，这从一个侧面说明了仿真研究与实物实验之间的区别；在交流输入信号作用下随着温度上升共射极基本放大电路出现了饱和失真，而基极分压偏置基本放大电路工作波形保持正常，与仿真实验结论可以相互印证。

3 结语

静态工作点的稳定问题作为模拟电子技术课程的经典内容，比较抽象，学生在学习中普遍缺乏直观的认识。通过将虚拟仿真软件与实物电路引入课堂教学，利用“虚实结合”使得学生从直观上加深了对学习内容的认识与理解。并通过问题链式的启发式教学，从现象到本质、层层剖析电路的工作原理，引导学生在发现问题、探究原因的过程中深化对知识的认识与理解，在丰富知识体系的同时，更加完善了学习方法。