探究式教學(xué)模式下模擬運算實驗電路的設(shè)計

鄧文婷　楊汝　何最紅

摘要：針對傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)實驗教學(xué)過程中存在的教學(xué)內(nèi)容老化，以驗證性實驗為主的教學(xué)模式，教學(xué)手段單一等問題，對“模擬運算電路實驗”項目進行了優(yōu)化和改進，重新設(shè)計了實驗電路。實驗電路通過巧妙設(shè)計知識點，讓學(xué)生自主探究問題、解決問題，培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：運算放大器；模擬電子技術(shù)；探究式教學(xué)；實驗

中圖分類號：TN702 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）14-0216-02

Abstract： There are several problems in the traditional analog electronic experimental courses： the teaching content is aging ， the teaching mode is given priority to the verification experiments， single teaching means， and so on. In this paper， the " operational amplifier circuit "experiment has been optimized and improved， and the new experimental circuit has been designed. Several knowledge points have been used in the experimental circuit， students should explore and solve problems independently， this way can cultivate the students' self-study ability and innovation ability.

Key words：operational amplifier；analog electronic technology；exploratory teaching； experiments

大學(xué)教學(xué)不僅要向?qū)W生傳授知識，更要創(chuàng)造條件，引導(dǎo)學(xué)生自我探尋問題的解決之道，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。帶著問題去學(xué)習(xí)，讓學(xué)生始終保持好奇的心態(tài)，不斷探究，能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，超額完成教學(xué)任務(wù)，讓教學(xué)達到意想不到的效果。

在日常實驗教學(xué)中，經(jīng)過多年實踐，我們逐步發(fā)現(xiàn)，在對大學(xué)生教學(xué)中，應(yīng)該根據(jù)需要講授的知識點，不斷巧妙設(shè)計問題，不斷引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮個人能動性或者小團隊力量，從而培養(yǎng)學(xué)生良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，掌握科學(xué)的研究途徑，提升學(xué)生的素養(yǎng)和能力。

由于這些知識的獲取，是自己辛苦動手獲得的，學(xué)生倍感珍惜。實踐表明，每次嘗試探究式實驗教學(xué)，總會讓一些畢業(yè)生異常難忘，他們把這些實驗教學(xué)當(dāng)成難忘的大學(xué)生活重要組成部分。

1 模擬運算電路實驗教學(xué)過程中存在的主要問題

“模擬電子技術(shù)”課程是工科院校信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院類自動化、電氣、測控、電子等專業(yè)及相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課，具有較強的理論性和專業(yè)實踐性等特點 [1]，而《利用集成運算放大器組成的模擬運算電路》是“模擬電子技術(shù)”中關(guān)于應(yīng)用知識方面的主要內(nèi)容，是負(fù)反饋放大電路及集成運算放大器的進一步應(yīng)用和延伸，同時又為后序的波形發(fā)生電路打基礎(chǔ)。

原來，廣州大學(xué)在進行該項實驗時，主要是通過驗證的方式來熟悉由集成運算放大器組成的各種基本運算電路的功能，實驗采用分立元件來進行單個運算電路的搭建，由于課時有限，在規(guī)定的時間內(nèi)學(xué)生一般只能完成2個-3個基本運算電路的驗證。

根據(jù)2014年專業(yè)課程設(shè)置需要，基礎(chǔ)實驗課時在比例上有所減少，對于部分耗時長的驗證性實驗項目，廣州大學(xué)不僅要縮短搭建分立元件電路的時間，也要向應(yīng)用性方面靠攏，使實驗從簡單的驗證式過度到啟發(fā)式實驗，對學(xué)生實驗技能和實驗方法進行綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)和提高學(xué)生對知識綜合應(yīng)用的能力、分析和解決問題的能力。

2 模擬運算實驗改進電路的設(shè)計

實踐教學(xué)是彌補理論教學(xué)不足的重要手段，實踐教學(xué)不僅能鍛煉學(xué)生的動手能力，而且能加強學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力[2]。本次修訂的內(nèi)容將傾向于“簡化版”的綜合實驗，將試驗與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而不僅僅是簡單驗證理論的正確性。同時，實驗中還增加了課外設(shè)計的環(huán)節(jié)，要求學(xué)生自己設(shè)計出類似應(yīng)用電路，這樣有利于提高學(xué)生的實驗興趣，使之進一步體會到知識的關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性，培養(yǎng)其工程系統(tǒng)能力。

集成運算放大器是一種具有高電壓放大倍數(shù)的直接耦合多級放大電路。當(dāng)外部接入不同的線性或非線性元器件組成輸入和負(fù)反饋電路時，可以靈活地實現(xiàn)各種特定的函數(shù)關(guān)系。在線性應(yīng)用方面，可組成比例、加法、減法、積分、微分、對數(shù)等模擬運算電路[3]。

為了在同一個應(yīng)用電路中集成多種模擬運算電路，經(jīng)過多次比較和實驗，我們最終選用了光控實驗這一應(yīng)用電路。此實驗電路的設(shè)計思想是：光敏傳感器的輸出信號經(jīng)集成運放構(gòu)成的差動放大器放大后，通過同相比例運算電路、反相比例運算電路進行簡單運算，再由積分運算電路進行延時，經(jīng)過零比較器之后，最后由三極管放大后的輸出信號控制外電路的通、斷，從而實現(xiàn)光控。

本實驗電路綜合應(yīng)用了三門課程的四個知識點，分別為：光敏傳感器——分屬《傳感器原理及應(yīng)用》中的《傳感器分類及原理》知識點：光傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器；由運放組成差動輸入放大電路、同相比例運算電路、反相比例運算電路、積分運算電路——分屬《模擬電子技術(shù)》中的《信號的運算和處理》知識點；由運放組成的過零比較器——分屬《模擬電子技術(shù)》中的《波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換》知識點；由晶體管組成的脈沖大電流開關(guān)電路——分屬《數(shù)字電子技術(shù)》中的《晶體管開關(guān)電路》知識點[4]。

即輸出電壓[VO（t）]隨時間增長而線性下降。顯然[R13C1]的數(shù)值越大，達到給定的[VO]值所需的時間就越長。積分輸出電壓所能達到的最大值受集成運放最大輸出范圍的限值。

S2的設(shè)置一方面為積分電容放電提供通路，同時可實現(xiàn)積分電容初始電壓[VC10=0]，另一方面，可控制積分起始點，即在加入信號[VI]后，只要S2一打開，電容就將被恒流充電，電路也就開始進行積分運算。

3 模擬運算電路實驗的探索式教學(xué)

面對大學(xué)生的實驗教學(xué)，一定要深刻領(lǐng)會“教學(xué)相長”的含義，在教學(xué)中注重師生互動，教師應(yīng)將“我講你聽”“灌輸式”的傳統(tǒng)教學(xué)形式，改革為“在教師指導(dǎo)下的課外自學(xué)為主，在教師引導(dǎo)下的課堂研討為主”的教學(xué)形式。

通過探究式教學(xué)，在教師和學(xué)生彼此交流中，進一步增強大學(xué)生的獨立思考和動手能力，讓知識掌握更加牢固、全面，啟發(fā)學(xué)生進一步探索發(fā)現(xiàn)。

模擬運算改進實驗電路以日常生活中常用的“光控”引入，通過各個運算模塊來實現(xiàn)對電信號的放大、運算、延時等功能。各功能模塊之間沒有前后關(guān)聯(lián)性，學(xué)生可對單個功能模塊進行測試、可舍取部分功能模塊來進行測試，也可連接所有功能模塊進行聯(lián)調(diào)，同時還能觀察模塊與模塊之間的是否存在干擾現(xiàn)象。

在課堂上完成實驗測試后，學(xué)生可由此進行課外擴展，如設(shè)計“聲控”、“溫控”等應(yīng)用電路，運算模塊則可按需取舍。一般采用仿真的方式進行設(shè)計，學(xué)生設(shè)計電路時，首先要進行任務(wù)分解，其次要選擇能完成某個子任務(wù)的電路模塊，再選擇相應(yīng)元器件，完成單個模塊電路的設(shè)計，調(diào)試電路并觀察輸入輸出，在確定電路功能正確的基礎(chǔ)上，同理完成其他子任務(wù)。整個設(shè)計過程中學(xué)生完全是獨立的主體，教師可客觀地給出一些意見或建議。

4 結(jié)語

托馬斯·富勒曾經(jīng)說過“知識是珍寶，但實踐是得到它的鑰匙。”在教學(xué)過程中要保護好學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生去探索未知領(lǐng)域、未知事物，不斷增強其獲得知識與技能的幸福感，從而喚起學(xué)生潛在的學(xué)習(xí)自覺性。本文根據(jù)課程特色，結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計出模擬運算實驗改進電路，對實驗教學(xué)內(nèi)容進行了優(yōu)化和改進，該實驗項目既能實現(xiàn)基礎(chǔ)教學(xué)又能兼顧能力培養(yǎng)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、自學(xué)能力、動手能力，提高在實際工作中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

參考文獻：

[1] 王波，張巖.“模擬電子技術(shù)實驗”課程的改革[J].實驗室研究與探索，2013（4）.

[2] 李鐵軍，陳虹宇.“模擬電子技術(shù)”實驗課程的分層遞階圖式教學(xué)方法研究[J].中國電力教育[J]，2013（16）.

[3] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2001：312-331.

[4] 吳正光，鄭顏.電子技術(shù)實驗仿真與實踐[M].北京：科學(xué)出版社[M]，2008：78-83.