基于虛擬仿真模式下模擬電子技術(shù)教學(xué)改革探究

李宏杰，趙建周

（安陽工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 45500）

0 引言

模擬電子技術(shù)是高等院校所有強(qiáng)電和弱電類專業(yè)必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。通過該課程學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生掌握半導(dǎo)體器件、模擬電子線路及系統(tǒng)的概念和知識(shí)，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)以及更高級(jí)的中大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)做好知識(shí)儲(chǔ)備。然而，由于模擬電子技術(shù)課程具有物理概念抽象、分析方法復(fù)雜、工程特點(diǎn)突出等特點(diǎn)，因此學(xué)生普遍反映該課程學(xué)習(xí)起來理解難，掌握難，入門難[2]。加之傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)課程講授模式通常以教師課堂灌輸理論知識(shí)為主，缺乏實(shí)踐動(dòng)手調(diào)試電路過程，因此學(xué)生學(xué)起來感覺難上加難。

虛擬仿真技術(shù)是國(guó)家教育部在2013年提出并引入到高等教育改革中。虛擬仿真技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各高校優(yōu)質(zhì)資源開放共享，把各高校自身學(xué)科優(yōu)勢(shì)與專業(yè)特色更好地結(jié)合，建立優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的開放共享學(xué)術(shù)環(huán)境[3]。虛擬仿真技術(shù)是把虛擬現(xiàn)實(shí)、人機(jī)交互、大數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)結(jié)合起來，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)過程中的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)電子線路、實(shí)驗(yàn)電子元器件的搭建和仿真[4]。

本文采用Multisim10和HSPICE仿真軟件對(duì)傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改革探究，分別從電路板級(jí)和晶體管級(jí)進(jìn)行模擬仿真，把抽象的物理概念和電子線路系統(tǒng)通過虛擬仿真技術(shù)客觀地展現(xiàn)出來，增加了學(xué)生的理解深度，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬了學(xué)生的創(chuàng)新思維。因此探究虛擬仿真模式下的模擬電子技術(shù)改革具有較好的應(yīng)用意義。

1 課堂教學(xué)內(nèi)容改革

1.1 虛擬仿真模式下的理論教學(xué)內(nèi)容

隨著電子技術(shù)新工藝、新技術(shù)、新方法的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容已經(jīng)不能較好地滿足人才培養(yǎng)和社會(huì)發(fā)展需要[5]。傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容主要體現(xiàn)為：①課程概念多、符號(hào)多、器件類型多、分析方法多。②課程知識(shí)點(diǎn)比較分散，理論銜接少，綜合運(yùn)用幾乎無。③課程知識(shí)較為陳舊，教材只注重理論分析，缺少工程實(shí)踐運(yùn)用[6]。以上三方面的缺點(diǎn)制約了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維，不利于學(xué)生對(duì)于課程知識(shí)的掌握和運(yùn)用。

本文提出的基于虛擬仿真模式下的理論教學(xué)內(nèi)容作了以下三方面探究：

第一，在課程知識(shí)點(diǎn)講授上采用工程項(xiàng)目向?qū)Х?，按照“提出問題，分析問題，解決問題”三步走策略。以設(shè)計(jì)一個(gè)固定直流穩(wěn)壓電源為例。第一步，給學(xué)生提出設(shè)計(jì)一個(gè)固定直流穩(wěn)壓電源的命題，使他們知道模擬電子技術(shù)可以解決該類實(shí)際工程問題。第二步，跟學(xué)生一起分析設(shè)計(jì)固定直流穩(wěn)壓電源所需電路結(jié)構(gòu)。欲使220V工頻交流電變成5V固定直流穩(wěn)壓電源，電路系統(tǒng)應(yīng)包含四部分子電路：①變壓器子電路。通過該電路首先把220V的工頻電壓變成5V左右的目標(biāo)電壓。②整流子電路。通過該電路給學(xué)生講解整流原理，利用二極管中PN結(jié)的單向?qū)щ娦钥梢詫?shí)現(xiàn)電壓波形整流。具體整流方法包括半波整流法、全波整流法、橋式整流法。③濾波子電路。通過給學(xué)生講解電容、電感的物理模型和基本原理以及電路頻率響應(yīng)方面的知識(shí)，利用電容、電感實(shí)現(xiàn)電壓波形濾波。④穩(wěn)壓子電路。通過該電路講解穩(wěn)壓管原理以及集成穩(wěn)壓芯片的功能和使用。第三步，確定固定直流穩(wěn)壓電源各子電路后，給學(xué)生發(fā)放電子元器件進(jìn)行焊制電路板。首先通過Altium Designer軟件繪制電路板圖并且進(jìn)行制板，制板完成后進(jìn)行焊接元器件，最終進(jìn)行實(shí)物調(diào)試測(cè)試。這樣一個(gè)固定直流穩(wěn)壓電源就按照工程向?qū)ХㄔO(shè)計(jì)完成了。通過該項(xiàng)目，學(xué)生在解決實(shí)際工程問題中學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)課程中的知識(shí)鏈，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維。除了直流穩(wěn)壓電源以外，課程的其他內(nèi)容也可以按照工程向?qū)Х▉碇v，如信號(hào)運(yùn)算處理電路、功率放大電路、波形產(chǎn)生和處理電路等。

第二，在模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中引入虛擬仿真軟件的學(xué)習(xí)。隨著電子技術(shù)的日益更新，各類計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件層出不窮。其中美國(guó)國(guó)家儀器（NI）推出的電子設(shè)計(jì)仿真軟件Multisim10和目前中大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中廣泛采用的仿真軟件HSPICE就是很好的代表。通過學(xué)習(xí)Multisim10仿真軟件，學(xué)生可以把所學(xué)的模擬電子技術(shù)知識(shí)通過仿真直觀展現(xiàn)開來。通過HSPICE仿真軟件可以從更底層的半導(dǎo)體器件及對(duì)電路進(jìn)行模擬仿真，通過搭建模擬電子線路和設(shè)置各類晶體管的參數(shù)，最終可以從仿真結(jié)果中得到電路性能的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)。

第三，在模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中加入大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的知識(shí)。隨著大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽越來越有影響力，近年來許多世界知名企業(yè)也都積極加入進(jìn)來，使其命題越來越具有工程實(shí)用價(jià)值。回顧歷年電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的題目，通常包含以下幾個(gè)類型：電源類、信號(hào)源類、自動(dòng)控制類、無線電技術(shù)類、儀器儀表類。所涵蓋的知識(shí)點(diǎn)包括：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、高頻電子線路、可編程邏輯器件等[7]。因此在模擬電子技術(shù)理論教學(xué)中加入一些電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中關(guān)于模擬電子技術(shù)的命題，啟發(fā)了學(xué)生的發(fā)散思維，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.2 虛擬仿真模式下的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

傳統(tǒng)模擬電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)主要采用模擬實(shí)驗(yàn)箱方式，即學(xué)生通過使用實(shí)驗(yàn)箱上現(xiàn)成的集成模塊，用插線來構(gòu)造各類模擬電路[8]。但是這種傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)方式存在諸多弊端：①由于模擬實(shí)驗(yàn)箱采用插線孔方式，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中容易造成插針折斷、接觸不良等問題。另外，隨著機(jī)箱設(shè)備老化、插線虛斷等問題，影響實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論。②模擬實(shí)驗(yàn)箱采用模塊化集成方式，只包含了一些課本上涉及的知識(shí)模塊，如：電子元器件、運(yùn)算處理電路、功率放大電路等。如學(xué)生想要做一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，學(xué)校必須從廠家購(gòu)買新的模塊，增加了實(shí)驗(yàn)成本，另外一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)并沒有現(xiàn)成模塊。③采用實(shí)驗(yàn)箱集成模塊化實(shí)踐教學(xué)方式，時(shí)間久了學(xué)生就會(huì)形成固定模塊化思維，認(rèn)為模擬電子技術(shù)只能做些課本實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，制約了他們的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。

基于虛擬仿真模式下的實(shí)踐教學(xué)改革作了以下兩方面探究：

圖1 固定直流穩(wěn)壓電源仿真原理圖

圖2 固定直流穩(wěn)壓電源實(shí)物圖

第一，采用美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）的仿真軟件Multisim10代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬實(shí)驗(yàn)箱做一些綜合類實(shí)驗(yàn)。

由于綜合類實(shí)驗(yàn)所需的子電路模塊較多，電路較為復(fù)雜，因此可以嘗試讓學(xué)生用Multisim10仿真軟件設(shè)計(jì)該類實(shí)驗(yàn)。圖1為基于Multisim10設(shè)計(jì)的固定直流穩(wěn)壓電源，其中包括了整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。電路的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)可以通過仿真進(jìn)行調(diào)試。圖2為通過Multisim10設(shè)計(jì)完成電路后動(dòng)手制作的固定直流穩(wěn)壓電源實(shí)物。

第二，采用HSPICE仿真軟件從晶體管級(jí)對(duì)模擬電子線路進(jìn)行仿真。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成電路工藝在電子產(chǎn)品研發(fā)中越來越重要，因此模擬電子技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)相應(yīng)地增加集成電路設(shè)計(jì)的內(nèi)容。例如：教材中關(guān)于集成運(yùn)算放大器只介紹差分輸入級(jí)、中間放大電路、功率輸出級(jí)、電流偏置，具體各部分電路結(jié)構(gòu)以及各元器件參數(shù)指標(biāo)都沒有提及，學(xué)生學(xué)習(xí)完之后仍然無法更深層次理解相關(guān)知識(shí)。HSPICE仿真軟件可以從晶體管級(jí)對(duì)電路進(jìn)行仿真調(diào)試。圖3為基于HSPICE設(shè)計(jì)的集成運(yùn)算放大器仿真原理圖。

圖3 集成運(yùn)算放大器仿真原理圖

2 課堂教學(xué)方式改革

傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)課堂教學(xué)方式是采用教師灌輸法，即通過學(xué)生課前預(yù)習(xí)，教師上課講授，學(xué)生下課作業(yè)的方式?；谔摂M仿真模式下的模擬電子技術(shù)課程教學(xué)采用“理論講授+虛擬仿真+課后實(shí)踐”模式，即教師在課堂上采用工程項(xiàng)目向?qū)Х?，把一個(gè)工程項(xiàng)目類的所有知識(shí)鏈按照正常的教學(xué)計(jì)劃向?qū)W生講授，學(xué)生在掌握該項(xiàng)目所需知識(shí)后先通過Multisim10或HSPICE軟件進(jìn)行虛擬仿真，電路功能確認(rèn)實(shí)現(xiàn)后再進(jìn)行動(dòng)手實(shí)物焊接和調(diào)試。

3 課堂教學(xué)考核方式改革

為了能夠準(zhǔn)確而全面地考核學(xué)生在一學(xué)期內(nèi)對(duì)于模擬電子技術(shù)的掌握程度，期末考試采用“試卷考核+項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)考核+日常表現(xiàn)考核”形式。試卷考核方式采用百分制，試卷內(nèi)容將涵蓋課本理論和虛擬仿真知識(shí)。主要考查學(xué)生對(duì)于理論知識(shí)和虛擬仿真知識(shí)的掌握情況，其成績(jī)占綜合成績(jī)的50%。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)考核也采用百分制，主要考查學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)際動(dòng)手能力。具體形式為教師給出若干道項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)類命題，其主要內(nèi)容涵蓋模擬電子技術(shù)知識(shí)，然后由學(xué)生隨機(jī)抽題進(jìn)行作答，兩周后學(xué)生以（工程項(xiàng)目文件+實(shí)物演示）的形式進(jìn)行考核試卷提交。其中工程項(xiàng)目文件包括：仿真原理圖、電子元器件參數(shù)表、PCB原理繪制圖。實(shí)物演示部分由學(xué)生當(dāng)面向教師演示實(shí)物功能。項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)考核成績(jī)占綜合成績(jī)的30%，日常課堂表現(xiàn)與課后作業(yè)完成情況占20%，最終綜合成績(jī)合格的學(xué)生拿到相應(yīng)的學(xué)績(jī)績(jī)點(diǎn)。實(shí)踐證明：該課程教學(xué)考核方式符合應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)目標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文提出的基于虛擬仿真模式下的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革分別從理論教學(xué)內(nèi)容改革、實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容改革、課堂教學(xué)方式改革、課堂教學(xué)考核方式改革進(jìn)行探究。實(shí)踐證明基于虛擬仿真模式下的模擬電子技術(shù)教學(xué)改革增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動(dòng)手能力，同時(shí)提高了學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，為學(xué)生今后從事相關(guān)工作做好知識(shí)儲(chǔ)備，能夠較好地滿足應(yīng)用型本科院校的人才培養(yǎng)目標(biāo)。