軍隊(duì)院校“模擬電路”基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

【摘""要】文章以立德樹(shù)人為根本遵循，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)，以課程思政為鑄魂育人的重要抓手，探索“裝備和工程實(shí)例牽引、突出問(wèn)題導(dǎo)向、課程思政與教學(xué)內(nèi)容全程一體融合”的教學(xué)模式，以“電壓比較器”為例闡述實(shí)例牽引、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、思政融合的教學(xué)思路，推動(dòng)“模擬電路”課程教學(xué)改革。實(shí)踐表明，教學(xué)改革提高了教學(xué)效果，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)獲得感，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)、辯證思維、系統(tǒng)觀念和分析解決問(wèn)題能力。【關(guān)鍵詞】教學(xué)改革；問(wèn)題驅(qū)動(dòng)；課程思政；“模擬電路”課程一、引言“模擬電路”是入門(mén)性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課程[1]。由于課程理論抽象，器件種類(lèi)多樣，分析方法靈活，實(shí)踐環(huán)節(jié)煩瑣，導(dǎo)致學(xué)生普遍存在畏難心理，學(xué)習(xí)過(guò)程中偏重于機(jī)械記憶，不深入理解思考，學(xué)習(xí)浮于表面，忽略對(duì)知識(shí)的融會(huì)貫通，不會(huì)靈活運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題。受到學(xué)時(shí)的限制，學(xué)生易重視理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，而忽視工程應(yīng)用背景和實(shí)踐環(huán)節(jié)，而且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往是基礎(chǔ)通識(shí)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多，創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)少，教學(xué)方法單一，學(xué)生雖然掌握了電子技術(shù)基本知識(shí)，但工程意識(shí)、系統(tǒng)思維、分析解決問(wèn)題能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力發(fā)展受限[2-3]。二、“模擬電路”課程教學(xué)改革思路為解決上述問(wèn)題，課程組從更新教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、思政一體融合等方面開(kāi)展課程教學(xué)改革，凝練出“實(shí)例牽引、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、思政融合”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路。結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，更新教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建“基礎(chǔ)+應(yīng)用+前沿”的多層次教學(xué)內(nèi)容體系。梳理課程內(nèi)容與任職專(zhuān)業(yè)、艦艇裝備的結(jié)合點(diǎn)，收集軍事應(yīng)用電路素材，建設(shè)裝備和工程案例庫(kù)。將軍事和工程實(shí)例通過(guò)引例導(dǎo)入、強(qiáng)化練習(xí)、案例分析、實(shí)際應(yīng)用、功能提升等環(huán)節(jié)貫穿于課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生分析電子電路的能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。關(guān)注能力生成，改進(jìn)教學(xué)方法，創(chuàng)新“任務(wù)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題鏈教學(xué)法”[4]。課程組運(yùn)用辯證唯物主義矛盾分析法，將課程的重難點(diǎn)，即將單元電路和應(yīng)用電路分解為由一系列環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)的問(wèn)題鏈連接起來(lái)的電路階梯，引導(dǎo)學(xué)生將學(xué)習(xí)新知轉(zhuǎn)化為發(fā)現(xiàn)探究的過(guò)程，強(qiáng)化辯證思維和系統(tǒng)觀念，提高學(xué)生運(yùn)用辯證唯物主義世界觀和方法論的自覺(jué)意識(shí)。堅(jiān)持思政引領(lǐng)，提升育人成效，推進(jìn)多元化課程思政建設(shè)。課程組結(jié)合課程特點(diǎn)，從辯證唯物主義基本原理與課程內(nèi)容全程一體融合、科學(xué)精神培養(yǎng)、文化藝術(shù)熏陶等方面深度挖掘和整合課程的思政資源，建立并完善課程思政資源庫(kù)，制定課程思政實(shí)施方案，將思政元素貫穿育人全過(guò)程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，加深對(duì)課程內(nèi)容的理解，感悟馬克思主義真理的力量，全面提升綜合素質(zhì)。三、“實(shí)例牽引、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、思政融合”的教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施文章以“模擬電路”課程中的“電壓比較器”為例，介紹“實(shí)例牽引、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、思政融合”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路，教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。（一）引例設(shè)疑，需求分析隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入了信息化和智能化時(shí)代。相比于傳統(tǒng)路燈，光控路燈不僅給行人帶來(lái)更大的方便，還能自動(dòng)切換路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有效降低路燈管理和維護(hù)費(fèi)用。教師從應(yīng)用需求出發(fā)，提出問(wèn)題1：光控路燈的原理和組成是什么？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析。首先要有光傳感器，把監(jiān)測(cè)到的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，記為vi，光越強(qiáng)，vi越大，設(shè)定光強(qiáng)到一定值時(shí)，路燈就熄滅，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓記為參考電壓VREF。其次為實(shí)現(xiàn)光控路燈功能，需要將vi和VREF進(jìn)行比較，比較的結(jié)果可以用電壓的高低電平來(lái)區(qū)分。在電子電路中，這種對(duì)2個(gè)輸入電壓進(jìn)行大小比較，在輸出端用高、低電平給出比較結(jié)果的電路被稱(chēng)為電壓比較器[5]。為了更直觀形象地表示電壓比較器的功能，教師可以采用曲線的形式描述輸出電壓vo與輸入電壓vi的函數(shù)關(guān)系，即比較器的電壓傳輸特性，然后與學(xué)生互動(dòng)，分析光控路燈電路中電壓比較器的傳輸特性。（二）回顧遷移，構(gòu)造電路教師在分析出功能和特性的基礎(chǔ)上，提出問(wèn)題2：選擇什么器件構(gòu)造電壓比較器？啟發(fā)學(xué)生思考傳輸特性和理想集成運(yùn)放的電壓傳輸特性，用工作在非線性區(qū)的運(yùn)放器件構(gòu)造電壓比較器。接著提出問(wèn)題3：如何利用運(yùn)放設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)光控路燈的功能？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析。將光控路燈“vilt;VREF，vo＝VOH；vigt;VREF，vo＝VOL”的需求和運(yùn)放“vPgt;vN，vo＝+Vom；vPlt;vN，vo＝-Vom”的特性做對(duì)比發(fā)現(xiàn)，令vN接輸入信號(hào)vi，vP接參考電壓VREF，就構(gòu)成了一個(gè)最基本的電壓比較器。在電壓比較器中，輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)對(duì)應(yīng)輸入電壓的值稱(chēng)為門(mén)限電壓或閾值電壓。根據(jù)運(yùn)放的特性，令同相端電壓和反相端電壓相等時(shí)求得的vi值即為門(mén)限電壓。電壓比較器不只應(yīng)用于光控路燈，在心率監(jiān)測(cè)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制、水雷觸發(fā)等場(chǎng)合都有廣泛應(yīng)用。教師根據(jù)電壓比較器的不同應(yīng)用需求場(chǎng)景，提出問(wèn)題4：如何改變門(mén)限電壓？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析?？梢哉{(diào)整參考電壓VREF的方案，但可調(diào)直流電源的便利性和可操作性遠(yuǎn)不如可調(diào)電阻，所以，可以加入2個(gè)電阻分壓以達(dá)到調(diào)節(jié)門(mén)限電壓的目的。由此，學(xué)生總結(jié)出電壓比較器的分析方法：一是“虛斷”，這是由運(yùn)放器件自身特性決定的，是內(nèi)因；二是比較同相端和反相端電壓，vPgt;vN時(shí)vo＝+Vom，vPlt;vN時(shí)vo＝-Vom，這是由于外部結(jié)構(gòu)的連接使運(yùn)放工作在非線性區(qū)，是外因。上述構(gòu)造電路的過(guò)程是先基于運(yùn)放器件具有非線性特性和輸出二值性這樣的內(nèi)因，再給它接上信號(hào)和電阻，創(chuàng)造合適的外部條件，才實(shí)現(xiàn)了比較器功能。此處，教師可利用內(nèi)外因辯證原理開(kāi)展課程思政，啟發(fā)學(xué)生在觀察事物、分析問(wèn)題時(shí)，要堅(jiān)持運(yùn)用內(nèi)外因相結(jié)合的方法。內(nèi)外因辯證關(guān)系具有重要的方法論意義，指導(dǎo)學(xué)生踏實(shí)做好日常工作，修好“內(nèi)功”，并不失時(shí)機(jī)地抓住外部機(jī)遇，促進(jìn)個(gè)人發(fā)展。教師從實(shí)際需求出發(fā)，分別通過(guò)框圖、數(shù)學(xué)表達(dá)式和電壓傳輸特性等方面對(duì)光控路燈電路進(jìn)行分析，這是從具體到抽象；接著利用先修知識(shí)分析解決這個(gè)抽象問(wèn)題，并生成了單限比較器這個(gè)新知識(shí)，這又是從抽象到具體的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，教師運(yùn)用了歸納與演繹、抽象與具體的辯證思維方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力。（三）仿真驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題設(shè)計(jì)的電路能否實(shí)現(xiàn)光控路燈功能，可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真環(huán)境下搭建單門(mén)限電壓比較器，設(shè)置參考電壓為3V，運(yùn)放反相端接一個(gè)按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)的電壓，模擬黎明時(shí)分光線逐漸變強(qiáng)的過(guò)程，用示波器觀察輸入輸出波形和小燈的亮滅。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了前面設(shè)計(jì)的電路能實(shí)現(xiàn)光控路燈功能。教師根據(jù)實(shí)際情況，提出問(wèn)題5：它能應(yīng)用到實(shí)際光控路燈中嗎？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析。對(duì)于實(shí)際路燈來(lái)說(shuō)，它不是處于真空狀態(tài)，天空中的烏云、霧氣、周?chē)墓庠吹榷紩?huì)對(duì)它附近的光強(qiáng)造成影響。對(duì)此，學(xué)生需要通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)觀察受到干擾的輸入電壓作用于單限比較器時(shí)的輸出情況。學(xué)生通過(guò)新的仿真電路發(fā)現(xiàn)，單限比較器的輸入遇到門(mén)限電壓時(shí)，輸出就跳變，靈敏度高，但如果干擾在門(mén)限電壓附近造成光線變化過(guò)程中出現(xiàn)了曲折，抗干擾能力就差。抗干擾能力差會(huì)造成誤判，如路燈的頻繁亮滅。（四）圍繞特性，改進(jìn)電路教師根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象，提出問(wèn)題6：如何提高比較器的抗干擾能力？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析。先假設(shè)黎明時(shí)分光線逐漸增強(qiáng)，vi變大，超過(guò)設(shè)置的門(mén)限電壓VT，輸出低電平，將燈熄滅，接著光線繼續(xù)增強(qiáng)，燈維持滅的狀態(tài)。如果此時(shí)突然飄來(lái)一陣霧氣，使路燈附近局部的光強(qiáng)暫時(shí)減弱，小于VT時(shí)，并不希望輸出電壓因?yàn)檫@個(gè)干擾發(fā)生跳變，而希望它有一定“容忍度”，或者說(shuō)“反應(yīng)遲鈍”一些，在受到霧氣干擾時(shí)仍能保持滅的狀態(tài)，所以，此時(shí)由低電平跳變到高電平的門(mén)限就不再是VT，要比它小一些，記為VT-。因此，即使光線受到干擾在VT附近減小了，但只要沒(méi)減小到VT-，輸出繼續(xù)保持低電平狀態(tài)，燈就不會(huì)亮。教師引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)分析夜幕降臨光線逐漸減弱的情況。當(dāng)vi變小，低于設(shè)置的門(mén)限電壓VT時(shí)，輸出高電平，燈亮。如果光線繼續(xù)減弱，燈維持亮的狀態(tài)沒(méi)問(wèn)題，但如果突然受到車(chē)燈或其他光源的干擾，路燈附近的光強(qiáng)暫時(shí)增大，超過(guò)VT，仍希望路燈繼續(xù)保持原來(lái)亮的狀態(tài)，所以，將輸出由高電平跳變到低電平的門(mén)限設(shè)置得比VT大一些，記為VT+。這樣，即使光線受到干擾在VT附近增大了，但只要沒(méi)增大到VT+，輸出繼續(xù)保持高電平狀態(tài)，燈就不會(huì)滅。改進(jìn)后的傳輸特性為輸入信號(hào)由小到大變化和由大到小變化時(shí)的門(mén)限電壓不一樣，即“不走回頭路”。單限比較器在門(mén)限電壓處雙向靈敏，只要穿越門(mén)限就跳變，抗干擾能力差，而改進(jìn)后的特性沿某一方向越過(guò)門(mén)限電壓發(fā)生跳變后，再沿反方向變化時(shí)，輸出的跳變發(fā)生在另一個(gè)門(mén)限電壓處，即反方向的跳變點(diǎn)延遲或者滯后了，因此抗干擾能力增強(qiáng)。具有這種傳輸特性的比較器被稱(chēng)為遲滯比較器。（五）分析原理，仿真驗(yàn)證電路改進(jìn)完畢，教師提出問(wèn)題7：遲滯比較器是否具備遲滯特性？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行如下分析。先分析工作原理，假設(shè)vilt;VT-，一定也小于VT+，所以，此時(shí)反相端電壓一定小于同相端電壓，輸出高電平。輸出高電平就決定了此時(shí)同相端電壓是VT+，隨著輸入電壓逐漸增大，當(dāng)增大到VT時(shí)，輸出才從高電平跳變到低電平。在輸出跳變到-Vom時(shí)，門(mén)限電壓也隨之改變，變?yōu)閂T-，所以，輸入電壓vi從大于VT+開(kāi)始減小，減到VT+時(shí)并不會(huì)發(fā)生跳變，因?yàn)榇藭r(shí)的門(mén)限電壓是VT-，當(dāng)vi減小到VT-時(shí)，輸出才從低電平跳變到高電平。輸出跳變到高電平后，門(mén)限電壓又隨之變?yōu)閂T+，如此不斷，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了遲滯特性。學(xué)生分析后再借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證遲滯比較器能否解決霧氣干擾造成路燈頻繁亮滅的問(wèn)題。在仿真環(huán)境下搭建含遲滯比較器的光控路燈電路，設(shè)置好元件參數(shù)，用示波器觀察輸入輸出波形和小燈的亮滅。仿真結(jié)果表明，當(dāng)輸入信號(hào)受到干擾時(shí)，輸出并沒(méi)有頻繁跳變，小燈也不再閃爍?？梢?jiàn)，遲滯比較器具有一定的抗干擾能力，能克服霧氣對(duì)光強(qiáng)的干擾。以上是理論分析和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了其實(shí)踐創(chuàng)新能力。隨后，教師布置實(shí)踐作業(yè)，要求學(xué)生課后在面包板上搭建基于單限比較器和遲滯比較器的光控路燈電路，調(diào)整參數(shù)，觀察現(xiàn)象，對(duì)比分析。（六）特性對(duì)比，總結(jié)提升從結(jié)構(gòu)上看，單限比較器是開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，遲滯比較器引入正反饋。從電壓傳輸特性上看，單限比較器只有1個(gè)門(mén)限電壓，靈敏度高，但也“固執(zhí)”和“嚴(yán)格”，非此即彼，也就是抗干擾能力差；而遲滯比較器有2個(gè)門(mén)限電壓，有一定的“容忍度”，能承受一定范圍的變化，抗干擾能力強(qiáng)。遲滯比較器的抗干擾能力用回差電壓ΔVT來(lái)衡量，ΔVT越大，電路維持原狀態(tài)的范圍越寬，抗干擾能力越強(qiáng)；ΔVT越小，抗干擾能力越弱。但ΔVT不是越大越好，ΔVT太大，該跳變的時(shí)候則不跳變了，所以抗干擾能力增強(qiáng)的同時(shí)也帶來(lái)了靈敏度下降的問(wèn)題?？梢?jiàn)，抗干擾能力和靈敏度是一對(duì)兒矛盾，實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)具體情況在這兩者間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。學(xué)生在日常學(xué)習(xí)、工作和生活中，以及處理人際關(guān)系時(shí)，也要在嚴(yán)格和寬容之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。四、結(jié)束語(yǔ)文章以設(shè)計(jì)光控路燈電路為任務(wù)，圍繞電壓傳輸特性，由具體需求到抽象分析，再到具體實(shí)現(xiàn)，由個(gè)別電路到一般分析方法，由器件內(nèi)因到創(chuàng)設(shè)外因，依次設(shè)計(jì)出了單限比較器和遲滯比較器，并對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比。在教學(xué)過(guò)程中，教師始終以實(shí)際應(yīng)用需求為牽引，以一系列環(huán)環(huán)相扣、層層遞進(jìn)的問(wèn)題為主線，引導(dǎo)學(xué)生在發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的過(guò)程中創(chuàng)新運(yùn)用已有知識(shí)，逐步形成新的知識(shí)，學(xué)以致用，理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)系統(tǒng)觀念及分析解決問(wèn)題能力[6]。內(nèi)容主線與邏輯思維主線交織并行，相輔相成。學(xué)生在學(xué)習(xí)電壓比較器的工作原理、參數(shù)計(jì)算和傳輸特性的同時(shí)，體會(huì)蘊(yùn)含