王志功，徐 建，馬 力，趙鑫泰，王巍巍

(1.東南大學(xué)射頻電路與系統(tǒng)教育部工程研究中心，江蘇南京210096;2.南京矽志微電子有限公司，江蘇南京210096)

0 引言

“電路與電子電路”課程是電子信息類專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，其工程性和實踐性非常強。它所涉及的基本理論、基礎(chǔ)知識和基本方法對本科生的培養(yǎng)起著重要的作用。如果學(xué)生沒有工程經(jīng)驗或者工程經(jīng)驗不足，理解起來會很吃力。因此，提高這兩門課的教學(xué)質(zhì)量，一直是高校教學(xué)研究和改革的重點[1]。

傳統(tǒng)的電路課程教學(xué)中，在講到電池、電阻、電容、電感、變壓器、濾波器和傳輸線時，學(xué)生通常只能從教材的圖示中了解，很少有實物展示，學(xué)生缺乏感性認識。很多高校教師也許很少有機會接觸教材上介紹的所有元器件。雖然有的學(xué)生在電工電子實驗室里會接觸到部分元器件，但全面和系統(tǒng)化展現(xiàn)元器件，在國內(nèi)高校實驗室里尚不多見。由于學(xué)生不能在課堂上直觀認識該課程中所涉及的全部電路器件，只有模糊的概念，會影響該課程的教學(xué)效果。

在“電子線路”課程教學(xué)中，則要涉及很多電路設(shè)計的理論。由于學(xué)生缺乏感性的認識，存在著和電路課程教學(xué)中相似的問題。為了增強教學(xué)效果，高校近年來紛紛引入了多媒體教學(xué)，通過動畫或視頻圖像來介紹演示電路元器件和電路等。文獻[2]就曾對這些教學(xué)方式做出過探討。

針對上述背景，五年來，在我校“高等理工實驗班”教育創(chuàng)新計劃支持下，實現(xiàn)了“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學(xué)[3]，我們還編寫出版了“電路與電子線路基礎(chǔ)”(電路部分和電子線路部分)一套兩本教科書[3，4]。另一方面，開發(fā)出了一套12塊教學(xué)博物實驗板，包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線、濾波器，二極管、三極管、場效應(yīng)管、功率放大器、運算放大器和振蕩器。在此基礎(chǔ)上，我們與國際知名的ADI公司合作建立起一套虛實結(jié)合的電子多媒體教學(xué)系統(tǒng):通過USB連接線將PC機、模擬電路設(shè)計套件和教學(xué)博物實驗板三者連接起來。學(xué)生通過這套系統(tǒng)，可以迅速地搭建具有實際功能的模擬電路，實現(xiàn)電路和電子線路的仿真與測試。

大規(guī)模網(wǎng)上公開課MOOC(慕課)教學(xué)方式對各類課程教學(xué)模式和教學(xué)體制產(chǎn)生了重大影響。而慕課在工程類課程教學(xué)方面目前面臨的最大問題就是實驗教學(xué)問題。解決這一問題的一種可能就是開發(fā)可以個體化操作的實驗平臺。我們研發(fā)的博物實驗板希望能成為電路與電子線路類課程慕課方式教學(xué)的一個組成部分。

本文介紹我校開發(fā)的“電路與電子線路基礎(chǔ)”課程教學(xué)博物實驗板的原理和功能，同時介紹了ADI公司開發(fā)的模擬電路測試工具和系統(tǒng)，并展示了兩者如何結(jié)合以實現(xiàn)課堂上的教學(xué)實踐并探討了其效果和意義。這套博物實驗板分為電路和電子線路兩部分。

1 電路教學(xué)博物實驗板

電路實驗板部分包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線和濾波六塊。

1)電池

紐扣電池包括水銀電池、空氣電池、氧化銀電池和堿性電池等四種，另外還有各種尺寸的錳鋅電池、堿性電池和鎳鎘電池，如圖1所示。

2)電阻

電阻包括貼片電阻、繞線電阻、水泥電阻、薄膜電阻、合成電阻，以及可變電阻和集成電路電阻，如圖2所示。

圖1 電池博物實驗板

圖2 電阻博物實驗板

3)電容

電容包括可變電容、貼片電容、陶瓷電容、薄膜電容、紙介電容、云母電容、電解電容和電雙層電容，如圖3所示。

圖3 電容博物實驗板

4)電感和變壓器

電感和變壓器包括貼片繞線電感、固定線圈電感、磁珠、環(huán)形電感、巴倫和變壓器，如圖4所示。

圖4 電感和變壓器博物實驗板

5)傳輸線

傳輸線部分包括扁饋線、二芯電纜和同軸線，以及微帶線和共面波導(dǎo)組成的相關(guān)電路，如圖5所示。

圖5 傳輸線博物實驗板

6)濾波器

濾波器部分有切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器、巴特沃斯濾波器和橢圓濾波器，以及陶瓷濾波器，晶體濾波器和聲表面波濾波器，如圖6所示。

圖6 濾波器博物實驗板

2 電子線路教學(xué)博物實驗板

電子線路實驗板部分包括:二極管、三極管、場效應(yīng)管、功率放大器、運算放大器和場效應(yīng)管六塊。

1) 二極管

器件部分包括整流二極管、檢波二極管、齊納二極管、肖特基二極管、激光二極管、發(fā)光二極管、光電二極管和真空電子管;電路部分包括穩(wěn)壓電路、橋式整流電路和調(diào)幅檢波電路，如圖7所示。

圖7 二極管博物實驗板

2)雙極型晶體管

器件部分包括了各種常用的低頻、高頻、小功率和大功率雙極型三極管;電路部分包括雙極型三極管的典型電路，如共基、共發(fā)、共集組態(tài)電路、達靈頓晶體管電路、電流源電路和差動電路，如圖8所示。

圖8 三極管博物實驗板

3)場效應(yīng)管

場效應(yīng)管部分包括部分類型的場效應(yīng)管以及采用場效應(yīng)管的典型電路，如圖9所示。

圖9 場效應(yīng)管博物實驗板

4)功率放大器

功率放大器包括甲類功放、乙類功放、甲乙類功放、丙類功放和丁類功放，如圖10所示。

圖10 功率放大器博物實驗板

5)運算放大器

運算放大器部分包括基于運算放大器組成各種典型電路:反相比例放大電路、同相比例放大電路、相加法器、法運算電路、積分器和微分器，實驗板如圖11所示。

圖11 運算放大器電路博物實驗板

6)振蕩器

振蕩器部分包括RC橋式振蕩器、多諧振蕩器、電容三點式振蕩器和石英晶體振蕩器，實驗板如圖12所示。

圖12 振蕩器博物實驗板

3 教學(xué)博物實驗板在教學(xué)上的使用

電路和電子線路兩套博物實驗板有如下特點:①整合了“電路與電子線路”課程中涉及的各類典型的電路元器件，能使學(xué)生更加直觀地認識各種元器件真實的物理形態(tài);②體積小，重量輕，制作成本低，便于攜帶;③板上都留有觸點和引腳可以用于實驗測量。

我們結(jié)合ADI的基于PC機的設(shè)備演示，教會學(xué)生如何使用博物實驗板進行實驗演示。

如圖13所示，將設(shè)備與PCB板中的差分放大電路連接，包括電源，信號源輸出，示波器輸入等。然后選擇適當(dāng)?shù)妮斎胄盘枺纯煽吹椒糯蟮牟ㄐ屋敵?。本實例中，輸入選擇偏置電壓為0V，頻率為5kHz，單邊幅度為5mV的差分信號，則輸出約為400mV的差分信號，波形如圖14所示。

圖13 連接設(shè)備與PC

圖14 Waveforms的界面

以上即為三極管差分放大電路的實驗流程。由于USB連接設(shè)備的功率限制，對于部分電路，例如丙類和丁類功率放大器需要較大功率輸出。

此設(shè)備無法支持基于PC的簡易實驗，但可以采用專業(yè)信號源、電源和示波器來進行實驗。

4 教學(xué)實踐及效果

我們已經(jīng)在我校吳健雄學(xué)院高等理工實驗班的電路和電子線路的教學(xué)當(dāng)中，使用已經(jīng)出版的兩本教材[4，5]，通過教學(xué)博物實驗板和 ADI模擬電路測試工具有效結(jié)合，進行了開創(chuàng)性的教學(xué)改革嘗試。

首先，我們在課堂上講到電阻、電容、電感等元器件時，就將教學(xué)博物實驗板通過傳閱讓學(xué)生熟悉實物，增強了他們的感性認識。當(dāng)講到電子線路的三極管和運放的具體電路時，我們結(jié)合ADI的USB模擬測試工具，通過PC機的USB接口實現(xiàn)了在課堂上進行電路的測試和演示，此時學(xué)生可以在投影屏幕上直接觀看測試功能。其次，我們在上課的過程中也會讓學(xué)生親自動手操作，有效提高課堂的互動性，取得了良好的課堂效果。

5 結(jié)語

我們經(jīng)過兩年的教學(xué)實踐，通過教學(xué)博物實驗板以及配套測試工具的應(yīng)用，學(xué)生普遍反應(yīng)提高了課程的興趣，很多概念性的知識會更容易理解和接受，與教師之間也有了更多的互動交流。此外，由于電子線路教學(xué)博物實驗板給出的都是基本和經(jīng)典電路，可以有效地配合電工電子實驗課程，對學(xué)生實際動手操作能力的提升也較為明顯。

2012年，這套教學(xué)博物實驗板作為“電路與電子線路基礎(chǔ)”課程建設(shè)改革成果的一部分，獲得了江蘇省教學(xué)成果一等獎。該項“電路與電子線路基礎(chǔ)”課堂教學(xué)與實驗教學(xué)改革方面的新嘗試，已引起了國內(nèi)眾多高校的關(guān)注。

[1]張勇，對電子線路實驗教學(xué)的改革實踐[J].西安:高校實驗室工作研究，2004(2).

[2]劉雅嫻，王力隆，李朝軍等.電子線路課程教學(xué)改革的嘗試[J].北京:中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2008(9):29-29.

[3]王志功，沈永朝，趙鑫泰，徐建.“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學(xué)[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014(1)，pp.1-3

[4]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(chǔ)(電路部分)[M].北京:高等教育出版社，2012.

[5]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(chǔ)(電子線路部分)[M].