王慶鳳 劉鳳敏 李波 王墨涵

基金項(xiàng)目：吉林省高等教育教學(xué)改革研究課題“基于機(jī)器人系統(tǒng)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在《自動(dòng)控制原理》課程中的改革研究與實(shí)踐”（吉教高〔2020〕17號(hào)）；吉林大學(xué)本科教學(xué)改革研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目“‘模擬電子技術(shù)與‘自動(dòng)控制原理課程關(guān)聯(lián)融合與協(xié)同促進(jìn)式教學(xué)模式研究”（2023XZD062）

第一作者簡介：王慶鳳（1978-），女，漢族，吉林長春人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閭鞲衅髦悄芑椒ā?/p>

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.028

摘? 要：掌握知識(shí)是教學(xué)目標(biāo)的核心要素，對(duì)基本元件和基本電路的深入探索是領(lǐng)悟模擬電子技術(shù)課程知識(shí)的關(guān)鍵。為此，該文提出以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為工具開展課程教學(xué)，首先分析教學(xué)內(nèi)容與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系，然后通過兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的分析過程，闡述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在課程教授中的具體應(yīng)用，最后運(yùn)用案例分析、仿真實(shí)踐、翻轉(zhuǎn)教學(xué)等教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)啟發(fā)學(xué)生融會(huì)貫通、注重創(chuàng)新培養(yǎng)、強(qiáng)化學(xué)生自主探究的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：模擬電子技術(shù)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；教學(xué)方法；教學(xué)設(shè)計(jì)；自動(dòng)控制原理

中圖分類號(hào)：G640? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）19-0116-04

Abstract： Mastering knowledge is the core element of teaching objectives， and in-depth exploration of basic components and circuits is the key for understanding the knowledge of Analog Electronic Technology. The teaching method based on system block diagram is proposed in this article. First， the correlation between teaching content and system structure diagrams is analyzed. Then， through the analysis of two knowledge topics， the specific application of system block diagrams in course teaching is explored. Finally， teaching techniques such as case analysis， deepening simulation practice， and integrating flipped teaching are used to achieve the goal of inspiring students to thorough understanding， emphasizing innovation cultivation， and strengthening independent exploration.

Keywords： Analog Electronic Technology; system block diagram; teaching method; teaching design; automatic control principle

集成電路作為信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)[1]。模擬電子技術(shù)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、面向解決制約我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題的重要基礎(chǔ)課程。該課程是吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院的大類學(xué)科基礎(chǔ)必修課程，通過多年的建設(shè)[2-3]，被列入吉林省本科精品建設(shè)課程，每學(xué)年選課學(xué)生近600人。該課程以集成電路為主體，通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握主要半導(dǎo)體器件和各種基本電路的組成、工作原理、特性、基本分析方法及其應(yīng)用。

學(xué)生普遍認(rèn)為模擬電子技術(shù)比較難學(xué)，主要原因有[4-6]：①工程性強(qiáng)，該課程近乎是學(xué)生遇到的第一門關(guān)于工程性的課程，元件參數(shù)的分散性、常用近似化簡、定性分析（可行性）和定量計(jì)算等問題使學(xué)生困惑；②難度大，比如深入到原子電子層的粒子變化、非線性元件的線性化、頻率特性等增加了該課程內(nèi)容的復(fù)雜程度；③內(nèi)容量多，各功能電路設(shè)計(jì)目標(biāo)不同又關(guān)聯(lián)緊密，涉及電路分析基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理、反饋控制原理、信號(hào)與系統(tǒng)等知識(shí)的運(yùn)用。

面對(duì)以上難點(diǎn)，如何消除學(xué)生對(duì)該課程的畏懼心理，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果成為一個(gè)亟待解決的問題。掌握知識(shí)是教學(xué)目標(biāo)的核心要素，而對(duì)基本元件和基本電路的深入探索是領(lǐng)悟模擬電子技術(shù)課程知識(shí)的關(guān)鍵。本文基于作者多年同時(shí)教授模擬電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理兩門課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中借助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖作為分析工具，幫助教師更好地引導(dǎo)學(xué)生深入理解基本元件和基本電路的結(jié)構(gòu)、原理和功能，理清知識(shí)點(diǎn)及模塊之間的聯(lián)系，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣和信心，進(jìn)一步掌握電路分析、應(yīng)用與設(shè)計(jì)的方法。

一? 教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其組成

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖是一種利用數(shù)學(xué)圖形描繪各元部件間信號(hào)傳遞關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，其展示了系統(tǒng)中各變量之間的因果關(guān)聯(lián)以及進(jìn)行的運(yùn)算，是控制理論中用于描述復(fù)雜系統(tǒng)的一種簡便方法[7]。模擬電路系統(tǒng)也屬于一類控制系統(tǒng)，因此在模擬電子技術(shù)能夠采用結(jié)構(gòu)圖去描述電路結(jié)構(gòu)、原理和功能，直觀地反映整個(gè)模擬電路系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)，描述各元器件之間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)電信號(hào)關(guān)系進(jìn)行精確的定量描述。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的組成包含四種基本單元[7]：信號(hào)線、引出點(diǎn)、比較點(diǎn)和方框，如圖1所示。信號(hào)線為帶有箭頭的直線，箭頭的方向代表信號(hào)的傳輸方向，在這條線旁標(biāo)注信號(hào)的象函數(shù)；引出點(diǎn)是指信號(hào)被測量或引出的位置，源自同一位置的信號(hào)在數(shù)值上和性質(zhì)上都相同；比較點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)或更多信號(hào)進(jìn)行加減運(yùn)算的標(biāo)志；而方框則代表對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算或處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖是系統(tǒng)原理圖和數(shù)學(xué)方程的融合，它不僅增強(qiáng)了原理圖的定量描述能力，同時(shí)也為數(shù)學(xué)方程的抽象運(yùn)算提供了直觀的展示。

（a）? 信號(hào)線? ? ? ? ?（b）? 引出點(diǎn)

（c）? 比較點(diǎn)? ? ? ? ? ? ? （d）? 方框

圖1? 結(jié)構(gòu)圖的基本組成單元

（二）? 教學(xué)內(nèi)容與結(jié)構(gòu)圖的關(guān)聯(lián)

在大多模擬電子技術(shù)課程的教材中，沒有提及過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的概念和組成，只在反饋放大電路和正弦波振蕩電路這兩個(gè)章節(jié)中給出過反饋放大電路的組成框圖，其實(shí)質(zhì)就是自動(dòng)控制原理課程中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。我們考慮借助課程間知識(shí)交叉融合去協(xié)同促進(jìn)教學(xué)效果。

開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)、開環(huán)控制和閉環(huán)控制是自動(dòng)控制原理中最基本、最重要的概念，而模擬電子技術(shù)中，模擬集成電路、單門限電壓比較器、功率放大電路和濾波器可被認(rèn)為是開環(huán)系統(tǒng)（可能存在局部負(fù)反饋），運(yùn)算放大電路、單管放大電路、負(fù)反饋放大電路、正弦波振蕩電路和雙門限電壓比較器等為閉環(huán)（正反饋/負(fù)反饋）系統(tǒng)。兩門課程的內(nèi)容具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性。

在控制理論中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖能夠描述各類系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和變量關(guān)系，無論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)都適用，其貫穿了自動(dòng)控制原理課程的全過程。因此，模擬電子技術(shù)中大部分的知識(shí)點(diǎn)也可以借助這種有效的圖形化工具展開深入分析，以明晰電路中元件、器件或電路模塊間的電流、電壓之間的關(guān)系，輸入、輸出與中間變量（其他電流、電壓）之間的關(guān)系，便于分析反饋放大電路，利于運(yùn)算電路的增益求解，弄清楚信號(hào)的傳遞關(guān)系，電信號(hào)的變換關(guān)系等，易于分析定量的關(guān)系。無論從原理上還是定量計(jì)算上都更加明確和清晰。圖2給出了課程中可以應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的各個(gè)知識(shí)模塊。

二? 知識(shí)點(diǎn)案例分析

在“運(yùn)算放大電路”和“雙極結(jié)型三極管及其放大電路”兩章中各選出一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行案例分析。

（一）? 差分放大電路

一種差分放大電路如圖3所示，其功能是計(jì)算兩個(gè)電壓信號(hào)vi1和vi2之間的電壓差值。

圖3? 求差電路

可以直接利用負(fù)反饋放大電路的虛短、虛斷的概念，結(jié)合電路定律得到

但該電路內(nèi)部原理學(xué)生并不清晰，考慮到其中的虛短、虛斷、負(fù)反饋組態(tài)和深度負(fù)反饋等知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，首先直觀地運(yùn)用疊加原理可將圖3中電路分解成圖4所示的兩個(gè)電路的疊加。

可見，求差電路實(shí)際上是反相位和同相比例運(yùn)算電路的疊加，負(fù)反饋放大電路的分析不容易掌握，能準(zhǔn)確分析清楚各電信號(hào)及電信號(hào)間關(guān)系的學(xué)生并不多。對(duì)于輸入端反饋組態(tài)的判別，根據(jù)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)是否作用在運(yùn)放的同一輸入端，可以判斷圖4（a）為串聯(lián)反饋，反饋信號(hào)為？淄n，圖4（b）為并聯(lián)反饋，反饋信號(hào)為if，這樣就分析出結(jié)構(gòu)圖的比較點(diǎn)信號(hào)的減法關(guān)系是？淄p-？淄n 和ii-if。對(duì)于輸出端反饋組態(tài)的判別，采用輸出短路法，即？淄o1=0和？淄o2=0時(shí)，圖4（a）中由于虛斷可得？淄n=0，且？淄n=？淄o·Ｒ1/（Ｒ1＋Ｒ２）；圖4（b）中由于虛短可得if＝０，且if＝（０－？淄o）/Ｒ4，因此都為電壓反饋。這樣就分析出結(jié)構(gòu)圖中反饋通道的輸入信號(hào)都為輸出電壓，同時(shí)也分析出反饋通道輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的比值關(guān)系。

（a）? 串聯(lián)反饋? ? ? ? ? ?（b）? 并聯(lián)反饋

圖4? 圖3電路中兩個(gè)輸入分別單獨(dú)作用時(shí)的等效電路

通常，針對(duì)負(fù)反饋電路的要求是能夠分析出反饋組態(tài)和在深度反饋時(shí)計(jì)算出反饋部分的增益就可以了，然而缺乏從電路整體輸入到輸出之間關(guān)系的完整描述，反饋部分的輸入信號(hào)并不是求差電路的實(shí)際輸入，通過結(jié)構(gòu)圖，可以把整個(gè)電路關(guān)系描述清楚。根據(jù)上述分析，可以繪制出圖5中虛線方框內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖，反饋環(huán)路以外的部分，從系統(tǒng)ii1轉(zhuǎn)換到vp、從vi2轉(zhuǎn)換到ii也要考慮進(jìn)去，如圖5所示。

圖5? 求差電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過繪制結(jié)構(gòu)圖，各電信號(hào)之間的傳遞和定量作用關(guān)系就非常清晰。進(jìn)一步，當(dāng)|A|→∞時(shí)，可以利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換得到上文中公式的結(jié)果；利用結(jié)構(gòu)圖中的負(fù)反饋原理，解釋虛短和虛斷成立的原因。

（二）? 射極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理

圖6是基極分壓式射極偏置電路的直流通路，其靜態(tài)工作點(diǎn)能夠穩(wěn)定的原理是當(dāng)溫度變化時(shí)，利用集電極電流 ICQ的變化，通過發(fā)射極電阻Re取樣反過來控制VBEQ，從而使電流IEQ、ICQ基本保持不變的負(fù)反饋?zhàn)饔肹8]。這樣解釋比較簡潔，道理上講得通，但答疑時(shí)經(jīng)常有學(xué)生仍然追問其中的原理，說明僅僅這樣講授是不夠的，同時(shí)運(yùn)用繪制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，學(xué)生表示非常清晰。

射極偏置電路穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)原理的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，其電信號(hào)的順向作用和反向聯(lián)系一目了然，可以容易地分析出，當(dāng)輸出信號(hào)受到擾動(dòng)（如溫度升高）以后，信號(hào)變化的過程如下

從而實(shí)現(xiàn)了基于偏差自動(dòng)地修正輸出信號(hào)使其保持不變。

同時(shí)，易于明白固定基極直流電位和加入發(fā)射極電阻Re對(duì)于穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性，解釋了教材中三個(gè)單管共射極放大電路之間的遞進(jìn)關(guān)系，增加電阻Re能夠把輸出信號(hào)的變化檢測出來并反饋到輸入端，從而產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸入作用去減小或消除偏差；而電阻R2的作用是使VBEQ基本不受溫度影響而保持不變。

圖6? 射極偏置電路的直流通路

三? 教學(xué)方法

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的教學(xué)中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和具體的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)方法，包括案例分析、翻轉(zhuǎn)課堂和仿真實(shí)踐等。

（一）? 運(yùn)用案例分析，啟發(fā)融會(huì)貫通

首先，在講授基本概念和原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的實(shí)際案例進(jìn)行深入講解和分析。這些案例設(shè)計(jì)的核心是聚焦于課程的具體知識(shí)點(diǎn)，例如單管放大電路、差分放大電路、功率放大電路、反饋放大電路和比較器等，可以要求學(xué)生分析電路結(jié)構(gòu)，運(yùn)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖來描述其工作原理和組成。學(xué)生通過觀察和理解系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，更加深入地理解電路的功能和設(shè)計(jì)思路。

其次，在案例分析過程中，教師可以使用啟發(fā)式的教學(xué)策略，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的思考潛能。例如，教師可以提出一些問題，如“這個(gè)電路為什么要這樣設(shè)計(jì)？”“這個(gè)元件在這個(gè)電路中的作用是什么？”等，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思考能力。

最后，進(jìn)一步考慮知識(shí)的綜合運(yùn)用，建立各知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，啟發(fā)學(xué)生融會(huì)貫通地掌握模擬電路的學(xué)習(xí)內(nèi)容。例如從單管放大電路、差分放大電路、功率放大電路等案例到由它們組成的一個(gè)音頻放大器；從單管放大器、比較器、運(yùn)算放大器到由它們組成的一個(gè)信號(hào)發(fā)生；從單管放大器、運(yùn)算放大器、反饋放大電路到由它們組成的一個(gè)電源電路；僅通過一個(gè)綜合案例練習(xí)多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，啟發(fā)學(xué)生融會(huì)貫通地掌握模擬電子技術(shù)的知識(shí)。

（二）? 融入翻轉(zhuǎn)教學(xué)，強(qiáng)化自主探究

課前，教師提前準(zhǔn)備相關(guān)的教學(xué)資料，包括PPT、教學(xué)視頻以及相關(guān)的電子元件和電路圖；設(shè)定明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和任務(wù)，以便學(xué)生能夠有目的地學(xué)習(xí)。學(xué)生提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，觀看相關(guān)的教學(xué)視頻，了解課程的基本概念和知識(shí)點(diǎn)；完成教師設(shè)定的學(xué)習(xí)任務(wù)，更好地掌握課程知識(shí)[9]。我們在整個(gè)過程僅使用一個(gè)信息化平臺(tái)（超星學(xué)習(xí)通）來完成課前及課后的線上任務(wù)，避免關(guān)注多個(gè)平臺(tái)占據(jù)師生課余時(shí)間和精力以及可能產(chǎn)生的信息遺忘。

課中，教師先讓學(xué)生展示預(yù)習(xí)和自學(xué)的情況，考慮到每個(gè)課堂學(xué)生人數(shù)較多（130人以上），為提高每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，在課前5分鐘內(nèi)以隨機(jī)抽簽的方式，確定展示的小組和成員的分工，這樣每個(gè)學(xué)生都有可能參與展示，會(huì)提前積極準(zhǔn)備。然后，教師根據(jù)學(xué)生的展示情況，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行深入講解，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖的繪制、系統(tǒng)地分析和設(shè)計(jì)。在教學(xué)過程中，教師可以適時(shí)地針對(duì)難點(diǎn)、疑點(diǎn)提出具體問題或開展小組討論，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究和思考，更好地解決問題。

課后，教師布置一些相關(guān)的練習(xí)題或?qū)嵺`任務(wù)，以便學(xué)生能夠鞏固和深化所學(xué)的知識(shí)。同時(shí)，教師還可以提供一些拓展性的學(xué)習(xí)資料或建議，以便學(xué)有余力的學(xué)生能夠進(jìn)行更深入的學(xué)習(xí)。利用信息化平臺(tái)即使學(xué)生多也容易進(jìn)行信息收集，而且每個(gè)學(xué)生都能夠同等地參與和展示。基于學(xué)情的分析對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)過程迭代優(yōu)化，提升教學(xué)質(zhì)量。

（三）? 深化仿真實(shí)踐，注重創(chuàng)新培養(yǎng)

基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的模擬電子技術(shù)課程實(shí)踐教學(xué)中，使用兩類仿真相結(jié)合的方式開展實(shí)驗(yàn)。使用電路仿真軟件（如Multisim）搭建與實(shí)際模擬電路實(shí)驗(yàn)相近的電子電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生通過觀察電路的響應(yīng)和特性來加深對(duì)電路設(shè)計(jì)原理的理解；利用MATLAB/Simulink進(jìn)行模擬電路系統(tǒng)建模、分析和設(shè)計(jì)，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，觀察系統(tǒng)性能的變化。第一種仿真搭建的是模擬電子電路，第二種仿真搭建的是模擬電子電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，兩種仿真理論和公式相輔相成、互相印證，更直觀地幫助學(xué)生建立基本的理論框架，深化理論理解，構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

在仿真實(shí)踐教學(xué)中，注重培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和能力。第一，鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)踐中進(jìn)行探索，提出自己的見解和解決方案。第二，通過設(shè)定一些開放性的實(shí)踐項(xiàng)目或研究課題，如設(shè)計(jì)具有特定功能的電路或控制系統(tǒng)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。第三，組織一些電子制作、機(jī)器人設(shè)計(jì)等實(shí)踐活動(dòng)[10]，讓學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。第四，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)模擬電子技術(shù)與其他專業(yè)課程之間的聯(lián)系和應(yīng)用。通過多課程交叉的應(yīng)用實(shí)例，如智能家居控制系統(tǒng)中的傳感器和信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)等來提高學(xué)生的興趣，激發(fā)創(chuàng)新精神。

四? 結(jié)束語

本文提出以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為教學(xué)工具，通過教學(xué)內(nèi)容與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的關(guān)聯(lián)關(guān)系、兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)的分析過程、運(yùn)用案例分析、仿真實(shí)踐和翻轉(zhuǎn)教學(xué)等多種教學(xué)方法，探討了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在課程教授中的具體應(yīng)用?；谙到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的教學(xué)可以較好地解決模擬電子技術(shù)課程工程性強(qiáng)、難度大、內(nèi)容量多等難點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和信心；能夠深入明晰元件和電路的機(jī)理與定量關(guān)系，融會(huì)貫通課程知識(shí)；能夠培養(yǎng)學(xué)生的電路思維，提高實(shí)踐和創(chuàng)新能力。教學(xué)實(shí)踐表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在模擬電子技術(shù)課程教學(xué)中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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