军队院校“模拟电路”基础课程教学改革的研究与实践

【摘""要】文章以立德树人为根本遵循，以能力培养为目标，以课程思政为铸魂育人的重要抓手，探索“装备和工程实例牵引、突出问题导向、课程思政与教学内容全程一体融合”的教学模式，以“电压比较器”为例阐述实例牵引、问题驱动、思政融合的教学思路，推动“模拟电路”课程教学改革。实践表明，教学改革提高了教学效果，提升了学生学习获得感，培养了学生的工程意识、辩证思维、系统观念和分析解决问题能力。【关键词】教学改革；问题驱动；课程思政；“模拟电路”课程一、引言“模拟电路”是入门性质的技术基础课程[1]。由于课程理论抽象，器件种类多样，分析方法灵活，实践环节烦琐，导致学生普遍存在畏难心理，学习过程中偏重于机械记忆，不深入理解思考，学习浮于表面，忽略对知识的融会贯通，不会灵活运用知识解决问题。受到学时的限制，学生易重视理论知识的学习，而忽视工程应用背景和实践环节，而且现有实验环节往往是基础通识的验证性实验多，创新性实验少，教学方法单一，学生虽然掌握了电子技术基本知识，但工程意识、系统思维、分析解决问题能力和实践创新能力发展受限[2-3]。二、“模拟电路”课程教学改革思路为解决上述问题，课程组从更新教学内容、改进教学方法、思政一体融合等方面开展课程教学改革，凝练出“实例牵引、问题驱动、思政融合”的教学设计思路。结合培养目标，更新教学内容，构建“基础+应用+前沿”的多层次教学内容体系。梳理课程内容与任职专业、舰艇装备的结合点，收集军事应用电路素材，建设装备和工程案例库。将军事和工程实例通过引例导入、强化练习、案例分析、实际应用、功能提升等环节贯穿于课程教学中，培养学生分析电子电路的能力和解决实际问题的能力。关注能力生成，改进教学方法，创新“任务驱动的问题链教学法”[4]。课程组运用辩证唯物主义矛盾分析法，将课程的重难点，即将单元电路和应用电路分解为由一系列环环相扣、层层递进的问题链连接起来的电路阶梯，引导学生将学习新知转化为发现探究的过程，强化辩证思维和系统观念，提高学生运用辩证唯物主义世界观和方法论的自觉意识。坚持思政引领，提升育人成效，推进多元化课程思政建设。课程组结合课程特点，从辩证唯物主义基本原理与课程内容全程一体融合、科学精神培养、文化艺术熏陶等方面深度挖掘和整合课程的思政资源，建立并完善课程思政资源库，制定课程思政实施方案，将思政元素贯穿育人全过程，激发学生学习动力，加深对课程内容的理解，感悟马克思主义真理的力量，全面提升综合素质。三、“实例牵引、问题驱动、思政融合”的教学设计实施文章以“模拟电路”课程中的“电压比较器”为例，介绍“实例牵引、问题驱动、思政融合”的教学设计思路，教学设计流程图如图1所示。（一）引例设疑，需求分析随着数字技术的发展，人类进入了信息化和智能化时代。相比于传统路灯，光控路灯不仅给行人带来更大的方便，还能自动切换路灯的开关状态，有效降低路灯管理和维护费用。教师从应用需求出发，提出问题1：光控路灯的原理和组成是什么？引导学生进行如下分析。首先要有光传感器，把监测到的光强度转换成电压信号，记为vi，光越强，vi越大，设定光强到一定值时，路灯就熄灭，此时对应的电压记为参考电压VREF。其次为实现光控路灯功能，需要将vi和VREF进行比较，比较的结果可以用电压的高低电平来区分。在电子电路中，这种对2个输入电压进行大小比较，在输出端用高、低电平给出比较结果的电路被称为电压比较器[5]。为了更直观形象地表示电压比较器的功能，教师可以采用曲线的形式描述输出电压vo与输入电压vi的函数关系，即比较器的电压传输特性，然后与学生互动，分析光控路灯电路中电压比较器的传输特性。（二）回顾迁移，构造电路教师在分析出功能和特性的基础上，提出问题2：选择什么器件构造电压比较器？启发学生思考传输特性和理想集成运放的电压传输特性，用工作在非线性区的运放器件构造电压比较器。接着提出问题3：如何利用运放设计电路实现光控路灯的功能？引导学生进行如下分析。将光控路灯“vilt;VREF，vo＝VOH；vigt;VREF，vo＝VOL”的需求和运放“vPgt;vN，vo＝+Vom；vPlt;vN，vo＝-Vom”的特性做对比发现，令vN接输入信号vi，vP接参考电压VREF，就构成了一个最基本的电压比较器。在电压比较器中，输出电压发生跳变时对应输入电压的值称为门限电压或阈值电压。根据运放的特性，令同相端电压和反相端电压相等时求得的vi值即为门限电压。电压比较器不只应用于光控路灯，在心率监测、模数转换、电机控制、水雷触发等场合都有广泛应用。教师根据电压比较器的不同应用需求场景，提出问题4：如何改变门限电压？引导学生进行如下分析。可以调整参考电压VREF的方案，但可调直流电源的便利性和可操作性远不如可调电阻，所以，可以加入2个电阻分压以达到调节门限电压的目的。由此，学生总结出电压比较器的分析方法：一是“虚断”，这是由运放器件自身特性决定的，是内因；二是比较同相端和反相端电压，vPgt;vN时vo＝+Vom，vPlt;vN时vo＝-Vom，这是由于外部结构的连接使运放工作在非线性区，是外因。上述构造电路的过程是先基于运放器件具有非线性特性和输出二值性这样的内因，再给它接上信号和电阻，创造合适的外部条件，才实现了比较器功能。此处，教师可利用内外因辩证原理开展课程思政，启发学生在观察事物、分析问题时，要坚持运用内外因相结合的方法。内外因辩证关系具有重要的方法论意义，指导学生踏实做好日常工作，修好“内功”，并不失时机地抓住外部机遇，促进个人发展。教师从实际需求出发，分别通过框图、数学表达式和电压传输特性等方面对光控路灯电路进行分析，这是从具体到抽象；接着利用先修知识分析解决这个抽象问题，并生成了单限比较器这个新知识，这又是从抽象到具体的过程。在这个过程中，教师运用了归纳与演绎、抽象与具体的辩证思维方法，有助于培养学生的辩证思维能力。（三）仿真验证，发现问题设计的电路能否实现光控路灯功能，可以采用虚拟仿真实验进行验证。在仿真环境下搭建单门限电压比较器，设置参考电压为3V，运放反相端接一个按指数规律增长的电压，模拟黎明时分光线逐渐变强的过程，用示波器观察输入输出波形和小灯的亮灭。虚拟仿真实验验证了前面设计的电路能实现光控路灯功能。教师根据实际情况，提出问题5：它能应用到实际光控路灯中吗？引导学生进行如下分析。对于实际路灯来说，它不是处于真空状态，天空中的乌云、雾气、周围的光源等都会对它附近的光强造成影响。对此，学生需要通过仿真实验观察受到干扰的输入电压作用于单限比较器时的输出情况。学生通过新的仿真电路发现，单限比较器的输入遇到门限电压时，输出就跳变，灵敏度高，但如果干扰在门限电压附近造成光线变化过程中出现了曲折，抗干扰能力就差。抗干扰能力差会造成误判，如路灯的频繁亮灭。（四）围绕特性，改进电路教师根据仿真实验时出现的现象，提出问题6：如何提高比较器的抗干扰能力？引导学生进行如下分析。先假设黎明时分光线逐渐增强，vi变大，超过设置的门限电压VT，输出低电平，将灯熄灭，接着光线继续增强，灯维持灭的状态。如果此时突然飘来一阵雾气，使路灯附近局部的光强暂时减弱，小于VT时，并不希望输出电压因为这个干扰发生跳变，而希望它有一定“容忍度”，或者说“反应迟钝”一些，在受到雾气干扰时仍能保持灭的状态，所以，此时由低电平跳变到高电平的门限就不再是VT，要比它小一些，记为VT-。因此，即使光线受到干扰在VT附近减小了，但只要没减小到VT-，输出继续保持低电平状态，灯就不会亮。教师引导学生继续分析夜幕降临光线逐渐减弱的情况。当vi变小，低于设置的门限电压VT时，输出高电平，灯亮。如果光线继续减弱，灯维持亮的状态没问题，但如果突然受到车灯或其他光源的干扰，路灯附近的光强暂时增大，超过VT，仍希望路灯继续保持原来亮的状态，所以，将输出由高电平跳变到低电平的门限设置得比VT大一些，记为VT+。这样，即使光线受到干扰在VT附近增大了，但只要没增大到VT+，输出继续保持高电平状态，灯就不会灭。改进后的传输特性为输入信号由小到大变化和由大到小变化时的门限电压不一样，即“不走回头路”。单限比较器在门限电压处双向灵敏，只要穿越门限就跳变，抗干扰能力差，而改进后的特性沿某一方向越过门限电压发生跳变后，再沿反方向变化时，输出的跳变发生在另一个门限电压处，即反方向的跳变点延迟或者滞后了，因此抗干扰能力增强。具有这种传输特性的比较器被称为迟滞比较器。（五）分析原理，仿真验证电路改进完毕，教师提出问题7：迟滞比较器是否具备迟滞特性？引导学生进行如下分析。先分析工作原理，假设vilt;VT-，一定也小于VT+，所以，此时反相端电压一定小于同相端电压，输出高电平。输出高电平就决定了此时同相端电压是VT+，随着输入电压逐渐增大，当增大到VT时，输出才从高电平跳变到低电平。在输出跳变到-Vom时，门限电压也随之改变，变为VT-，所以，输入电压vi从大于VT+开始减小，减到VT+时并不会发生跳变，因为此时的门限电压是VT-，当vi减小到VT-时，输出才从低电平跳变到高电平。输出跳变到高电平后，门限电压又随之变为VT+，如此不断，确实实现了迟滞特性。学生分析后再借助虚拟仿真实验验证迟滞比较器能否解决雾气干扰造成路灯频繁亮灭的问题。在仿真环境下搭建含迟滞比较器的光控路灯电路，设置好元件参数，用示波器观察输入输出波形和小灯的亮灭。仿真结果表明，当输入信号受到干扰时，输出并没有频繁跳变，小灯也不再闪烁。可见，迟滞比较器具有一定的抗干扰能力，能克服雾气对光强的干扰。以上是理论分析和虚拟仿真实验，进一步激发了学生的学习兴趣，提高了其实践创新能力。随后，教师布置实践作业，要求学生课后在面包板上搭建基于单限比较器和迟滞比较器的光控路灯电路，调整参数，观察现象，对比分析。（六）特性对比，总结提升从结构上看，单限比较器是开环结构，迟滞比较器引入正反馈。从电压传输特性上看，单限比较器只有1个门限电压，灵敏度高，但也“固执”和“严格”，非此即彼，也就是抗干扰能力差；而迟滞比较器有2个门限电压，有一定的“容忍度”，能承受一定范围的变化，抗干扰能力强。迟滞比较器的抗干扰能力用回差电压ΔVT来衡量，ΔVT越大，电路维持原状态的范围越宽，抗干扰能力越强；ΔVT越小，抗干扰能力越弱。但ΔVT不是越大越好，ΔVT太大，该跳变的时候则不跳变了，所以抗干扰能力增强的同时也带来了灵敏度下降的问题。可见，抗干扰能力和灵敏度是一对儿矛盾，实际应用中要根据具体情况在这两者间寻找一个平衡点。学生在日常学习、工作和生活中，以及处理人际关系时，也要在严格和宽容之间找到一个平衡点。四、结束语文章以设计光控路灯电路为任务，围绕电压传输特性，由具体需求到抽象分析，再到具体实现，由个别电路到一般分析方法，由器件内因到创设外因，依次设计出了单限比较器和迟滞比较器，并对二者进行对比。在教学过程中，教师始终以实际应用需求为牵引，以一系列环环相扣、层层递进的问题为主线，引导学生在发现、分析、解决问题的过程中创新运用已有知识，逐步形成新的知识，学以致用，理论联系实际，培养系统观念及分析解决问题能力[6]。内容主线与逻辑思维主线交织并行，相辅相成。学生在学习电压比较器的工作原理、参数计算和传输特性的同时，体会蕴含