仿真驱动理论学习模式在《模拟电子技术》教学中的应用

《模拟电子技术》课程是电子信息、电气自动化等专业学生的必修基础课，在本科生课程体系中起到承上启下的作用，影响着学生的工程实践能力。本文提出仿真驱动理论学习模式，力求实现课堂由灌输式“重知轻行”向探究式“知行合一”的转变，增强课程的教学效果，激发学生的主动性和创新实践能力。

一、课程现状及传统教学存在的问题

传统的《模拟电子技术》课程的理论部分是教师讲授、学生被动接受的模式，实验部分是教师演示、学生模仿和验证的模式。该模式难以激发学生的学习热情，使学生在课堂上难以集中注意力。同时，课程的入门难度高，而学生很少会在课后时间主动去提取知识点的主要脉络并深入思考，因此很难达到理想的教学效果。课程现状及传统教学存在的问题总结如表1所示：

表1 课程现状及传统教学存在的问题

课程现状 传统教学存在的问题课程实例滞后于技术前沿的发展。 难以激发学生的学习热情。概念抽象、知识点主线不清晰。 课程的入门难度高，学生难以提取知识点的主要脉络。课程内容多，学时较紧。 学生思维处于高度紧张状态，难以深入思考。实验课时少，多数知识点只靠公式的推导和强化记忆。 学生处于被动接受知识状态，不会实际设计与应用。考核只有期末试卷，平时的电路设计难以考核。 部分学生只是考前短时间突击复习，教学效果不佳。

一方面，在当前教学模式下，对电路的原理和工作机制等知识点只靠概念和公式强化记忆，没有涉及电路的实际参数折衷设计和产品应用。学生虽然能够通过课程培养理论分析能力，却不会设计实际电路，不能达到应用型本科院校对“复合性、创新性、应用型”人才的要求。另一方面，传统的考核只有期末试卷，导致部分学生平时不学习积累，仅靠考前突击应对，实际教学效果不佳。因此，应将考核融入学习过程中，[1]弱化期末卷面考试，强化平时表现的评价，更好地引导学生积极学习。

二、授课知识点占比

国外高校在电子学科一直处于强势地位，其优秀教材，如Thomas L编写的《Foundations of Analog Circuits》、Sedra编写的《Microelectronic Circuits》、Allan编写的《Electronics》等安排的学时均比国内教材多。例如，《Microelectronic Circuits》建议授课安排两学期，每学期40～50学时。[2]当前有限的学时（48学时）紧张，因此要对教学内容有所侧重。结合业界发展调整授课知识点占比：一方面，结合BJT与MOS管的工艺发展趋势，教学中需要增加MOS管电路设计的占比，弱化BJT电路的分析；另一方面，缩减分立元件部分的知识点，加大集成运放部分的学时比重。

（一）分立器件部分以大电流、高速、高反压功率器件为重

未来半导体产业分立器件的发展方向是：在结构上向复合型、模块化发展，在性能上向大电流、高速、高反压功率半导体分立器件发展。而《模拟电子技术》课程中与分立器件相关的知识点包括：单管放大电路、多级放大电路、差分式放大电路、功率放大电路。因此，应该加大功率放大电路的内容比重，扩展大电流、高速、高反压功率器件的知识点。

国内微网领域发表EI期刊文献数量前10位的作者所发表的论文数量达到264篇,占2000—2017年EI期刊微网相关文献总量的20.4%,具体如表2所示。从定量的角度来看,EI期刊发表数目越多,则该作者在微网领域的影响也就越大,其所属团队的研究力量也就越强。

（二）集成电路部分扩充运放的设计

2015年，随着《国家集成电路产业发展推进纲要》等一系列政策的实施，中国集成电路产业呈爆发式飞速增长。如图1所示，设计、制造、封测3个产业销售额持续增长，产业结构更加合理化：设计业和制造业逐步超越封测。

图1 2014—2015年中国集成电路产业各产业环节销售收入及增长

2015年，我国IC从业人数39.4万人，预计到2020年从业人数将达79.2万人。专业人才缺口越来越大，因此授课中应扩充运放设计方面的知识，具体设计框图如图2所示。集成运放的设计首先应考虑各种参数之间的折衷，同时兼顾噪声、串扰、二级效应、稳定性及频率补偿等。

图2 集成运算放大器的设计

（三）扩充BJT与MOS管的工艺发展

运放的工艺决定了运放的一些性能参数。其中，输入失调电压及其漂移、输入偏置电流及其漂移对运放的影响最为直观，具体如表2所示：

表2 运放的工艺与性能参数

工艺 +/-电源轨之差 输入失调电压 IIB 产品Bipolar宽 uVnAOPA2xx JFET宽uV to mVpAOPA1xx CMOS 窄（＜12V） uV pA OPA3xx,OPA7xx Difet宽uVfA to pAOPA637/627,OPA12x

表2中列出了4种工艺的对比，包括：结型场效应管JFET、互补金属氧化物CMOS管、绝缘隔离场效应管DiFET。其中，JFET工艺设计中应注意控制温度，因为管子偏置电流会随温度升高而翻倍增长。CMOS是轨到轨输出运放，也称为满幅运放，它的自归零（Auto-Zero）技术大幅降低了运放的输入失调电压，零交越失真（Zero-Crossover）和零温漂（Zero-Drift）技术抑制了运放的失真和温漂。绝缘隔离FET的寄生电容、晶体管饱和效应、输入泄漏IIB都很低，因此具有较好的带宽和更大的输出摆幅，然而其受限于复杂的工艺（价格昂贵）。以德州仪器（TI）和意法半导体（ST）的运放为例，分析不同工艺的发展趋势，[3]如图3所示：

图3 运放的不同工艺新品占比趋势

教师在课堂上提出仿真实例作为相应知识点的载体，将“灌输式”知识点转向“探究式”仿真实例，引导学生思考实例所涉及的知识点，以此引出授课内容。一方面，帮助抽象思维能力欠佳的学生更形象地了解电路；另一方面，促使学生带着目标去学习，积极主动地运用模电理论知识来解决工程应用问题。学生感到学有所得，学有所用，上课更有激情、更加投入，课堂效率大有提高。

三、仿真驱动理论学习模式

结合《模拟电子技术》这一专业基础课的特点与实践经验，提出仿真驱动理论学习方法，将“灌输式”知识点转向“探究式”仿真实例，[4,5]以提升教学效果。首先，与生活紧密联系的案例使课堂教学充满生机与趣味，加深学生对知识的印象；其次，通过仿真案例的任务分配将考核融入学习过程中，杜绝考前突击的现象，督促学生平时多学习积累；最后，仿真的引入强化了理论与实践的联系，促使学生主动地学习运用模电理论知识来解决工程应用问题，提高学生分析问题和学以致用的能力。

根据交叉耦合传输零点产生机理，当信号通过多条传输路径时，在某一个或多个频率点相位相反幅度相同时，可以产生有限个传输零点[5-6]。本文在之前讨论的新型耦合谐振带通滤波器一、四级谐振器间引入感性耦合，构建了一条新的传输路径，从而在通带两端产生两个传输零点，提高了带外抑制。

（一）设计仿真实例

仿真实例的设计，要求教师能够熟练地运用理论知识，结合自身充足的实践经验，来激发和挖掘学生的实践潜能。

第二，时间和空间上的拓展性。仿真驱动理论学习模式能够避免教学中学生申请实验室困难、实验箱硬件电路固定不可调、元件损耗大的问题，克服时间和空间上的局限性。学生可以利用课外时间，在宿舍、图书馆随时随地进行仿真，扩充课堂知识，实现探究式“知行合一”的实践。

第一，紧密联系生活。教师在设计仿真实例时需要反复斟酌，尽量从学生的实际生活中提炼相关的趣味且实用型电子产品，作为相应知识点的载体，如表3所示：

表3 仿真实例与知识点

知识点报警器 电压比较器 比较输入的模拟量和参考量，输出数字量低频信号发生器 RC桥式正弦波振荡电路 满足幅度平衡条件和相位平衡条件，能观测电路从起振到稳幅的过程，并可调节振荡建立的时间镍镉电池自动充电器 降压（限流）、整流电路及三极管应用 电容、二极管构成降压、整流电路，输出经二极管给电池充电；电池充满后，三极管饱和导通，自动切断充电电流光照控制自动调光台灯 脉冲触发、电容充电速率 光敏电阻的大小能改变电容的充电速率，从而改变二极管导通角，实现调光功能电子生日蜡烛 三极管及其双稳触发电路 热敏电阻的阻值影响三极管集电极和基极的压降，使由三极管构成的双稳电路发生翻转音频功率放大器 电压放大、功率放大、负反馈、二极管应用仿真实例先设计功率放大级来放大电流，保证输出波形不失真；再用运放设计电压放大级，提供功率级所需的电压CPU风扇 电压比较器 通过热敏电阻监测CPU温度，高温时才转动，既散热又省电有源滤波器 积分运算电路的幅频特性 用运放、电阻、电容实现低通、高通、带通以及带阻滤波

可以看出，仿真实例都来自于日常生活。这样在一定程度上可以避免学生在抽象、枯燥的理论知识中失去学习兴趣，使其感受到学以致用的乐趣，找到课程知识的用武之地，激发学习主动性、探究性和创新实践能力，增强课程的教学效果。

第二，以能力为本位，因材施教。为了避免打击学生的积极性，降低课程的入门难度，仿真实例的设计不宜难度太高，应该以人为本，以确保仿真驱动理论学习模式的顺利实施。同时，教学过程中，教师应及时听取学生的反馈建议，不断探索，不断改进。设计的仿真实例可按难度系数阶梯式分布，由浅入深，不同层次的学生可以有不同的选择范围。这样因材施教的模式，既照顾基础薄弱的同学，又充分考虑学生的兴趣导向，保证每个学生都能顺利完成设计、调试，最大限度地发挥自身的探究性和创新实践能力。

（二）仿真实例的辅助软件

第一，课堂上的动态直观性。在课堂上利用Multisim、Proteus等虚拟仪器，[6]模拟实际电路的搭建及设计，学生可以随时观察输入和输出的时域波形、频域谱线。在授课中，教师通过改变电路各参数和拓扑结构，将抽象理论转换为动态的直观形象的波形、谱线，并为学生进行演示，让学生感性认识电路的变化过程，降低理解难度，缩短掌握知识点的时间，提高课堂效率。

都说开源节流，节流重要，开源的意义更大。其实更确切的说是培养孩子的赚钱意识，可以更准确地说让孩子了解赚钱的规则，让孩子从获取收入的过程中，了解到财富流转的规则，在工作中还能体味到回报与付出成比例这样看上去简单的道理，小时候的这项功课，将会给他们的一生带来巨大的精神和物质财富。

藏匿在英子宫里面的肿瘤细胞，从肆无忌惮的活跃一步步走向奄奄一息的死亡，从放疗初期的极其不适，到放疗中期的剧烈反应，再到放疗后期的渐趋适应。英终究还是挺过来了。英竭力隐忍的经历，再一次告诉她，身体的一切痛楚都是过眼云烟。

四是水资源管理不断加强。《河南省人民政府关于实行最严格水资源管理制度的实施意见》和《河南省人民政府办公厅关于实行最严格水资源管理制度考核办法》即将正式颁布施行。首次确立了水资源控制指标体系，各项控制指标已全部分解到各省辖市，2013年年底前将全部分解到各县市区，该项工作走在了全国前列。在全国率先开展了省、市、县水资源系统平台建设和水资源信息管理软件研究开发工作。突出抓好节水型社会和水生态文明试点建设，试点数量位居全国前列。

如表4所示，Protel Mixed Sim与Multisim仿真操作相似。以Protel Mixed Sim混合仿真为例，分析电路时执行工作点分析（Operating Point Analysis）和瞬时分析（Transient Analysis）、交流小信号分析（AC SmallSignal Analysis）或参数扫描分析（Parameter Analysis）等仿真功能。使用软件时，要求学生熟悉Multisim、Proteus等虚拟仪器的操作界面，明确选取元器件时的注意事项，掌握原理图设计、布局、调试、PCB 设计等操作，为今后的课程设计、实训、实习、就业打下厚实的基础。

表4 Protel Mixed Sim与Multisim仿真

电路分析 Protel Mixed Sim Multisim 作用静态工作点 Operating Point Analysis DC Analysis /DC Sweep 电路中各个节点的参数瞬时分析 Transient Analysis 输入波形、输出波形交流小信号分析 AC Small Signal AC Analysis Analysis 幅频特性、放大倍数参数扫描 Parameter Analysis Parameter Sweep 对元件进行扫描，确定最佳参数

静态工作点、瞬时分析、小信号分析和参数扫描是《模拟电子技术》课程的重中之重，表4列出了Multisim、Proteus的常用仿真功能：[7]

购电商的盈亏均衡点对应的市场需求为xr。令Πr(q)=0，得到令当x∈[0,kq)时，Πr(q)<0；x∈[kq,+]时，Πr(q)≥0。

（三）仿真实例的教学

1.引出授课内容

可以看出，CMOS正超越BJT成为业界主流工艺。因此，教学上应该增加“场效应管及其基本放大电路”的内容，适当缩略“晶体三极管及其基本放大电路”的内容，更好地引导学生了解业界最新动态、将理论知识与工程应用紧密地联系起来。

2.电路拆分成子单元

实施案例仿真前，教师首先讲解各仿真实例对应的知识点。例如，汽车的玻璃除霜实例对应电阻电路的设计；音频信号放大器对应放大电路的带宽和负载设计；电子生日蜡烛对应双稳触发电路，热敏电阻的阻值影响三极管集电极和基极的压降，使由三极管构成的双稳电路发生翻转。

之后，教师再指导学生将各实例电路拆分成子单元，以直流稳压电源为例，如图4所示：

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图4 直流稳压电源设计框图

图4中将直流稳压电源的设计分解为变压、整流、滤波、稳压4个子电路。电路的拆分有助于学生进一步理解仿真案例，一定程度上降低学习难度。仿真实例由学生分组合作完成，每个成员设计一个子电路。学生通过图书馆和网络资源来搜集相关资料、利用Multisim、Proteus等虚拟仪器，搭建并设计电路。

供应情况：国内市场方面，企业重心仍在出口市场，国内放货不多，局部催货现象严重。出口方面，企业积极集港发运8月订单，因7月订单延期较多，8月港口待发量较大。因中国兑美元汇率逐渐逼近7，出口利好持续发酵。原材料方面，硫磺市场延续上行态势，业内看涨心态较强；硫酸市场震荡上扬；合成氨市场盘整运行，局部窄幅调整；磷矿石价格高位企稳，新单成交陆续增加；总体看原料价格大稳小动，对二铵形成较强支撑。上周随着个别短期检修企业陆续复产，企业平均开工率明显上涨，约为66%。

本文主要分析了基于不同缓控释肥料对水稻秀水134产量及经济效益的影响，结合两个试验案例中的多个处理区，通过不同缓控释肥料施肥、常规施肥及无施肥区进行试验对比发现，一般施用缓控释肥料可提高10%～15%的水稻作物产量，肥料利用率可提高25%，效果明显。而在试验中发现施肥脲甲醛缓释肥效果最佳，脲甲醛缓释肥是被目前公认的稳定性最佳的缓释控肥料，在有效减氮的同时可以提高水稻的氮素吸收利用率，对简化水稻施肥技术和节约劳动人力成本都有好处。

3.探究电路

教师将仿真案例作为学生的课外仿真作业，如讲授放大器时布置学生设计脉搏信号放大器或微弱信号检测电路等。学生分组合作，撰写设计报告，通过答辩的形式互相交流，完善已有的知识，培养探究电路的兴趣。

在运用模电理论知识来解决工程应用问题的过程中，学生慢慢学会将课本的精确计算的思维转换为工程上的近似估算思维模式。近似估算一方面可以简化电路模型，节省繁琐的计算时间；另一方面可以突出设计中的主要指标，便于调试时候排查电路故障。

丰富的仿真案例不仅能够锻炼学生设计电路的能力，同时也为学生的创新思维提供更广的发挥空间，为后续课程的延伸打下更厚实的基础。仿真案例由简单到复杂，符合学生理性认知的过程，也降低理解难度，提升学生就业后的岗位适应能力。

参考文献：

[1] 李雪梅."模拟电子技术"课程教学模式的改革[J].电气电子教学学报,2015,37(2):35-37.

[2] Adel S. Sedra,Keneth C.Smith.Microelectronic Circuits 6th ed[M].New York:Oxford Univesity Press,2009.

[3] 张林,邓天平."模拟电子技术"课程教学内容改革探讨[J].电气电子教学学报,2015,37(2):14-16.

[4] 华成英,王红,叶朝辉.电子技术基础课程研究型教学模式的探索与实践[J].北华航天工业学院学报,2011,21(4):41-43.

[5] 赵伟强,沈红卫,魏佩敏,等.项目驱动团队学习模式在工科电类课程教学中的应用[J].绍兴文理学院学报,2014,34(12):5-8.

（4）酒店机电安装专业多、专业性强、整体协调质量管理难度大：酒店机电工程包括管道工程、通风工程、强电系统、弱电系统、给排水系统等，不同专业关联性、系统性极强，并与精装饰整体协调质量难度大。

[6] 侯向锋,周兆丰.Proteus在模拟电子技术教学中的应用[J].湖北师范学院学报(自然科学版),2012,32(4):114-118.

[7] 邓天平,张林."电路"和"模拟电子技术"课程教学改革[J].电气电子教学学报,2015,37(4):21-23.