劉鳳春，牟憲民，陳希有

(大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

為了配合我校實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃，筆者在電工電子基礎(chǔ)核心課程建設(shè)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)了系列工程教學(xué)案例，試行了以案例教學(xué)為主要教學(xué)方法的研究型教學(xué)模式。本文以“電子技術(shù)”課程為例，介紹了五個(gè)典型工程教學(xué)案例和教學(xué)思路。

1 教學(xué)案例設(shè)計(jì)的基本原則

因?yàn)榘咐虒W(xué)法是研究型教學(xué)模式所采用的一種基本方法。因此，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的教學(xué)案例，是實(shí)施研究型教學(xué)模式的基礎(chǔ)?！半娮蛹夹g(shù)”課程屬于應(yīng)用性課程，蘊(yùn)含的工程應(yīng)用實(shí)例不勝枚舉。工程案例的教學(xué)設(shè)計(jì)就是要從眾多的實(shí)例中簡(jiǎn)化、提煉出蘊(yùn)含概念和知識(shí)點(diǎn)的典型案例，使其難度和綜合程度與學(xué)生的認(rèn)知水平相適應(yīng)[1]。

筆者通過(guò)實(shí)踐，在教學(xué)案例的設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了如下五個(gè)因素:①案例中須蘊(yùn)含明確的概念和知識(shí)點(diǎn)(案例的典型性);②案例須具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值(案例的應(yīng)用性);③案例易于學(xué)生觸類(lèi)旁通，模仿設(shè)計(jì)(案例的啟發(fā)性);④案例易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣(案例的趣味性);⑤課程每一章應(yīng)有貫穿各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的案例，應(yīng)當(dāng)有應(yīng)用各章典型電路的較大型案例(案例的綜合性)。

2 集成運(yùn)算放大器教學(xué)案例

2.1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度指示器電路

(1)案例陳述:汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫是直接影響汽車(chē)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和使用壽命的主要因素。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度需保持在正常溫度范圍內(nèi)(一般為80～90oC，各種車(chē)型略有不同)，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的高效工作和正常壽命[2]。如果水溫過(guò)高，致使機(jī)油粘度過(guò)稀，不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到潤(rùn)滑、冷卻、清洗和密封等作用，而且還使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能急劇下降，甚至局部燒毀。而處于低溫狀態(tài)下工作，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，磨損加快，油耗增加。因此，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度。

圖1所示為由集成運(yùn)算放大器組成的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度指示器電路。圖中，RT是具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。通過(guò)電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)溫度分別達(dá)到70oC和90oC時(shí)，RT阻值的變化，通過(guò)圖中的兩個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器的輸出，導(dǎo)致發(fā)光二極管LED1或LED2給出相應(yīng)的指示。

圖1 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度指示器電路

(2)授課方案:本案例可在集成運(yùn)算放大器一章中作為電壓比較器的應(yīng)用實(shí)例講解。其知識(shí)點(diǎn)涉及到電壓比較器、穩(wěn)壓電路、熱敏電阻和發(fā)光二極管等。課堂可提出如下一些討論的問(wèn)題:①分析電路的工作原理，思考圖中每一個(gè)元件的作用;②查閱資料，了解熱敏電阻的種類(lèi)及其特性;③如果要改變顯示的溫度值，應(yīng)該怎樣調(diào)節(jié)?④如果采用具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻，電路應(yīng)該怎樣修改?

(3)拓展問(wèn)題:根據(jù)指示燈指示的溫度值為70oC和90oC，設(shè)計(jì)電路的參數(shù)，并選擇電路元件。

2.2 采用差動(dòng)變壓器的測(cè)速裝置

(1)案例陳述:速度是物體做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重要物理量，必須進(jìn)行檢測(cè)才能實(shí)施控制。因此，速度檢測(cè)電路的用途廣泛。速度的檢測(cè)方法很多，采用差動(dòng)變壓器測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)速裝置，其原理電路如圖2所示[3]。本案例涉及到了集成運(yùn)算放大器的多種基本用法，體現(xiàn)了集成運(yùn)算放大器的廣泛用途。圖中各個(gè)部分的功能如下所述。

圖2 采用差動(dòng)變壓器的測(cè)速裝置原理圖

運(yùn)放A1組成RC正弦波振蕩電路，為后續(xù)的運(yùn)放A2組成的同相加法電路提供一個(gè)正弦信號(hào)。運(yùn)放A2電路為差動(dòng)變壓器的一次側(cè)提供了電流信號(hào)i1=I0+Imsinωt，作為激勵(lì)電流。

圖中的差動(dòng)變壓器是速度傳感器，這是需要補(bǔ)充的相關(guān)知識(shí)。RL和L分別是差動(dòng)變壓器一次繞組的等效電阻和電感。

運(yùn)放A3和A4組成兩個(gè)同相電壓跟隨器。輸入阻抗很大，作為隔離級(jí)使用;運(yùn)放A5組成減法電路輸出為 uo5=uo4－uo3，即

運(yùn)放A6組成一階低通濾波器。其功能為濾掉uo5中的交流分量，使其輸出uo6正比于dx/dt。運(yùn)放A7組成同相比例運(yùn)算電路。其功能是放大速度信號(hào)uo6。因?yàn)樾盘?hào)uo6值很小，需要放大后再提供給后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號(hào)，再由數(shù)碼顯示電路將速度直接顯示出來(lái)。

(2)授課方案:本案例可在講完集成運(yùn)算放大器一章后，作為綜合應(yīng)用實(shí)例組織學(xué)生討論。而此案例可在本章教學(xué)開(kāi)始時(shí)就下發(fā)給學(xué)生，并布置如下一些預(yù)習(xí)問(wèn)題:①分析該電路有哪些組成部分?各個(gè)部分的獨(dú)立功能是什么?寫(xiě)出各個(gè)輸出點(diǎn)的表達(dá)式;②分析RC正弦波振蕩電路是怎樣穩(wěn)幅的;有哪些穩(wěn)幅方式?③查閱資料，了解差動(dòng)變壓器的工作原理和功能;④分析電壓跟隨器的作用;⑤分析一階低通濾波器的濾波效果，如果濾波效果欠佳，應(yīng)當(dāng)怎樣改進(jìn)?

另外，A/D轉(zhuǎn)換電路與顯示電路這兩部分的知識(shí)點(diǎn)屬于后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容，不需要在此展開(kāi)講解，可作為一個(gè)待解問(wèn)題，在學(xué)習(xí)相關(guān)章節(jié)后，讓學(xué)生繼續(xù)完成其設(shè)計(jì)。

(3)拓展問(wèn)題有:①試采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生+5V ～－5V基準(zhǔn)直流信號(hào)UR的電路;②設(shè)計(jì)一個(gè)能夠自動(dòng)穩(wěn)幅、頻率為5kHz、峰峰值為10V的RC正弦波振蕩電路，以此代替圖2中A1組成的RC正弦波振蕩電路;③設(shè)計(jì)電路參數(shù)使運(yùn)放A5組成的減法電路輸出為:uo5=uo4－uo3;④設(shè)計(jì)電路參數(shù)使運(yùn)放A7組成的放大電路的放大倍數(shù)為100。

3 集成定時(shí)器綜合教學(xué)案例

就教學(xué)內(nèi)容而言，集成定時(shí)器555一般是時(shí)序邏輯電路一章中的內(nèi)容。但由于555的應(yīng)用十分廣泛，常常與電工技術(shù)或電子技術(shù)的許多知識(shí)點(diǎn)或典型電路一起構(gòu)成綜合性的實(shí)用電路，而且原理簡(jiǎn)單、趣味性強(qiáng)，易于學(xué)生理解、掌握和進(jìn)一步的應(yīng)用。因此，筆者在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)了大量包含555電路的綜合性教學(xué)案例，現(xiàn)列舉兩例進(jìn)行討論。

3.1 雨聲模擬電路

(1)案例陳述:下雨時(shí)雨滴落地的聲響可用擬聲“嗒”來(lái)模擬。其聲響不大，但比較清脆。如果用示波器觀察該雨滴聲響的波形，為前沿陡峭、后沿略顯平緩下降的窄脈沖波。使用電子電路仿真該波形的電路如圖3所示[4]。該電路由兩部分組成:左邊部分為由單結(jié)晶體管T構(gòu)成的尖脈沖發(fā)生器(弛張振蕩電路);右邊部分為由555構(gòu)成的音頻振蕩電路(多諧振蕩器)。

單結(jié)晶體管弛張振蕩電路的振蕩頻率取決于R1、R2和C1。其輸出的尖脈沖 uo1控制555多諧振蕩器的4端。當(dāng)脈沖前沿到來(lái)時(shí)，555多諧振蕩器起振，從3端輸出音頻脈沖，發(fā)出“嗒——”的音效;當(dāng)脈沖后沿到來(lái)時(shí)，555多諧振蕩器停振，聲音消失。采用555的多諧振蕩器振蕩頻率決定了喇叭發(fā)出的音效。

圖3 雨聲模擬電路

(2)授課方案:在講授555多諧振蕩器后，給出此案例，可設(shè)計(jì)以下幾個(gè)問(wèn)題供學(xué)生自行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證:①分析圖3所示電路的工作原理;調(diào)節(jié)電位器R1時(shí)，對(duì)該電路將產(chǎn)生哪些影響?②如果多諧振蕩器的振蕩頻率在300～500Hz范圍內(nèi)，分析該電路產(chǎn)生的音效;弛張振蕩電路的振蕩頻率對(duì)該音效有何影響?③如果要求電路3端輸出高、低電平的時(shí)間盡量接近，電路的參數(shù)應(yīng)當(dāng)怎樣選擇?④若要求電路3端輸出脈沖頻率的占空比為0.5，電路應(yīng)當(dāng)怎樣修改?

(3)拓展問(wèn)題有:①如果將弛張振蕩電路的輸出信號(hào)接到555的電壓控制端5端，電路所產(chǎn)生的振蕩波形將怎樣變化?②設(shè)計(jì)能產(chǎn)生救護(hù)車(chē)音效的振蕩電路。

3.2 簡(jiǎn)易水塔水位控制電路

(1)案例陳述:液位的測(cè)量幾乎遍及生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在化工類(lèi)的生產(chǎn)過(guò)程控制中，液位是重要的過(guò)程控制量。其液位傳感器須具有在惡劣環(huán)境下仍能保持高的測(cè)量精度。液位檢測(cè)的方法有多種，因液體的不同檢測(cè)方法亦有不同。圖4所示電路是實(shí)現(xiàn)水塔自動(dòng)抽水控制的電路[5]。

圖4 簡(jiǎn)易水塔水位控制電路

圖中，A、B、C是三個(gè)探測(cè)電極，放置在水塔內(nèi)合適的位置。當(dāng)水塔內(nèi)水位降到低于B位時(shí)，應(yīng)該起動(dòng)水泵工作、開(kāi)始抽水;當(dāng)水塔內(nèi)水位升高到高位A時(shí)，應(yīng)該斷開(kāi)水泵電源，停止抽水。

(2)授課方案:在講授555的基本特性后即可推出本綜合性案例。本案例涉及到多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，其中包括:555組成的RS觸發(fā)器(屬于555的基本應(yīng)用)、功率放大電路、繼電器、交流接觸器以及三相異步電動(dòng)機(jī)等?？稍O(shè)計(jì)以下幾個(gè)問(wèn)題供學(xué)生自行分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證:①分析圖4所示電路的工作過(guò)程;②解釋晶體管T、繼電器KA以及交流接觸器KM的作用;③555能否直接驅(qū)動(dòng)繼電器工作?二極管D的作用是什么?

(3)拓展問(wèn)題有:①實(shí)際應(yīng)用中，為了可靠保證水塔中的水不會(huì)溢出，往往還設(shè)計(jì)了雙重保護(hù)。當(dāng)水位超過(guò)高水位A時(shí)，如水泵沒(méi)有停止工作(可能是探測(cè)電極C支路出現(xiàn)了故障)，則實(shí)行強(qiáng)迫停機(jī)的方式，達(dá)到安全和節(jié)水、節(jié)電的目的。試在圖4的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)上述功能的電路;②查閱資料，了解液位檢測(cè)還有哪些方法?各種方法是否都能實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)調(diào)節(jié)?③在圖4的基礎(chǔ)上使用發(fā)光二極管LED來(lái)直觀指示水位的高低。

4 二極管應(yīng)用教學(xué)案例

(1)案例陳述:在現(xiàn)代工業(yè)、軍事和民用等各個(gè)領(lǐng)域已廣泛采用了紅外傳感技術(shù)。例如，用于樓宇安防的紅外入侵探測(cè)報(bào)警器就是紅外傳感技術(shù)的典型應(yīng)用。紅外線易于產(chǎn)生和接收，其輻射距離一般可達(dá)幾十米甚至更遠(yuǎn)，不具備穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)人體無(wú)損害。適用于邊界防護(hù)和狹長(zhǎng)過(guò)道防護(hù)的對(duì)射式主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器的原理圖如圖5所示。

圖5 紅外入侵探測(cè)器原理圖

該裝置由一收一發(fā)兩部分組成。發(fā)射裝置采用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線，這束紅外線被安裝在防護(hù)區(qū)另一端的光電二極管或光電晶體管(接收器)所接收，形成一道不可見(jiàn)紅外線防護(hù)線。當(dāng)有入侵物體橫跨過(guò)監(jiān)控防護(hù)區(qū)(收發(fā)裝置之間)時(shí)，就阻斷了紅外線，紅外接收器不能檢測(cè)到紅外線，即刻觸發(fā)報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。顯然，該裝置與光電耦合器件的工作原理類(lèi)似。

(2)授課方案:此案例可作為發(fā)光二極管、光電二極管或光電晶體管以及光電耦合器件的應(yīng)用實(shí)例。在講授光電耦合器件后，給出此案例，可按照以下思路引伸出問(wèn)題:將光電耦合器中的普通發(fā)光二極管換成紅外發(fā)光二極管，并將光耦從中間斷開(kāi)，拉長(zhǎng)距離、放置成對(duì)光學(xué)透鏡聚焦紅外線，此裝置可實(shí)現(xiàn)什么功能?提問(wèn):光學(xué)透鏡在這里起了什么作用?(答案:紅外線會(huì)擴(kuò)散，投射出去會(huì)形成圓錐體光束。為了使紅外線傳輸一定距離，并能接收到紅外線信號(hào)，需借助于光學(xué)透鏡)。

(3)拓展問(wèn)題有:①光纖通信的發(fā)送和接收兩部分亦可以認(rèn)為是一個(gè)經(jīng)過(guò)拉長(zhǎng)了的光耦。將光電耦合器中的普通發(fā)光二極管換成激光二極管，通過(guò)光纜線傳輸激光信號(hào)，使用光電二極管接收光纜傳來(lái)的信號(hào)，就組成了光纖通訊的發(fā)送和接收兩部分。激光二極管發(fā)射的光也主要是紅外線;②根據(jù)已掌握的知識(shí)，設(shè)計(jì)出圖5中的紅外發(fā)射器的電路;③學(xué)習(xí)集成定時(shí)器555后，完成圖5中的紅外接收器和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)案例的設(shè)計(jì)既然是以強(qiáng)化工程應(yīng)用能力與創(chuàng)新思維為出發(fā)點(diǎn)的，不應(yīng)局限于課堂討論上。若能設(shè)計(jì)全開(kāi)放型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將這些課堂討論過(guò)的工程教學(xué)案例作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)精神，而且能起到應(yīng)用理論知識(shí)的強(qiáng)化和放大作用。

目前，設(shè)計(jì)全開(kāi)放型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是我校電工電子實(shí)驗(yàn)改革之重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。

[1]劉鳳春，陳希有，牟憲民等.面向卓越計(jì)劃的“電工學(xué)”課程教學(xué)改革[J]，南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):10-12

[2]曹雪詠，林慶松，安第斯.冬季汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度與油耗[J].上海:交通節(jié)能與環(huán)保，2008，01:33

[3]余成波.傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)(第二版)[M].北京:高等教育出版社，2009

[4]肖景和.555集成電路應(yīng)用精粹[M].北京:人民郵電出版社，2007

[5]陳永甫.多功能集成電路555經(jīng)典應(yīng)用實(shí)例第一集[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008