李 玲 趙冬梅 宋 陽 艾 杰

(海軍大連艦艇學(xué)院 基礎(chǔ)部， 大連 116018)

教學(xué)模式是教師教學(xué)理念、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)藝術(shù)的綜合體現(xiàn)[1]。有效的課堂教學(xué)模式對學(xué)員知識的理解、能力的培養(yǎng)、全面素質(zhì)的提高都具有重要意義[2]。

“模擬電路”是諸多理工科學(xué)員的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，一方面課程所涉及的非線性器件和非線性電路的分析方法對后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)具有重要作用；另一方面課程內(nèi)容所蘊含的邏輯性、系統(tǒng)性、辯證性等對學(xué)員思維方式的培養(yǎng)和價值觀的塑造大有裨益。根據(jù)課程特點，針對教學(xué)內(nèi)容探索適合的教學(xué)模式，可以更加有效地促進教學(xué)目標的達成。

1 “模擬電路”與“電路分析”

在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)員對“模擬電路”和“電路分析基礎(chǔ)”的認識比較混亂，會帶著“電路分析基礎(chǔ)”的思維定勢學(xué)習(xí)“模擬電路”，這對“模擬電路”的教學(xué)造成了很大困難?！半娐贩治龌A(chǔ)”也是理工科類學(xué)員的專業(yè)基礎(chǔ)課，更是“模擬電路”的基礎(chǔ)課程，兩門課程均是研究電路的，分析電路的依據(jù)都是元件約束和結(jié)構(gòu)約束，但是研究的側(cè)重點有所不同，具體如表1所示。

表1 “電路分析基礎(chǔ)”與“模擬電路”對比

“電路分析基礎(chǔ)”側(cè)重電路的兩種分析依據(jù)和基本分析方法的學(xué)習(xí)；而“模擬電路”更貼近工程實際，側(cè)重于工程思維方式的培養(yǎng)，課程內(nèi)容中所涉及的電路均是從實際電路抽象出來的電路模型，與“電路分析基礎(chǔ)”相比，所要分析的電路更復(fù)雜，這也是學(xué)員學(xué)習(xí)的難點。為了提高學(xué)員的主動學(xué)習(xí)意愿，更好地培養(yǎng)學(xué)員的工程素養(yǎng)，提出教學(xué)內(nèi)容的講授基于實際任務(wù)需求的五星教學(xué)模式。

2 五星教學(xué)模式概述

五星教學(xué)模式也即“首要教學(xué)原理”，實質(zhì)是：具體的教學(xué)任務(wù)應(yīng)被置于循序漸進的實際問題解決情景中完成，即先向?qū)W習(xí)者呈現(xiàn)問題，然后針對各項具體任務(wù)展開教學(xué)，接著再展示如何將學(xué)習(xí)到的具體知識運用到解決問題或者完成整體任務(wù)中去[3]。

此教學(xué)模式將枯燥難學(xué)的授課內(nèi)容與豐富有趣的實際任務(wù)相結(jié)合，使學(xué)員的學(xué)習(xí)有所依托，對每次課都有所期待，自覺建立課程的學(xué)習(xí)興趣，從而主動參與學(xué)習(xí)。只有達到了這樣的要求，才是符合學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)者心理發(fā)展要求的高效教學(xué)[3]。

3 典型教學(xué)設(shè)計案例

以康華光版第六版《電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分)》第10.8.1節(jié)單門限電壓比較器為例，給出基于五星教學(xué)模式的詳細教學(xué)設(shè)計。

3.1 聚焦解決問題

五星教學(xué)模式認為教學(xué)內(nèi)容一定要聚焦解決問題，因此課程開始前首先要給學(xué)員明確本次課的任務(wù)。為使學(xué)員保持較高的學(xué)習(xí)興趣，任務(wù)的設(shè)置最好與工程實際或生活實際息息相關(guān)，因此課前教員要深入挖掘所講內(nèi)容的實際應(yīng)用，將教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用深度融合。如本次課提出的任務(wù)是：路燈的亮滅與光線的強弱關(guān)系密切，光線強時路燈滅，光線弱時路燈亮，請利用所學(xué)知識設(shè)計光控路燈電路。

3.2 激活原有知識

1) 任務(wù)分析

為方便任務(wù)的實現(xiàn)，首先需要對任務(wù)進行分析，并將實際問題轉(zhuǎn)化為電路語言。假設(shè)光線的強弱為輸入電壓vi，光線強時vi增加，光線弱時vi減??；路燈的亮滅為輸出電壓vo，輸出高電平時，路燈亮，輸出低電平時，路燈滅；路燈亮的瞬間所對應(yīng)的光線為固定電壓VREF。電路需實現(xiàn)的功能是將輸入電壓vi與固定電壓VREF作比較，并將比較的結(jié)果用高低電平的形式表示出來，輸入-輸出電壓對應(yīng)關(guān)系應(yīng)為

(1)

2) 激活舊知

認知的發(fā)展具有連續(xù)性，新知識往往是已學(xué)知識的延續(xù)、深化和拓展，因此在學(xué)習(xí)新內(nèi)容之前需要引導(dǎo)學(xué)員充分激活原有知識。如在本任務(wù)中，學(xué)員在第二章集成運算放大器中已學(xué)過實際運放的特點及其電壓傳輸特性曲線，如圖1(a)所示。

(a)實際運放傳輸特性曲線

(b) 理想運放傳輸特性曲線圖1 集成運放的電壓傳輸特性曲線

從圖1(a)可以看出，實際運放的輸出電壓與凈輸入電壓之間的關(guān)系分兩種情況，在凈輸入電壓較小時，輸出電壓隨凈輸入電壓的增加而線性增加，這一區(qū)域稱為線性區(qū)；而當凈輸入電壓大于某一電壓值時，輸出電壓維持不變，不再隨輸入電壓的變化而變化，這一區(qū)域稱為非線性區(qū)[4]。

實際運放線性區(qū)的范圍與其開環(huán)電壓增益有關(guān)，由于運放的開環(huán)增益很大，故線性范圍很窄，理想情況下運放的電壓傳輸特性曲線如圖1(b)所示[4]，可近似認為

(2)

即

(3)

從理想運放非線性區(qū)的輸入-輸出關(guān)系上看，該器件實現(xiàn)了同相輸入端電壓與反相輸入端電壓的比較，且用正負飽和值來顯示比較的結(jié)果，這便提供了思路：若將運放同相端電壓和反相端電壓分別設(shè)置成光線變化的電壓vi和固定電壓VREF，是否可實現(xiàn)二者的比較？按照這個思路，進入展示論證新知階段。

3.3 展示論證新知

1) 理論分析

由于理想運放非線性區(qū)的輸入-輸出電壓特點是：同相輸入端電壓高，輸出正飽和值；反相輸入端電壓高，輸出負飽和值。而所需實現(xiàn)的電路卻是：光線強時，路燈不亮，即輸入信號vi高時，電路輸出電壓vo應(yīng)為低電平。故將輸入信號vi加在運放的反相輸入端，固定電壓VREF加在運放的同相輸入端，構(gòu)成圖2所示電路。

圖2 單門限反相輸入電壓比較器

在該電路中，由于 ，結(jié)合運放非線性區(qū)的特點，可得

(4)

顯然，該電路實現(xiàn)了輸入信號vi與固定值VREF的比較，并將比較的結(jié)果用正負飽和值來表示，我們將這樣的電路稱為電壓比較器；由于該電路中輸入信號是加在運放的反相輸入端，所以將其稱為反相輸入電壓比較器；另外，只有當vi=VREF時，輸出電壓才會發(fā)生高低電平的跳變，因此將輸出電壓跳變瞬間所對應(yīng)的輸入電壓值稱作門限電壓，由于該電路只有一個門限電壓，故將該電路稱為單門限反相輸入電壓比較器[4]。

2) 仿真驗證

該電路是否與理論分析相符，還需要仿真驗證。在Multisim仿真軟件中搭建電路，在運放反相輸入端加入一個隨時間增加幅值先增加再減小的信號，代表從天黑到天亮再到天黑的過程；在運放同相輸入端加入4.5 V的固定電壓，代表路燈亮?xí)r所對應(yīng)的最弱光線；在運放輸出端接一個燈泡，代表路燈；示波器同時顯示輸入和輸出波形，紫色線代表運放反相端的輸入信號波形，藍色線代表運放輸出端的波形。仿真電路及仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真電路及仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果上，當輸入信號小于4.5 V時，輸出電壓為高電平，燈泡亮；當輸入信號增加到大于4.5 V時，輸出電壓從高電平跳轉(zhuǎn)到低電平，燈泡滅；隨著輸入信號繼續(xù)變化，當輸入信號再次減小到小于4.5 V時，輸出電壓又從低電平跳轉(zhuǎn)到高電平，燈泡亮。這一過程與實際需求相符，初步實現(xiàn)了任務(wù)。

3.4 嘗試應(yīng)用練習(xí)

為了使學(xué)員對已學(xué)內(nèi)容有更深刻的理解，圍繞任務(wù)設(shè)計圖4擴展電路，電阻R是光敏電阻，且隨光照的增強，電阻值變小，請學(xué)員結(jié)合所學(xué)知識討論隨著光照的增加，發(fā)光二極管的變化情況。

圖4 光控路燈原理電路

在該電路中光敏電阻就是一個傳感器，將光照的變化轉(zhuǎn)換成了電阻的變化。由“虛斷”及電阻串聯(lián)分壓可知，運放同相端的電壓基本恒定為4.5 V。若光敏電阻阻值為1 kΩ，則運放反相端電壓也為4.5 V，電橋平衡，運放凈輸入電壓為0 V，輸出電壓也為0 V，二極管不亮。但是當光線較弱時，光敏電阻阻值增加，電橋不平衡，運放反相端電壓降低，同相端電壓大于反相端電壓，運放輸出正飽和值，發(fā)光二極管亮；反之，當光線較強時，光敏電阻阻值減小，電橋仍不平衡，運放反相端電壓升高，反相端電壓大于同相端電壓，運放輸出負飽和值，發(fā)光二極管不亮[5]。

在這一電路的討論中，運放兩輸入端的電壓需要利用運放“虛斷”的特點及電阻串聯(lián)的分壓公式才可得出，這是對知識的擴展；而輸入-輸出電壓的變化情況，仍需要利用運放非線性區(qū)的特點，這是對知識的鞏固；另外，該電路實際上是光控路燈的原理電路，可依據(jù)此電路在面包板上搭建實物電路，如圖5所示，這是對任務(wù)的實現(xiàn)。

圖5 光控路燈面包板電路

3.5 融會貫通掌握

通過對單門限反相輸入電壓比較器的分析，可歸納出單門限電壓比較器的相關(guān)知識：①電路的工作區(qū)域：運放的非線性區(qū)；②電路的結(jié)構(gòu)特點：運放處于開環(huán)狀態(tài)；③電路的分析方法：運放非線性區(qū)的輸入-輸出電壓關(guān)系和“虛斷”。有了這三條結(jié)論就可類比分析所有的單門限電壓比較器。為了使學(xué)員更好地融會貫通掌握新學(xué)習(xí)的知識，此處可設(shè)計相關(guān)題目以便學(xué)員鞏固練習(xí)，如讓學(xué)員類比單門限反相輸入電壓比較器實現(xiàn)單門限同相輸入電壓比較器，還可讓學(xué)員應(yīng)用所學(xué)方法分析單門限電壓比較器的綜合題目。

4 結(jié)語

采用五星教學(xué)模式將學(xué)員代入實際任務(wù)情景中展開教學(xué)，教學(xué)目標更加明確，針對性更強，學(xué)員直觀體會“學(xué)有所用”，主動學(xué)習(xí)意愿明顯增強，真正做到“以學(xué)員為中心”；教學(xué)過程中任務(wù)的實現(xiàn)是在學(xué)員已掌握知識的基礎(chǔ)上逐步論證達成的，符合認知發(fā)展理論，最終還能遷移提升應(yīng)用到解決其他問題上，更加強調(diào)基礎(chǔ)與方法的重要性；實驗仿真、實物演示及時驗證了理論的正確性，增強學(xué)員的信心，使其保持學(xué)習(xí)熱情，并以此擴展鼓勵學(xué)員探究和創(chuàng)新。