電子技術(shù)課程與工程思維能力培養(yǎng)

伍春洪， 劉蘊絡(luò)， 尤 佳

(北京科技大學 自動化學院， 北京 100083)

電子技術(shù)課程與工程思維能力培養(yǎng)

伍春洪， 劉蘊絡(luò)， 尤 佳

(北京科技大學 自動化學院， 北京 100083)

我校電子技術(shù)課程是針對工科非電類專業(yè)學生開設(shè)的一門技術(shù)類基礎(chǔ)課程。本文結(jié)合該課程具體教學內(nèi)容，以放大電路分析方法為例，論述本課程在培養(yǎng)學生工程思維能力方面起到的作用，希望能起到拋磚引玉的效果，推動課程的教學改革。

電子技術(shù)；工程思維；能力培養(yǎng)

0 引言

當前社會對高校培養(yǎng)的人才需求已經(jīng)由一維向多維轉(zhuǎn)變。期望大學生不僅具有合理的知識結(jié)構(gòu)，還要有較強的學習能力和創(chuàng)新能力。不少成功人士在談及大學生活時都提到：大學教育帶給學生最寶貴的財富應(yīng)該不只是課堂上學到的知識，更多的是一種思維方法。其中，工程思維能力的培養(yǎng)，對工科學生學習能力和創(chuàng)新能力的提升具有十分重要的作用[1-4]。

我校電子技術(shù)課程主要包括 “模擬電子技術(shù) ”和 “數(shù)字電子技術(shù) ”兩大部分內(nèi)容，是一門為工科非電類專業(yè)學生開設(shè)的理論性和實踐性并重的技術(shù)基礎(chǔ)課程。對大部分工科學生而言，這門課程是學生接觸工程概念和工程分析方法的第一門課程，與學生之前學過的數(shù)理基礎(chǔ)課及電路基礎(chǔ)課相比，更貼近工程實際。筆者認為，電子技術(shù)課程的教學目標不僅限于使學生掌握一定的電子知識和技能，更重要的在于幫助學生建立工程思維，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力以及工程實踐能力。

本文以放大電路的分析為例，淺談本課程在培養(yǎng)學生工程思維能力方面所起到的作用，希望能起到拋磚引玉的效果，推動課程的教學改革，以更好地發(fā)揮電子技術(shù)課程作為工科學科基礎(chǔ)必修課在學生能力培養(yǎng)方面的作用。

1 從特殊著手，逐步深入探索

放大電路是電子設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種電路。在生產(chǎn)和科學實驗中，往往需要用微弱的信號去控制較大功率的負載。在各種儀器儀表中，由各種傳感器檢測而來的微弱的電信號需要經(jīng)過放大后才能從儀表上讀出。收音機，手機等無線通訊設(shè)備也需將由天線接收來的信號放大到一定程度后再做其它處理。這部分內(nèi)容是 “模擬電子技術(shù) ”部分的核心教學內(nèi)容，也是 “數(shù)字電子技術(shù) ”中邏輯芯片構(gòu)成的基礎(chǔ)。

電子技術(shù)課程的學習一般都從放大電路開始。在放大電路中，除了有非線性的半導體器件三極管外，還有線性的電阻、電容等元器件；除了有為保證晶體管工作在放大區(qū)的直流偏置電路外，還有信號的輸入輸出通路?？傊?，放大電路中不僅電路結(jié)構(gòu)復雜，信號也復雜，尚未受過工程訓練的學生往往會難以接受，因此這部分內(nèi)容常常成為電子技術(shù)課程入門的 “門檻 ”。

從特殊著手，逐步深入探索是科學探索和解決工程問題時常用的方法之一。 也就是說，對不能一下理清其脈絡(luò)的復雜現(xiàn)象和問題，我們可以考慮先探究一些特殊情況下的求解方案， 這個探求的過程對最后思路的形成往往具有很強的啟發(fā)性。具體策略是：當我們面對一個復雜的對象難以著手分析時，可盡量引入一個或幾個相對簡單且容易解答的新問題，通過學習新問題，啟發(fā)對復雜對象的解題思路，以簡馭繁，直至最后解決問題。

前面提到放大電路中電路復雜，信號復雜，導致初學者對其分析難以下手。教師可運用逐步深入探索的原則，引導學生嘗試從最簡單的、特殊的情況著手去分析。很容易就會想到這個最簡單的、特殊的情況是沒有信號輸入的情況。此時電路中只有直流電源的作用，由于電容對直流電源來說相當于開路，原電路便可簡化成相應(yīng)的直流通路。

求解直流通路的過程被稱為靜態(tài)分析，靜態(tài)分析實際上解決了放大電路工作的平臺問題。當有交流信號輸入時，交流信號是馱載于這個平臺之上的。 接下來有輸入信號的分析可以以這一平臺為基準展開，就好像在分析電機運行狀態(tài)時，我們可以先考慮電機空載的情況，再討論電機負載的情況。研究城市勞動力問題時可以先考慮只有本市常駐人口的情況，再考慮流動人口的影響……

在完成靜態(tài)分析后再進一步去考慮一般情況，即有輸入信號的情況。在這個過程中再次運用從特例到一般的原則。先從最簡單的情況，即輸入為中頻正弦小信號的特例著手分析，此時的電路可以簡化成相應(yīng)的交流通路并用相量法來分析求解。而對一般情況，再通過運用傅立葉定理 “任何周期性的信號都可以看成是正弦信號疊加的形式 ”，可將針對正弦信號的分析方法推廣到一般情況。

從靜態(tài)到動態(tài)，從直流通路到交流通路，從正弦小信號到一般小信號，在原本看上去高不可越的‘門檻’前搭上‘靜態(tài)分析’和‘動態(tài)分析’兩級臺階。使原本看起來難以下手的問題變成可以夠得著的問題。運用從特殊著手，逐步深入探索的工程思維方法，使學生探索放大電路分析方法的過程的同時不僅可以更好地理解 “動靜分離、先靜后動 ”的放大電路分析方法，還可以學習到面對復雜的工程問題時不要畏難不前，學會如何找準關(guān)鍵點，從簡單著手，從特殊到一般的探索原則，掌握逐步發(fā)現(xiàn)、認識、解決問題的工程思維方法。

2 工程建模

模型一詞，源于拉丁文的modulus，意思是尺度、樣本、標準。物理模型就是在一定的場合和條件下，抓住實際物理現(xiàn)象主要的、本質(zhì)的特征，忽略次要的、非本質(zhì)的因素。經(jīng)過這樣處理，抽象出來的物理現(xiàn)象雖不再是原來的實際的物理現(xiàn)象，但它能反映出原來實際現(xiàn)象發(fā)展變化的基本規(guī)律。錢學森院士給模型下過這樣的定義： “模型就是通過對問題現(xiàn)象的分解，利用我們考慮得來的原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創(chuàng)造出來的一副圖畫…… ”。在問題的求解過程中，一個好的模型的建立是成功的一半。建模是開展實際工程分析、應(yīng)用和探索的基礎(chǔ)。

我們在交流通路的基礎(chǔ)上進行放大電路的動態(tài)分析時遇到新的困難：放大電路的交流通路中含有非線性器件(晶體三極管)。能否用以前學過的線性電路的分析方法來求解呢？回答是肯定的，在我們用線性電路的等效模型來表達晶體三極管的特性時，就涉及到晶體三極管等效模型的建立。

前面提到，建模一般需要了解被建模器件的特性,在一定條件下對它的特性進行近似，將其主要特性用理想元件或它們的組合來表示。然而，從晶體管的物理特性出發(fā)去建立等效模型涉及到的半導體理論知識比較復雜，對非電專業(yè)的工科學生來說，不僅學時不夠，理論知識的深度水平也不夠。換一個角度考慮，姑且不去深究晶體三極管內(nèi)部的半導體物理知識，而是直接根據(jù)晶體管對外具有的電路特性來進行建模。把晶體管看成是一個未知參數(shù)的 “黑匣子 ”，通過觀測其三個電極對外的輸入輸出特性曲線，并在一定條件(輸入為小信號)下對原有特性曲線進行近似，可以更方便地建立起晶體管的微變等效電路模型。圖1(a),(b)為在晶體管端口測量得到的晶體管輸入輸出特性曲線：從輸入特性看，輸入電流的變化量ib和電壓變化量ube在靜態(tài)工作點(Q點)附近一定范圍內(nèi)近似滿足線性關(guān)系；從輸出特性看，輸出電流的變化量ic和輸入電流的變化量ib在線性區(qū)近似成比例。故對交流小信號來說，晶體管的輸入端口可用線性電阻rbe來等效，輸出端口可用一個受ib控制的電流源來等效，由此得到晶體管簡化的h參數(shù)等效模型如圖1(c)示。在建立好等效模型的基礎(chǔ)上，將模型代入前面的交流通路中，就可以用線性電路的分析方法對放大電路進行求解了。

(a)輸入特性 (b)輸出特性 (c)h參數(shù)等效模型

圖1 晶體三極管特性曲線和交流小信號等效模型

晶體管等效模型建立的學習過程，不僅可以幫助學生更好地理解所建模型及其適用范圍，理解在不同的條件下同一個器件可能采用不同的模型的事實。模型選取恰當，對問題的分析和計算的結(jié)果才能與實際情況相近；模型選取不當，會給分析和設(shè)計造成困難，甚至無法給出所需的結(jié)果。另一方面，建模學習的過程本身也有助于學生開闊思路、掌握工程建模的方法。這種把未知事物當作是一個黑匣子，從其對外展現(xiàn)出來的性質(zhì)來建模的方法，具有工程實用性，在其它一些探索性的學科也常用到。

3 主要矛盾與次要因素

在放大電路的分析過程中，還多次運用 “抓住主要矛盾,忽略次要因素”的工程思維方法，只有抓住主要矛盾和因素，正確并合理地忽略次要因素，才能從實際出發(fā)，較快地實現(xiàn)對電路的求解，以達到事半功倍的效果。

在放大電路的學習之初，很多學生受到高等數(shù)學、物理等理科學習思維定勢的影響，習慣于嚴格推理、精確求解，造成在實際的電路分析中，不少學生存在片面追求精確結(jié)果的誤區(qū)。這類學生由于過于關(guān)注細節(jié)，反而無法理解和把握電路各部分的整體關(guān)系。在教學過程中，教師可通過對固定偏置放大電路，分壓偏置放大電路，射極輸出器等幾個典型的電路分析比較，使學生掌握 “抓住主要矛盾,忽略次要因素 ”的工程思維方法。領(lǐng)會在工程分析的時候，要能夠根據(jù)條件大膽地進行近似處理，盡快得出有用的結(jié)果。同時理解在實際任務(wù)中，由于器件本身參數(shù)的不確定性，只需甚至也只能采用估算的方法得到結(jié)果，準確的計算不僅耗時，也實無必要。

另一方面，近似是相對的，被忽略的量并非等于0，同樣一個量，在某些場合可以忽略，但在另一些場合卻不能忽略，忽略與否要視各因素的具體情況而定，不能一刀切。 通過放大電路的學習過程，學生逐步適應(yīng) “定性分析、定量估算 ”的方法，培養(yǎng)和鍛煉學生 “抓住主要矛盾，忽略次要因素 ”的能力，這種能力不僅在解決工程問題中很有用，在社會科學以及工作生活方方面面的處理中也都大有裨益。

4 結(jié)語

教育心理學者布魯納認為： “認知是一個過程，而不是一個結(jié)果。 ”因此，教一個人學習，不是教他把結(jié)果記下來，而是要教他知識建立的過程。隨著科技的發(fā)展，新知識和新技術(shù)不斷的涌現(xiàn)，我們師生有時會迷失于教什么，學什么的困惑。在發(fā)展過程中一些急功近利的心態(tài)往往會出現(xiàn)重視結(jié)果而輕視過程的傾向。 “授人以魚，不如授之以漁 ”。大學教育帶給學生最寶貴的財富應(yīng)該不只是課堂上學到的知識，更多的應(yīng)該是一種思維方法。在思維過程中可以使學生鍛煉如何準確地觀察問題、高效地分析問題和科學地解決問題。訓練的目的不是只滿足于獲得一個答案，而是學會如何去尋找答案。

電子技術(shù)這門課程還有許多諸如此類的內(nèi)容，比如放大電路的發(fā)展和演變、電路整體和局部的關(guān)系等等，都充分凝聚著科學和工程思維的運用。在教學中，恰當?shù)匕颜n程內(nèi)容與工程思維、能力訓練結(jié)合起來，多方引導學生參與獲取知識的思維過程，能夠使學生在學習和掌握一定的電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)的同時，提升其用工程的思維分析問題，解決問題的能力。

(伍春洪等文)

期盼本課程能在高等工科教育環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮其作為技術(shù)基礎(chǔ)課程的作用。

[1] 朱高峰. 工程教育中的幾個理念問題[J]. 武漢：高等工程教育研究,2011,01:1-5.

[2] 姚纓英,范承志,林平,馬皓,韋巍. 能力培養(yǎng)為導向的電類基礎(chǔ)課程教學模式[J]. 南京:電氣電子教學學報,2015,03:1-3.

[3] 趙洪. 研究性教學與大學教學方法改革[J]. 武漢:高等教育研究,2006,02:71-75.

[4] 魯玲,劉大年. 從破除思維定勢談模擬電子技術(shù)課程教學[J]. .桂林:桂林電子工業(yè)學院學報,2003,04:48-50.

Discussion on the Role of Electronic Technology Course for Engineering Ability Training

WU Chun-hong, LIU Yun-luo， YOU Jia

(SchoolofAutomationandElectronicEngineering,UniversityofScience&TechnologyBeiJing,BeiJin100083,China)

Electrical technology course is a fundamental technical course for students of non-electrical discipline in our university. Many of the contents embody the application of engineering thinking. This paper takes the amplifier circuit analysis as an example, discusses the role that the course can be played in building engineering thinking and cultivating ability.

electrical engineering; engineering-thinking; ability training

2016-04-26;

2016-05- 31

北京科技大學研究型教學示范課程項目(KC2014YJX22)，北京科技大學教育教學改革研究項目(JG2016M25)

伍春洪(1972-)，女，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)基礎(chǔ)理論教學及光場成像技術(shù)研究工作，E-mail：cwu@ies.ustb.edu.cn

G420

A

1008-0686(2017)02-0048-04