“電路與電子線路基礎”課程教學博物實驗板

王志功，徐 建，馬 力，趙鑫泰，王巍巍

(1.東南大學射頻電路與系統教育部工程研究中心，江蘇南京210096;2.南京矽志微電子有限公司，江蘇南京210096)

0 引言

“電路與電子電路”課程是電子信息類專業重要的技術基礎課程，其工程性和實踐性非常強。它所涉及的基本理論、基礎知識和基本方法對本科生的培養起著重要的作用。如果學生沒有工程經驗或者工程經驗不足，理解起來會很吃力。因此，提高這兩門課的教學質量，一直是高校教學研究和改革的重點[1]。

傳統的電路課程教學中，在講到電池、電阻、電容、電感、變壓器、濾波器和傳輸線時，學生通常只能從教材的圖示中了解，很少有實物展示，學生缺乏感性認識。很多高校教師也許很少有機會接觸教材上介紹的所有元器件。雖然有的學生在電工電子實驗室里會接觸到部分元器件，但全面和系統化展現元器件，在國內高校實驗室里尚不多見。由于學生不能在課堂上直觀認識該課程中所涉及的全部電路器件，只有模糊的概念，會影響該課程的教學效果。

在“電子線路”課程教學中，則要涉及很多電路設計的理論。由于學生缺乏感性的認識，存在著和電路課程教學中相似的問題。為了增強教學效果，高校近年來紛紛引入了多媒體教學，通過動畫或視頻圖像來介紹演示電路元器件和電路等。文獻[2]就曾對這些教學方式做出過探討。

針對上述背景，五年來，在我?！案叩壤砉嶒灠唷苯逃齽撔掠媱澲С窒?，實現了“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學[3]，我們還編寫出版了“電路與電子線路基礎”(電路部分和電子線路部分)一套兩本教科書[3，4]。另一方面，開發出了一套12塊教學博物實驗板，包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線、濾波器，二極管、三極管、場效應管、功率放大器、運算放大器和振蕩器。在此基礎上，我們與國際知名的ADI公司合作建立起一套虛實結合的電子多媒體教學系統:通過USB連接線將PC機、模擬電路設計套件和教學博物實驗板三者連接起來。學生通過這套系統，可以迅速地搭建具有實際功能的模擬電路，實現電路和電子線路的仿真與測試。

大規模網上公開課MOOC(慕課)教學方式對各類課程教學模式和教學體制產生了重大影響。而慕課在工程類課程教學方面目前面臨的最大問題就是實驗教學問題。解決這一問題的一種可能就是開發可以個體化操作的實驗平臺。我們研發的博物實驗板希望能成為電路與電子線路類課程慕課方式教學的一個組成部分。

本文介紹我校開發的“電路與電子線路基礎”課程教學博物實驗板的原理和功能，同時介紹了ADI公司開發的模擬電路測試工具和系統，并展示了兩者如何結合以實現課堂上的教學實踐并探討了其效果和意義。這套博物實驗板分為電路和電子線路兩部分。

1 電路教學博物實驗板

電路實驗板部分包括電池、電阻、電容、電感和變壓器、傳輸線和濾波六塊。

1)電池

紐扣電池包括水銀電池、空氣電池、氧化銀電池和堿性電池等四種，另外還有各種尺寸的錳鋅電池、堿性電池和鎳鎘電池，如圖1所示。

2)電阻

電阻包括貼片電阻、繞線電阻、水泥電阻、薄膜電阻、合成電阻，以及可變電阻和集成電路電阻，如圖2所示。

圖1 電池博物實驗板

圖2 電阻博物實驗板

3)電容

電容包括可變電容、貼片電容、陶瓷電容、薄膜電容、紙介電容、云母電容、電解電容和電雙層電容，如圖3所示。

圖3 電容博物實驗板

4)電感和變壓器

電感和變壓器包括貼片繞線電感、固定線圈電感、磁珠、環形電感、巴倫和變壓器，如圖4所示。

圖4 電感和變壓器博物實驗板

5)傳輸線

傳輸線部分包括扁饋線、二芯電纜和同軸線，以及微帶線和共面波導組成的相關電路，如圖5所示。

圖5 傳輸線博物實驗板

6)濾波器

濾波器部分有切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器、巴特沃斯濾波器和橢圓濾波器，以及陶瓷濾波器，晶體濾波器和聲表面波濾波器，如圖6所示。

圖6 濾波器博物實驗板

2 電子線路教學博物實驗板

電子線路實驗板部分包括:二極管、三極管、場效應管、功率放大器、運算放大器和場效應管六塊。

1) 二極管

器件部分包括整流二極管、檢波二極管、齊納二極管、肖特基二極管、激光二極管、發光二極管、光電二極管和真空電子管;電路部分包括穩壓電路、橋式整流電路和調幅檢波電路，如圖7所示。

圖7 二極管博物實驗板

2)雙極型晶體管

器件部分包括了各種常用的低頻、高頻、小功率和大功率雙極型三極管;電路部分包括雙極型三極管的典型電路，如共基、共發、共集組態電路、達靈頓晶體管電路、電流源電路和差動電路，如圖8所示。

圖8 三極管博物實驗板

3)場效應管

場效應管部分包括部分類型的場效應管以及采用場效應管的典型電路，如圖9所示。

圖9 場效應管博物實驗板

4)功率放大器

功率放大器包括甲類功放、乙類功放、甲乙類功放、丙類功放和丁類功放，如圖10所示。

圖10 功率放大器博物實驗板

5)運算放大器

運算放大器部分包括基于運算放大器組成各種典型電路:反相比例放大電路、同相比例放大電路、相加法器、法運算電路、積分器和微分器，實驗板如圖11所示。

圖11 運算放大器電路博物實驗板

6)振蕩器

振蕩器部分包括RC橋式振蕩器、多諧振蕩器、電容三點式振蕩器和石英晶體振蕩器，實驗板如圖12所示。

圖12 振蕩器博物實驗板

3 教學博物實驗板在教學上的使用

電路和電子線路兩套博物實驗板有如下特點:①整合了“電路與電子線路”課程中涉及的各類典型的電路元器件，能使學生更加直觀地認識各種元器件真實的物理形態;②體積小，重量輕，制作成本低，便于攜帶;③板上都留有觸點和引腳可以用于實驗測量。

我們結合ADI的基于PC機的設備演示，教會學生如何使用博物實驗板進行實驗演示。

如圖13所示，將設備與PCB板中的差分放大電路連接，包括電源，信號源輸出，示波器輸入等。然后選擇適當的輸入信號，即可看到放大的波形輸出。本實例中，輸入選擇偏置電壓為0V，頻率為5kHz，單邊幅度為5mV的差分信號，則輸出約為400mV的差分信號，波形如圖14所示。

圖13 連接設備與PC

圖14 Waveforms的界面

以上即為三極管差分放大電路的實驗流程。由于USB連接設備的功率限制，對于部分電路，例如丙類和丁類功率放大器需要較大功率輸出。

此設備無法支持基于PC的簡易實驗，但可以采用專業信號源、電源和示波器來進行實驗。

4 教學實踐及效果

我們已經在我校吳健雄學院高等理工實驗班的電路和電子線路的教學當中，使用已經出版的兩本教材[4，5]，通過教學博物實驗板和 ADI模擬電路測試工具有效結合，進行了開創性的教學改革嘗試。

首先，我們在課堂上講到電阻、電容、電感等元器件時，就將教學博物實驗板通過傳閱讓學生熟悉實物，增強了他們的感性認識。當講到電子線路的三極管和運放的具體電路時，我們結合ADI的USB模擬測試工具，通過PC機的USB接口實現了在課堂上進行電路的測試和演示，此時學生可以在投影屏幕上直接觀看測試功能。其次，我們在上課的過程中也會讓學生親自動手操作，有效提高課堂的互動性，取得了良好的課堂效果。

5 結語

我們經過兩年的教學實踐，通過教學博物實驗板以及配套測試工具的應用，學生普遍反應提高了課程的興趣，很多概念性的知識會更容易理解和接受，與教師之間也有了更多的互動交流。此外，由于電子線路教學博物實驗板給出的都是基本和經典電路，可以有效地配合電工電子實驗課程，對學生實際動手操作能力的提升也較為明顯。

2012年，這套教學博物實驗板作為“電路與電子線路基礎”課程建設改革成果的一部分，獲得了江蘇省教學成果一等獎。該項“電路與電子線路基礎”課堂教學與實驗教學改革方面的新嘗試，已引起了國內眾多高校的關注。

[1]張勇，對電子線路實驗教學的改革實踐[J].西安:高校實驗室工作研究，2004(2).

[2]劉雅嫻，王力隆，李朝軍等.電子線路課程教學改革的嘗試[J].北京:中國科教創新導刊，2008(9):29-29.

[3]王志功，沈永朝，趙鑫泰，徐建.“電路”與“電子線路”兩門課程的貫通教學[J].南京:電氣電子教學學報，2014(1)，pp.1-3

[4]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(電路部分)[M].北京:高等教育出版社，2012.

[5]王志功，沈永朝.電路與電子線路基礎(電子線路部分)[M].