论文部分内容阅读
摘要：针对现有“模拟电子技术”实践教学存在的实验内容繁杂、以验证为主等问题，提出引入图式建立分层递阶学习模式。通过知识点分解，构建元器件图式，并利用图式运算构建高层模块化图式。学习过程采用自底向上的由局部向整体的方式，由一个图式向另一个图式迁移，实践过程采用自顶向下的模式，根据任务进行分解，选择对应功能图式及元器件图式。实践证明，该教学方法不仅能提高学生的学习兴趣，还有助于启发学生的创新意识，培养学生的创新能力。
关键词：模拟电子技术；实践教学；图式；创新思维
作者简介：李铁军（1976-），男，吉林松原人，集美大学信息工程学院，讲师；陈虹宇（1976-），女，四川广安人，集美大學轮机工程学院，讲师。（福建 厦门 361021）
基金项目：本文系集美大学教学改革项目“强化供用电能力培养的《供电技术》教学改革”（项目编号：JY09037）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0131-02
“模拟电子技术”课程是工科院校信息科学与技术学院类自动化、电气、测控、电子等相关专业的主干专业基础课，具有较强的理论性和专业实践性等特点。实际教学中存在如下问题：理论知识比较抽象；基本元器件具有非线性特征，需视不同的工作环境作不同的线性等效，学生不易掌握；同一元器件组合用在不同的电路中，特性应用的侧重点不同，学生经常丢主抓次。[1]实践教学是弥补理论教学不足的重要手段，实践教学不仅能锻炼学生的动手能力，而且能加强学生理论联系实践的能力。[2]而传统实践教学存在仪器操作复杂；实验一般在已封装好的实验箱或实验台上进行，以验证实验为主，导致学生对元器件的作用不明确，电路基本原理不清楚，不会根据电路原理图布线，实验结果缺乏分析；不利于创新思维培养等缺陷。
德国心理学家巴特利特（Bartlett）在《记忆》一书中最早使用了图式（schema）的概念。他认为图式是“过去的反映，或过去的经验的积极组织”，是一个不断发生作用的已有知识结构，遇到新事物时，只有把这些新事物和已有的图式联系起来才能被理解。[3]图式在外语教学[7]及机器人路径规划[8]等方面得到了成功应用。
为顺应教育部推动的“卓越工程师教育培养计划”，本文引入图式概念，将知识点进行了分解，建立了分层递阶学习模式，形成了由浅入深、由元器件向电路、由仿真向硬件过渡的模块化教学，锻炼了学生的实践动手能力，培养了学生的电子线路设计能力与创新能力，加强了学生分析问题、解决问题的能力，以及启发了学生的创新意识。
一、基于图式的学习框架设计
图式理论是现代认知心理学的一种认知理论，图式是“表征存储在记忆中的一般概念的资料结构”，具有高度抽象和结构化的特点。作为知识经验的贮存结构，图式影响着人对客观事物或各种刺激情境的理解和反应。就教学活动而言，图式有利于知识的记忆、应用、迁移。一旦图式知识被激活，就能引导问题解决者以特定的方式搜寻问题空间、寻找问题的有关特征，从而提高问题解决的效率。[4]
皮亚杰认为图式就是心理、思维或智力的结构。图式经过同化、顺应和平衡这样的学习与适应过程，构成了新的图式，不断发展变化，不仅有量变，也有质变。其中同化是图式的量的变化，顺应是图式的质的变化。[5]基于上述思想，将图式引入到“模拟电子技术”课程实践教学过程中，设计符合“模拟电子技术”课程特点的学习框架，如图1所示。
由于实践教学的主要目的是锻炼学生的动手能力，加强学生理论联系实践的能力，且学习是循序渐进的过程，因此学生首先要学会基本元器件的用法，即元器件的构成、基本原理、性能和使用方法，并在此基础上进行综合应用。故基于图式的教学框架采用分层递阶模式，包括如下三个主要部分：
1.知识模块层
通过知识点分解从最基本的元器件开始学习，每个元器件建立一个独立的学习图式。在此基础上，再迁移学习其他元器件，首先学习共性，再延伸出差异性，这样由浅入深、由易到难、由简单到复杂逐步掌握基础知识。
2.功能应用层
在掌握基本元器件的基础上，通过元器件组合构成具有特定功能的电路图式。电路图式也是从单功能到多功能、由静态到动态、由单板到集成的渐进学习。
3.应用设计
根据实际需求，设定由简单到复杂的题目，教会学生进行逆向学习，培养学生的应用设计能力及创新能力。学生拿到题目，首先要进行任务分解，其次要选择能完成某个子任务的电路图式，再选择相应元器件，最后完成该电路图式的具体设计。调试电路并观察输入输出，在确定电路功能正确的基础上，同理完成其他子任务。整个过程学生完全是主体，教师可作为辅助，适时指导。
整个学习过程采用自顶向下（Top-down）和自底向上（Bottom Up）两种方式。自底向上着重学生的学习过程，即教会学生由独立到整体、由特殊到一般的学习方法；自顶向下突出学生应用能力的培养，即学生在前期知识积累的基础上，根据给定任务进行任务分解、功能模块选择及组合应用的过程。两种方式相辅相成，既教会了学生的学习方法又锻炼了学生的设计应用能力。
二、元器件层
元器件图式可参考机器人学的慎思/反应结构进行设计，如图2所示。
感知代表输入，即与元器件相关的一些信息，部分输入信息如下所示：
1.型号命名方法
了解基本元器件的型号命名方式，并不是要记住所有命名方式代表什么含义，而是认识其型号命名表示方式，为以后实际应用中可以自己进行选型奠定基础。如湿敏电阻器的型号名称包含三部分：第一部分用字母表示主称，第二部分用字母表示用途或特征，第三部分用数字表示序号以区别外形尺寸和性能参数，则MS01-A代表通用型号湿敏电阻器。 2.技术参数
如标称阻值、允许误差、极限工作电压（电流）等。
3.等效模型
即元器件的理想模型与类等效模型。
执行代表该元器件的功能，即用途，这里需要掌握的内容主要是元器件的引脚排布和元器件按功能分类。
规划主要是对某个元器件的性能监测，如二极管导电性能，可利用数字万用表，其正向电阻越小，反向电阻越大，性能越好。
在完成某个元器件图式的学习后，下一个元器件图式的学习主要利用迁移的学习方法，即类比与对比，对二者的相同与差异之处进行学习。例如，学了电阻器元器件后，电容器元器件感知输入的型号命名由电阻器的三部分增加为四部分，即在电阻器第一和第二部分中间增加了一个材料。
三、电路层
电路是具有某种功能的基本单元，由一系列元器件有机组合在一起。基于人工生命的行为选择理论设计的电路图式如图3所示。教会学生如何依据实际任务需求（高阶感知）进行任务分解，根据前面所学的元器件先验知识（知识库）选择能完成某个子任务的元器件序列，形成具有一定功能的电路图式。同理，设计其他子任务模块，最终完成整体学习。
将基本电路的工作特性与实际应用相结合进行分析。结合实际需要根据课程教学要求，将知识点分解为整流滤波电路、共射放大电路、射极跟随器、差分放大电路、功率放大电路、反馈电路、运算放大电路、振荡电路、稳压电路等多个模块，通过计算机仿真辅助教学，有助于学生理解，激发学生的学习兴趣。
放大电路是模拟电子技术的核心，电路学习可以从最基本的放大电路开始，例如，首先用动画给学生展示放大电路，学生能直观地了解什么是放大，电路是如何放大信号的。其次学生可以动手搭建放大电路，用示波器观察输入和输出波形，正确理解放大概念。
四、教学方法的实施
上述基于图式的教学方法，实施过程可在仿真软件上进行，避免学生因不能分清集成电路等元器件引脚，甚至不会用最常用的电子仪器仪表（如万用表和示波器等）导致误操作，将电子元器件烧坏或带来安全隐患。在仿真学习的基础上，再迁移到实际硬件平台上。应用软件学习也遵循图式的分层递阶学习模式，先熟悉各软件的功能作用、用法，再进行整体协调应用。
1.基本学习
EWB（Electronics WorkBench）是加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司在20世纪90年代推出的电路仿真软件。Multisim是EWB的一部分，可实现电路输入及仿真。[6]因此，本文利用Multisim实现元器件图式和电路图式的教学过程，以将抽象的理论形象化，减少枯燥感。同时，可以将特性分析图像化，从而提高学生的学习兴趣。
学习过程为：元器件绘制→绘制电路图→调节参数→改变每个元器件型号和参数值→观测结果。
在掌握基本知识点的基础上，可以再仿真实际应用中容易出现的问题，加强学生对元器件及电路的认识。
2.结果监测与调试
设计由示波器、万用表和频谱分析仪构成的测试系统价格昂贵、体积龐大，同时如果操作不当，会造成经济损失。而LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是实验室虚拟仪器集成环境，通过图形编程来模拟一些监控仪器。因此，本文引入LabVIEW来实现监测仪器的虚拟设计，并通过仿真环境学习这些仪器的使用方法、连线方式等。在仿真学习的基础上进行实物应用。
3.高级应用设计
仅仅学会某些独立器件或电路设计并不能锻炼学生的创造性思维。为此，本文提出了基于任务的高级应用学习，充分利用Protel丰富的设计功能进行原理图的设计、印制电路板的设计等。
教学过程中，充分考虑到学生的不同层次，设定了难易程度不同的案例。每个案例都要求学生学会进行题目分析和任务分解，针对每个子任务去培养学生的学习能力，如了解PCB板设计的布局布线原则，学习元器件的“封装”等知识。
五、结束语
“模拟电子技术”是电类学生的一门专业基础课，工程实践性强，要求学生不仅有较强的理论知识还要有一定的动手能力。教师单纯的填鸭式教学，学生理解难度大、兴趣不高。本文结合实际需求，根据课程特色，提出引入图式理论建立自底向上和自顶向下结合的分层递阶学习模式，这样既能实现基础教学又能兼顾能力培养。整个教学过程可在仿真平台上进行，学生有基础后再进行实物实验。
参考文献：
[1]黄明.EWB软件在模拟电子技术教学中的应用[J].鄂州大学学报，2012，19（5）：12-14.
[2]王革思，赵旦峰，张朝柱，等.《模拟电子技术》实验课程体系的研究与实践[J].实验科学与技术，2012，10（5）：99-102.
[3]朱秀芝，曹妍.基于图式理论和关联理论的英语听力教学研究[J].外语交流，2012，（8）：40-41.
[4]邓铸，姜子云.问题图式获得理论及其在教学中的应用[J].南京师大学报（社会科学版），2006，（4）：111-115.
[5]邵桂芳.基于动觉智能图式的人工生命体行为及其选择与进化研究[D].重庆：重庆大学，2007.
[6]王海.Multisim10在模拟电子技术课程模块化教学中的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（28）：6856-6858.
[7]Parviz Ajideh.SCHEMA THEORY-BASED PRE-READING TASKS：A NEGLECTED ESSENTIAL IN THE ESL READING CLASS[J].The Reading Matrix，2003，3（1）：1-14.
[8]Yifan Tang and Lynne E.Parker.Towards Schema-Based，Constructivist Robot Learning：Validating an Evolutionary Search Algorithm for Schema Chunking[A].Proc.of IEEE International Conference on Robotics and Automation，Pasadena，CA[C].2008.
注：邵桂芳为本文通讯作者。
（责任编辑：孙晴）
关键词：模拟电子技术；实践教学；图式；创新思维
作者简介：李铁军（1976-），男，吉林松原人，集美大学信息工程学院，讲师；陈虹宇（1976-），女，四川广安人，集美大學轮机工程学院，讲师。（福建 厦门 361021）
基金项目：本文系集美大学教学改革项目“强化供用电能力培养的《供电技术》教学改革”（项目编号：JY09037）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）16-0131-02
“模拟电子技术”课程是工科院校信息科学与技术学院类自动化、电气、测控、电子等相关专业的主干专业基础课，具有较强的理论性和专业实践性等特点。实际教学中存在如下问题：理论知识比较抽象；基本元器件具有非线性特征，需视不同的工作环境作不同的线性等效，学生不易掌握；同一元器件组合用在不同的电路中，特性应用的侧重点不同，学生经常丢主抓次。[1]实践教学是弥补理论教学不足的重要手段，实践教学不仅能锻炼学生的动手能力，而且能加强学生理论联系实践的能力。[2]而传统实践教学存在仪器操作复杂；实验一般在已封装好的实验箱或实验台上进行，以验证实验为主，导致学生对元器件的作用不明确，电路基本原理不清楚，不会根据电路原理图布线，实验结果缺乏分析；不利于创新思维培养等缺陷。
德国心理学家巴特利特（Bartlett）在《记忆》一书中最早使用了图式（schema）的概念。他认为图式是“过去的反映，或过去的经验的积极组织”，是一个不断发生作用的已有知识结构，遇到新事物时，只有把这些新事物和已有的图式联系起来才能被理解。[3]图式在外语教学[7]及机器人路径规划[8]等方面得到了成功应用。
为顺应教育部推动的“卓越工程师教育培养计划”，本文引入图式概念，将知识点进行了分解，建立了分层递阶学习模式，形成了由浅入深、由元器件向电路、由仿真向硬件过渡的模块化教学，锻炼了学生的实践动手能力，培养了学生的电子线路设计能力与创新能力，加强了学生分析问题、解决问题的能力，以及启发了学生的创新意识。
一、基于图式的学习框架设计
图式理论是现代认知心理学的一种认知理论，图式是“表征存储在记忆中的一般概念的资料结构”，具有高度抽象和结构化的特点。作为知识经验的贮存结构，图式影响着人对客观事物或各种刺激情境的理解和反应。就教学活动而言，图式有利于知识的记忆、应用、迁移。一旦图式知识被激活，就能引导问题解决者以特定的方式搜寻问题空间、寻找问题的有关特征，从而提高问题解决的效率。[4]
皮亚杰认为图式就是心理、思维或智力的结构。图式经过同化、顺应和平衡这样的学习与适应过程，构成了新的图式，不断发展变化，不仅有量变，也有质变。其中同化是图式的量的变化，顺应是图式的质的变化。[5]基于上述思想，将图式引入到“模拟电子技术”课程实践教学过程中，设计符合“模拟电子技术”课程特点的学习框架，如图1所示。
由于实践教学的主要目的是锻炼学生的动手能力，加强学生理论联系实践的能力，且学习是循序渐进的过程，因此学生首先要学会基本元器件的用法，即元器件的构成、基本原理、性能和使用方法，并在此基础上进行综合应用。故基于图式的教学框架采用分层递阶模式，包括如下三个主要部分：
1.知识模块层
通过知识点分解从最基本的元器件开始学习，每个元器件建立一个独立的学习图式。在此基础上，再迁移学习其他元器件，首先学习共性，再延伸出差异性，这样由浅入深、由易到难、由简单到复杂逐步掌握基础知识。
2.功能应用层
在掌握基本元器件的基础上，通过元器件组合构成具有特定功能的电路图式。电路图式也是从单功能到多功能、由静态到动态、由单板到集成的渐进学习。
3.应用设计
根据实际需求，设定由简单到复杂的题目，教会学生进行逆向学习，培养学生的应用设计能力及创新能力。学生拿到题目，首先要进行任务分解，其次要选择能完成某个子任务的电路图式，再选择相应元器件，最后完成该电路图式的具体设计。调试电路并观察输入输出，在确定电路功能正确的基础上，同理完成其他子任务。整个过程学生完全是主体，教师可作为辅助，适时指导。
整个学习过程采用自顶向下（Top-down）和自底向上（Bottom Up）两种方式。自底向上着重学生的学习过程，即教会学生由独立到整体、由特殊到一般的学习方法；自顶向下突出学生应用能力的培养，即学生在前期知识积累的基础上，根据给定任务进行任务分解、功能模块选择及组合应用的过程。两种方式相辅相成，既教会了学生的学习方法又锻炼了学生的设计应用能力。
二、元器件层
元器件图式可参考机器人学的慎思/反应结构进行设计，如图2所示。
感知代表输入，即与元器件相关的一些信息，部分输入信息如下所示：
1.型号命名方法
了解基本元器件的型号命名方式，并不是要记住所有命名方式代表什么含义，而是认识其型号命名表示方式，为以后实际应用中可以自己进行选型奠定基础。如湿敏电阻器的型号名称包含三部分：第一部分用字母表示主称，第二部分用字母表示用途或特征，第三部分用数字表示序号以区别外形尺寸和性能参数，则MS01-A代表通用型号湿敏电阻器。 2.技术参数
如标称阻值、允许误差、极限工作电压（电流）等。
3.等效模型
即元器件的理想模型与类等效模型。
执行代表该元器件的功能，即用途，这里需要掌握的内容主要是元器件的引脚排布和元器件按功能分类。
规划主要是对某个元器件的性能监测，如二极管导电性能，可利用数字万用表，其正向电阻越小，反向电阻越大，性能越好。
在完成某个元器件图式的学习后，下一个元器件图式的学习主要利用迁移的学习方法，即类比与对比，对二者的相同与差异之处进行学习。例如，学了电阻器元器件后，电容器元器件感知输入的型号命名由电阻器的三部分增加为四部分，即在电阻器第一和第二部分中间增加了一个材料。
三、电路层
电路是具有某种功能的基本单元，由一系列元器件有机组合在一起。基于人工生命的行为选择理论设计的电路图式如图3所示。教会学生如何依据实际任务需求（高阶感知）进行任务分解，根据前面所学的元器件先验知识（知识库）选择能完成某个子任务的元器件序列，形成具有一定功能的电路图式。同理，设计其他子任务模块，最终完成整体学习。
将基本电路的工作特性与实际应用相结合进行分析。结合实际需要根据课程教学要求，将知识点分解为整流滤波电路、共射放大电路、射极跟随器、差分放大电路、功率放大电路、反馈电路、运算放大电路、振荡电路、稳压电路等多个模块，通过计算机仿真辅助教学，有助于学生理解，激发学生的学习兴趣。
放大电路是模拟电子技术的核心，电路学习可以从最基本的放大电路开始，例如，首先用动画给学生展示放大电路，学生能直观地了解什么是放大，电路是如何放大信号的。其次学生可以动手搭建放大电路，用示波器观察输入和输出波形，正确理解放大概念。
四、教学方法的实施
上述基于图式的教学方法，实施过程可在仿真软件上进行，避免学生因不能分清集成电路等元器件引脚，甚至不会用最常用的电子仪器仪表（如万用表和示波器等）导致误操作，将电子元器件烧坏或带来安全隐患。在仿真学习的基础上，再迁移到实际硬件平台上。应用软件学习也遵循图式的分层递阶学习模式，先熟悉各软件的功能作用、用法，再进行整体协调应用。
1.基本学习
EWB（Electronics WorkBench）是加拿大Interactive Image Technologies Ltd.公司在20世纪90年代推出的电路仿真软件。Multisim是EWB的一部分，可实现电路输入及仿真。[6]因此，本文利用Multisim实现元器件图式和电路图式的教学过程，以将抽象的理论形象化，减少枯燥感。同时，可以将特性分析图像化，从而提高学生的学习兴趣。
学习过程为：元器件绘制→绘制电路图→调节参数→改变每个元器件型号和参数值→观测结果。
在掌握基本知识点的基础上，可以再仿真实际应用中容易出现的问题，加强学生对元器件及电路的认识。
2.结果监测与调试
设计由示波器、万用表和频谱分析仪构成的测试系统价格昂贵、体积龐大，同时如果操作不当，会造成经济损失。而LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering）是实验室虚拟仪器集成环境，通过图形编程来模拟一些监控仪器。因此，本文引入LabVIEW来实现监测仪器的虚拟设计，并通过仿真环境学习这些仪器的使用方法、连线方式等。在仿真学习的基础上进行实物应用。
3.高级应用设计
仅仅学会某些独立器件或电路设计并不能锻炼学生的创造性思维。为此，本文提出了基于任务的高级应用学习，充分利用Protel丰富的设计功能进行原理图的设计、印制电路板的设计等。
教学过程中，充分考虑到学生的不同层次，设定了难易程度不同的案例。每个案例都要求学生学会进行题目分析和任务分解，针对每个子任务去培养学生的学习能力，如了解PCB板设计的布局布线原则，学习元器件的“封装”等知识。
五、结束语
“模拟电子技术”是电类学生的一门专业基础课，工程实践性强，要求学生不仅有较强的理论知识还要有一定的动手能力。教师单纯的填鸭式教学，学生理解难度大、兴趣不高。本文结合实际需求，根据课程特色，提出引入图式理论建立自底向上和自顶向下结合的分层递阶学习模式，这样既能实现基础教学又能兼顾能力培养。整个教学过程可在仿真平台上进行，学生有基础后再进行实物实验。
参考文献：
[1]黄明.EWB软件在模拟电子技术教学中的应用[J].鄂州大学学报，2012，19（5）：12-14.
[2]王革思，赵旦峰，张朝柱，等.《模拟电子技术》实验课程体系的研究与实践[J].实验科学与技术，2012，10（5）：99-102.
[3]朱秀芝，曹妍.基于图式理论和关联理论的英语听力教学研究[J].外语交流，2012，（8）：40-41.
[4]邓铸，姜子云.问题图式获得理论及其在教学中的应用[J].南京师大学报（社会科学版），2006，（4）：111-115.
[5]邵桂芳.基于动觉智能图式的人工生命体行为及其选择与进化研究[D].重庆：重庆大学，2007.
[6]王海.Multisim10在模拟电子技术课程模块化教学中的应用[J].电脑知识与技术，2012，8（28）：6856-6858.
[7]Parviz Ajideh.SCHEMA THEORY-BASED PRE-READING TASKS：A NEGLECTED ESSENTIAL IN THE ESL READING CLASS[J].The Reading Matrix，2003，3（1）：1-14.
[8]Yifan Tang and Lynne E.Parker.Towards Schema-Based，Constructivist Robot Learning：Validating an Evolutionary Search Algorithm for Schema Chunking[A].Proc.of IEEE International Conference on Robotics and Automation，Pasadena，CA[C].2008.
注：邵桂芳为本文通讯作者。
（责任编辑：孙晴）