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学习产出导向的模拟电子技术教学创新

2021/07/13 阅读:

摘要:为激发学生学习的积极性和主观性,可采用学习产出导向的教育模式。本文基于模拟电子技术融合开关电源技术的理念,从产出导向法的教学理念和教学流程入手,提出了将开关电源理论模块融入模拟电子技术学习实践的创新思路。

关键词:模拟电子技术;开关电源;教学改革;产出导向

1产出导向的教育理念

基于学习产出的教育模式(Outcomes-basedEducation,缩写为OBE)最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革,由美国学者Spady提出,并在《基于产出的教育模式:争议与答案》一书中对其进行了深入研究。此模式在美国、英国等发达国家的教育教学改革中起到了重大的作用。产出导向教育强调教育教学充分发挥学生学习的积极性和主动性,更重视学生接受学习知识和技能后取得的学习成果[1]。产出导向的教育模式是以学生的学习成果为导向的教育理念,倡导以学生为中心,注重学生独立思考、创新、实践等能力的培养,体现了学生个性化的培养,是工程教育专业认证的核心理念之一[2]。

2传统模拟电子技术教学中存在的问题

模拟电子技术是电子、通信、电气自动化及机电一体化技术等专业的基础课程,是一门理论性强,并与实践紧密结合的应用型工程技术课程。通过课程教学,使学生具备常用半导体器件、电子电路、系统的分析能力;要求学生掌握基本放大电路、负反馈放大电路、集成运放应用等低频电子线路的组成、工作原理、性能特点、基本分析方法和工程计算方法,使学生具有一定的实践技能和应用能力;培养学生分析问题和解决问题的能力,为后续课程和深入学习电子电路设计领域的内容打好基础;同时也使学生了解电子技术的发展概况,理解近年来的新器件、新技术、新方法等[3-4]。随着信息技术的不断发展,工业4.0的实践等产业革命及经济结构的调整,为高等教育模拟电子技术教学改革及课程建设带来了新的挑战。要求学生具有应用更新快、理论抽象、分析建模过程复杂、电路形式多样等特点。加之传统教学定位强调理论学习的完备性,而忽略了学生工程实践性的培养,因此造成了学生在学习过程中产生课程枯燥无味、无明显目的性等困惑。

3开关电源技术教育探索

随着电子技术的发展,电源成为人们生活必不可少的一部分,在日常生活中随处可见电源的身影,可以说一切的电子设备都离不开电源技术的支持。迄今为止电源制造业已经成为很重要的基础产业,并得到了广泛应用,目前的发展趋势是继续朝着高效、高频、高可靠性、低压、大电流化以及多元化发展[5]。电源产品主要分为线性电源和开关电源两种。线性电源与开关电源相比具有体积大、效率低等缺点,因此开关电源的研制成了电源研发的主流。随着电力电子技术的迅速发展,开关电源广泛应用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。因此从事开关电源学习和研究的高校师生及从事开关电源设计研发的工程技术人员,都迫切需要理论性、实用性强的电力电子基础知识作为支撑。如能将模拟电子技术的学习与开关电源技术理论进行融合,将大大提升模拟电子技术学习的主观性与活力,使得学生在学习理论的过程中更加理解开关电源这门技术科学。

4模拟电子技术教学设计

模拟电子技术课程改革的核心在于将模拟电子技术基本理论、分析方法应用于开关电源技术实践当中,打破以教师为中心的传统教育模式,以开关电源技术学习成果输出为导向,提升学生的学习主动性,激发学生理论学习和实践探索的热情[6]。根据产出导向的教学理念,可将模拟电子技术教学内容分为半导体基础知识、分立元件、集成电路及实用电路4大模块,各模块再进行详细的内容拆解,并在学习的过程中结合开关电源技术需要应用的模拟电子技术基本理论、方法,有的放矢地进行学习和知识补充。详细的教学设计流程如图1所示。

5模拟电子技术教学与开关电源技术的融合

为了使模拟电子技术与开关电源技术实现融合,本文通过以下例子作为参考,从一个具体的开关电源设计开始,结合开关电源技术与模拟电子技术的知识体系融合,最终将理论产品化。

5.1技术要求

某系统总体提供1路1.5kW的(100±10)V直流电压到载荷的配电单元,再由载荷配电单元给自己设备和储能电池供电。系统供电设备供给为DC+5V、+12V。供电电路要求见图2。载荷工作模式:100V供电母线给储能电池充好电后,控制设备及系统供电设备开始工作;储能电池充电时,控制设备不工作,系统供电设备部分工作。

5.2电路结构实现

5.2.1开关实现

图3中开关1、2通过磁保持继电器控制电路实现,具体应用了模拟电子技术中二极管的钳位原理实现。原理为:OC信号低电平有效,当给继电器一个脉冲信号时,线圈中流过电流产生电磁效应,继电器衔铁在电磁效应的影响下克服弹簧的拉力吸向磁铁,此时继电器动作;当线圈断电后,电磁吸力随之消失,由于弹簧的反作用力会使得衔铁回复到最初位置。

5.2.2开关电源实现

传统的开关电源技术需要掌握电路主功率拓扑、输入短路保护、输入浪涌抑制、EMI滤波电路、输出整流、输出滤波、稳压电路、控制电路、过压过流保护电路、反馈电路网络等,涉及的电子电路知识领域较广,其常见电路结构如图6所示。在学习过程中,可对开关电源各基本模块进行系统学习,开关电源各模块中不明白的理论可通过模拟电子技术的基本理论来寻找答案。以PWM(PulseWidthModulation,脉冲宽度调制)控制电路为例。控制电路的主要功能是接收信号、处理信号及反馈信号,可通过控制导通时间调节输出电压的稳定,所以控制电路的设计至关重要[7]。PWM控制电路通过控制改变占空比进行反馈调节,从而实现开关电源输出电压的稳定。可选择集成电路控制方式,选择控制集成电路也就是控制芯片,选择的依据主要有工作电压范围、工作频率范围、输出基准电压和电流、内部功耗等。以UC3525PWM控制芯片为例,控制电路逻辑流程如图7所示,控制逻辑思想如下:误差放大器的同相输入端接基准电压,反向输入端接反馈电路,通过采样电阻获得采样电压;两者在误差放大器内,经过运算输出误差电压,然后把误差信号给到比较器的反向输入端;振荡器外接电容电阻和死区电阻产生时钟脉冲和锯齿波,锯齿波与误差电压在比较器中比较,从而产生PWM信号,而时钟脉冲与PWM信号同时送到两个或非门电路中进行运算;当两个输入都为低电平时,输出为高电平,当只有一个输入为高电平时,输出为低电平;如果输出为“低”,此时开关断开从而实现电路的保护,如果输出为“高”,输出端会产生一个相位差180°的PWM矩形波;PWM矩形波能驱动开关电源的开关器件,通过调制PWM矩形波脉冲的宽度调整能量的传递与关闭,最终实现输出电压的稳定。

6结语

本文基于模拟电子技术教学中的枯燥、复杂等考虑,结合开关电源技术,深入剖析模拟电子技术在开关电源技术中的融合。针对开关电源技术中出现的新技术、新电路、新器件、新方法,可一一进行点对点指导,使得学生在掌握开关电源技术的同时更好地理解和掌握模拟电子技术的相关理论知识体系,使两者达到深层次的技术融合,让学生学习的产出导向结果更为明确。

参考文献:

[1]孙立辉,于军.基于OBE理念的电工与电子技术课程改革探究[J].湖北农机化,2019(22):116-117.

[2]霍艳飞.基于成果导向教育理念的模拟电子技术课程改革与实践[J].工业控制计算机,2020(33):147-148.

[3]聂森.《单片机原理及应用》课程教学改革研究[J].教育教学论坛,2018(52):85-86.

[4]张娜.注重创新能力培养的中学物理实验教学设计研究[D].岳阳:湖南理工学院,2018.

[5]杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[6]徐金玉,张泽麟.《模拟电子技术基础》课程的OBE改革探讨[J].教育论坛,2020(7):157-158.

[7]龙江.高可靠电子侦察卫星二次电源[D].成都:电子科技大学,2008.

作者:张宁 王君 张卫华 仇磊 丁学凤 单位:贵州工程应用技术学院机械工程学院 七星关区思源实验学校

学习产出导向的模拟电子技术教学创新

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