摘要：在电子技术课堂教学中加入教师的科研项目介绍，可加深学生对电路的理解，提高学生的学习兴趣。以磁致伸缩正弦波振荡电路为例，从相位条件和幅值条件两方面分析了磁致伸缩冻雨传感器的激振电路，帮助学生理解较为难懂的振荡电路知识。事实证明教学与科研结合的方法取得的教学效果形象生动，学生反映很好。
关键词：电子技术；科研；教学效果；课堂教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0088-02
电子技术基础是电气信息、电子信息类各专业的专业技术基础课程，课程的教学任务是让学生获得电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能，培养学生分析、解决问题的能力和创新能力，为后续专业课程的学习打好基础。电子技术基础课程处于各专业教学的中间环节，是学生基本素质形成的关键课程。该课程课堂教学效果的好坏，直接影响学生后续专业课程的学习效果。课堂教学效果的好坏与教学内容紧密相关。内容陈旧、未能反映当今科技发展最新成果的教学内容已经不能满足现有的电子技术基础课堂教学的需要。将最新的科学研究成果融入到课堂教学中，通过课堂知识的具体应用，能提高学生的学习兴趣，拓展他们的学习思维，使学生更容易理解和掌握课堂所学知识。目前，已有不少课程的教学中引入了科研项目和科研成果，提高了课堂教学效果。[1，2]很多院校在电子技术基础课程中也将教学与科研结合，进行了有益的尝试。[3，4]
河北工业大学（以下简称“我校”）电子学教研组积极进行教学和实验的改革。2004年，笔者在实验学时不变的情况下增加电子技术实验仿真，让学生做完硬件电路实验后进行仿真验证，提高了学生学习电子技术的兴趣和学生的创新能力。[5，6]笔者还在电子技术课堂教学中也引入仿真，在理论教学的同时，利用仿真帮助学生理解难懂的内容，帮助学生掌握各种仪器的基本使用及电路参数的测试方法。[7]为了提高学生的学习兴趣和听课效率，笔者尝试在课堂教学中引入最新的科研项目和科研成果，学生对于这种教学方法普遍反映较好。
一、目前电子技术基础课堂教学中存在的问题
电子技术基础课程尤其是模拟电子技术课程抽象难懂，学生曾戏称为“魔鬼电子”。这种情况也反映了传统的电子技术课堂教学中存在问题，学生对电子技术基础课程学习兴趣不大。电子技术课程中电子电路复杂，如数字电子技术和模拟电子技术集成芯片内部电路图，在课堂上临时画出电路图进行讲解和分析，花费时间非常多，教学效果不好。近年来，笔者采用多媒体方式教学时，把仿真软件引入课堂教学中，教学效果有了一定的提升。然而，电子技术基础课程实践性强，仅仅采用多媒体和仿真结合的方法依然不能把学生的听课效果提到最佳状态，课堂教学仍存在如下问题：
1.授课内容范围狭窄
如果授课教师讲课的内容仅局限于教材，不用最新科研成果融合电子技术课程的教学，学生即使理解了所学的电子技术基础的内容，也不会知道这些内容应该在哪些方面应用。学生认为学习的电子技术知识以后也用不到，久而久之会逐渐丧失学习电子技术基础课程的兴趣。电子技术基础课程的理论性和实践性较强，包含的知识体系和内容也不可能完全与最新的科研成果同步，如果授课过程不对教材内容进行扩展，将影响课堂教学效果。
2.理论与实践结合的环节较少
电子技术是一门实践性较强的专业技术基础学科，在进行教学时，理论与实践相结合，才能使学生更好地领会、理解、掌握。我校的电子基础课程除理论课之外，还包括电子技术实验、电子技术课程设计、电子工艺实习等实践教学环节。虽然笔者开设了这些实践教学环节，但是大部分的实验教学依然是以验证性实验为主。学生在进行验证性的实验时，因为实验结果可以根据教材上的理论预知，加上教材内容相对陈旧，很多学生仅仅是能够完成实验，缺少主动学习的兴趣。学生不知道所学的电子技术理论知识将来能用在什么领域，不知道真正的电子电路如何设计，设计过程中该注意哪些细节问题。
综上所述，传统的电子技术课堂教学效果较差，如果在课堂教学中适时地引入科研项目的研究成果，给学生介绍与科研成果相关的电子技术知识，能够激发学生学习电子技术课程的兴趣，使学生由被动学习转变为主动学习，调动学生学习的积极性。同时还使学生能逐渐将学到的新知识、新技术、新手段应用到实践中去，极大地提高学生的创新能力。
二、教学与科研结合实例
正弦波振荡电路是在没有外加信号输入的情况下，依靠电路自己振荡而产生的正弦波输出电压的电路。[8]正弦波振荡电路由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个部分组成。正弦波振荡电路按选频网络的不同，又分成RC正弦波振荡电路和LC正弦波振荡电路。RC正弦波振荡电路以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强、输出电压失真小等优点。为了提高RC振荡电路的振荡频率，必须减少电阻R和电容C的取值，当振荡频率高到一定程度时，其值与一些未知因素有关，还将受到环境温度的影响。因此，当振荡频率较高时，应选用LC正弦波振荡电路。[8]LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，放大电路多采用分立元件电路，必要时还采用共基电路。根据引入反馈的方式不同，LC正弦波振荡电路又分为变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式三种。对于振荡电路，笔者的授课任务是通过对RC振荡电路的讲解，让同学们掌握电路产生正弦波振荡的幅值平衡条件和相位平衡条件，了解LC振荡电路的工作原理并会判断电路是否能产生正弦波振荡。
对于LC正弦波振荡电路，由于从原理上比较难理解，学生普遍反映理论性太强，不明白其具体应用场合，所以学习积极性不高。笔者将自己的科研项目与课堂教学结合起来，通过对科研项目较为系统的讲解，让学生将课堂教学知识通过具体应用来消化吸收。
这个科研项目是关于磁致伸缩冻雨传感器的。冻雨传感器是利用磁致伸缩材料的振动特性设计的一种用来测量冻雨的新型传感器。美国已经有相应的冻雨传感器产品，国内对这方面的研究较少。冻雨传感器由探头和变送器两部分组成。探头主要负责冻雨信号的探测，由振动体、驱动线圈、永久磁铁、反馈线圈、外壳组成。振动体由具有磁致伸缩效应的恒弹性合金制成，振动体呈管状，称为振管。该振管在交变磁场的作用下发生反复伸长与缩短，从而产生振动。给驱动线圈通交变电流可以产生交变的磁场。永久磁场产生恒定磁场，恒定磁场和交变磁场叠加可以得到振动体需要的总磁场。振动体在磁场作用下的振动可以由反馈线圈上的信号采样得到。经过对振管数学模型的分析，长度为59mm的振管轴向振动的基频为40.2kHz。
由于该冻雨传感器的振管振动频率较高，其谐振电路的设计较为复杂。由于RC正弦波振荡电路振荡频率低，因此项目中采用单谐振互感耦合LC正弦波振荡电路产生振荡，驱动线圈和反馈线圈通过振管进行耦合。利用振荡电路产生的振荡信号给驱动线圈产生交变磁场，振管在交变磁场作用下产生磁致伸缩而进行轴向振动，振动频率通过反馈线圈组成的反馈网络正反馈给激振电路，从而维持振荡的继续进行。电路原理图如图1所示。集成运放与电阻R3，R4构成电压串联负反馈放大电路，其输入电阻高、输出电阻低。集成运放的同相输入端为具有选频特性的L1C并联回路，L1为振管外的反馈线圈。正反馈网络则通过L1，L2之间的线圈互感耦合来实现。L2为振管外的驱动线圈。该电路是给学生讲解完LC正弦波振荡电路后的一个扩展知识，讲解的重点仍然是该电路是否能够振荡，所以从以下两个方面分析电路是否产生振荡。
1.相位条件
利用教材中提到的瞬时极性法来分析电路的相位条件。将图中L1和C与集成运放的同相输入端断开，在同相输入端加输入电压ui，其瞬时极性假定为“+”，由于放大电路的输出端与同相输入端之间相位相同，集成运放的输出端的极性也为“+”。R2，RT呈阻性，不会改变相位，根据图中所示变压器的同名端标识，在次级L1的同名端的极性为“+”，当振荡频率为固有频率f0 时，L1C并联选频网络的谐振阻抗为纯电阻，所以输入电压ui与输出电压uo同相位，φA=0，由图中同名端的标识，φF=0。因此，该电路能满足振荡电路的相位平衡条件φA+φF=2nπ。或者还可以理解为，反馈电压uf可以取代输入电压ui，不依靠外界的输入。
2.幅值条件
正弦波振荡电路是靠电路中的扰动电压起振的，当相位条件满足后，只要满足起振条件，电路中的微弱扰动电压经过放大和正反馈网络，就能使谐振频率为f0的信号逐渐放大。当电路输出的电压幅度越来越大时，由于集成运放非线性特性的稳幅作用，电压的幅值会自动稳定下来，达到平衡状态，此时，输出电压的频率为f0。由于反馈电压uf的大小由L1，L2的匝数比决定，并且集成运放的放大倍数可以很大，所以只要集成运放的放大倍数和变压器的匝数比选择合适，就一定能满足幅度平衡条件和起振条件。
经过对图1的介绍，学生更加深刻地理解了振荡电路产生的条件，并能根据相位平衡条件和幅值平衡条件正确判断电路是否能产生正弦波振荡。穿插的科研项目的介绍大约需要20分钟，课堂教学效果较好。
教学与科研结合的教学方法还能够引导学生主动将所学知识应用于后续的毕业设计和学生科研项目当中，提高了学生的创新能力。
三、结束语
电子技术发展迅速，在学时不变的情况下，传统的课堂教学已经不能满足越来越多的教学内容。在课堂教学中适时地引入科研项目的研究成果，给学生介绍与科研成果相关的电子技术知识，能激发学生的学习兴趣，使学生由被动学习转变为主动学习，调动学习的主动性和积极性，同时使学生能逐渐将新知识、新技术、新手段应用到实践中去，极大提高了学生的创新能力。
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（责任编辑：王意琴）