清华大学课程改革电子电路(李国林)

– 2010.7后，李国林老师主持
• 唯一的一门电路必修课，其他电路课程成为选修课
– 将电机系《电路原理》课程拿回，整合《模拟电路》
• 4+2学分
– 《数字电路》内容划分：电路层面的归《电子电路与系 统基础》，逻辑层面的归《数字逻辑与处理器基础》 – 作为一个完整的课程体系，说清楚上下层次的关联
• 底层：场与电荷载体 • 本层：电势与电路 • 上层：比特与逻辑
– 双极型晶体管参量分析 –
晶 体 管
11、对线性系统的描述：增益、噪声、 线性度 放 – 晶体管放大器 大 – 器 12、电流镜与差分对
– 对差分对的深入理解 –
13、乘法器和变频器
– 放大器分析总结 –
乘 法 器
变 频 器
6、运算放大器
– 运放应用例 –
•
7、二端口网络
– 二端口网络参量应用例
二 端 口 网 络
• 《射频通信电路》
– 微波有源电路
新体系下和电路相关的课程
原体系下几乎必修的专业课 电路原理 新课程体系下 必修的专业核心课 可自由选修的专业限选课 电子电路与 4+2 系统基础 电路基础 信号与系统 4 模拟电路 原理 通信电路 原理 数字系统 设计 计算硬件 体系结构 微波技术 3+1
4+1 4+1 3+1 3+1 +3
•
20、数字系统中的记忆单元 触 – 张弛振荡器 发 – 器 21、RLC谐振电路
– 电感基本电路 –
正 弦 – 常见正弦波振荡器 振 27、锁相环交直流分析 荡 – 锁相环应用 器 26、LC正弦波振荡器 射 – 开关 频 通 课程复习II：动态电路 信 28、射频通信系统例
锁 相 环
讲课过程中做了些什么
• 2011年小班试讲内容
– 2012年大班推广内容 – 同学反馈
• 2013年计划内容
2011年小班试讲内容：电阻电路
• • 1、概述：信息与信号，傅立叶分析
– 数、数值表示、复数、正弦波 –
8、负反馈放大器
– 网络并联、串联连接关系的应用
•
2、电子学基础知识：基本电量、电 阻与欧姆定律
– 课程简介、已调波信号分析 –
6
5+1个基本
实体物质与场物质相互作用 基本原理 物质：价电子，自由电子，载流子 电磁场 基本元件 电能转换电路 开关 二极管 晶体管 负阻、受控源 激励器 基本单元电路 门电路 数字处理 乘法器 放大器 ADC、DAC 独立源 传感器 振荡器 滤波器/积分器 电阻 电源 电容 电感
基本分析方法
基本应用 基本概念
• 预案假设大部分同学只学这一门电路必修课
– 课程覆盖面就必须足够宽广 – 课时限制：熟练度降低，但整体的结构性认识提高
• 我自己必须做到全面把握体悟电路类课程内部关联结构
– 老师认识深刻，学生才能有足够深的认识 – 课程内容取舍整合必须有一个说法 » 十年后看，仍然可以说，没有走错路
2011年：小班试讲
• 后续改革：课程内容能够将此图说清楚
– 元件、器件如何组合就可以形成某种电路功能？
20
• 1、电路基本定律和基本分析方法的掌握
四 个 电 路 基 本 素 养
– 列写电路方程：KVL+KCL+元件约束条件
• 2、电路抽象思维方法和工程近似手段的掌握
– 抓住主要矛盾、化繁为简的解决复杂问题的基本思维方法，原 本不能解决的问题变成可以解决，难以解决的问题变成容易解 决
– 解决的主要矛盾：教材问题 – 进一步梳理课程内容，深度理解内部关联架构
同学反馈
– 雁栖湖，电路组各位教师对电路类课程改革进 行了全面研讨
• 争论激烈：框架，融合方式，知识点理解，…
• 2011.10
– 确定大班推广
• 开始写讲义，为大班推广做准备
– 小班试讲同学最急切的要求是提供教材
讲义
– 讲义上中下上册：1426页
• 对小班试讲录音资料的整理、修订、增删
2012春季：大班推广
I k KCL0 k 1
基 尔 霍 夫 定 律
N
V
k 1
M
电容 D H E t 麦克斯韦方程 动态电路：电容、电感、传输线 滤波器、振荡器、触发器 B E t dI
0
KVL
V 电阻 I R
dV I C dt
k
V L
电感
• 无1年级260人大班推广
– 刚试讲完，边整理讲义边思考完善架构，尚未形成完整的 脉络思路，还不很清楚如何做内容上的压缩 – 春季学期：内容没来得及做大的调整，基本按小班试讲思 路走
• 2012.4.27，问卷调查
– 总体反应：难、快、多、乱
• 2012.7.23-24
– 罗姆楼，电路组各位教师对电路类课程改革中出现的问题 进行了讨论
• • • • • •
原课程学分 本课程涉及其中的大约学分
《电路原理》 4 《模拟电路》 3+1 《通信电路》 3 《数字电路》 3 《信号与系统》 4 《电磁学》《半导体》其他
3 2 1.5 0.5 0.5 0.5
8学分
12
同学充分理解支持
小班试讲春季学老师提出了自己的看法
– 教学内容，教学方法
18
我个人认为真正的问题所在
• 表面现象：容量过大
• 没有整理出符合新框架的细节内容
– 内容：5+1个基本
• 基本原理，基本元件，基本单元电路，基本分析方法，基本应 用，基本概念
– 框架：电阻电路+动态电路 – 细节：细节问题一展开，受惯性思维的束缚，就会牵 扯到众多概念，内容显得十分庞杂，信息量过大过杂， 大一同学无法接受
• 国防班无01班27人小班试讲
• 具体授课用大串讲方法把相关课程内容按《电阻电路》和《动态电 路》的架构，先线性后非线性的次序，全过一遍，做到心中有数
– 偷课时：每周2课时理论课实际上课3课时；实验课时上理论课，实验另抽 时间做；同学要求增加习题课，习题课上讲习题，增补内容
• 课程内容分布
– 内容广泛
3
原课程体系下和电路相关的课程
• • • • • 《电路原理》 《模拟电路》 《通信电路》 《数字电路》 《电子技术课程设计》 4学分 4学分 3学分 3学分 +1学分 +1学分 +1学分 +1学分 +3学分
• 《信号与系统》 • 《微波技术》
– 微波无源电路
4学分 3学分 3学分 +1学分 +1学分
14、晶体管数字门电路
– 数字化
课程复习I：电阻电路
与 或 非 门
2011年小班试讲内容：动态电路
• • • • • • 15、电路抽象
– 数字抽象 –
16、电容时域分析
– 电容时域分析例 –
电 路 抽 象
• 电 容 时 频 分 析 寄 生 效 应 张 弛 振 荡 器
22、RLC谐振II
– 动态电路分析总结 –
KVL，KCL，OL：列方程方法：支路电压电流法，结点分析法，… 解方程方法：解析法，等效法，图解法，近似法，…
信息处理系统，以射频通信系统为例 线性与非线性（噪声与失真），时域与频域，正/负反馈，…
7
基本框架的提出
• 2010年10月27日，系教委会通过课程改革方案
– 修正：把原定的一学期课程划分为两个学期： 4+22*(2+1)
• 理想模型：电路元件，基本单元电路（单端口、二端口） • 等效方法：戴维南等效，串并联等效，… • 非线性线性化：分段折线，局部线性，准线性
• 3、基本器件及基本单元电路的基本结构、基本原理、基本 特性
– 电源、电阻、电容、电感、二极管、晶体管、… – 晶体管放大器基本结构，振荡器基本结构，CMOS与或非门电 路基本结构，滤波器（RC、LC）结构、原理、特性
• 课程结构
– – – – 提出5+1个基本，作为电路核心知识 用电阻电路和动态电路进行断层 总结出了MAP图，课程内容因而可以全面压缩 以《电路原理》为核心的课程内容的全面落实
• 课程内容
– – – – – – – 提出了电路抽象的三原则 找出了模拟电路和数字电路之间的关联和结合点 厘清有源无源概念 对正负反馈进行了全面总结并应用 对张弛振荡和正弦振荡进行了全面总结 … 全面总结和思考
信 号 分 析
• •
9、MOSFET
– 电源与噪声源
负 反 馈
•
• • •
3、电阻电路分析：源、基尔霍夫定 律、串并联 定 – 电阻电路分析例 律、 – 4、电路基本定理 定 – 电路基本定理应用例 理 5、PN结二极管
– 半导体二极管 –
电 阻、 电 • 源 非 线 性 电 阻 • • • •
10、BJT
2011小班试讲，2012大班推广
• 小班试讲对《电路原理》、《模拟电路》、 《通信电路》进行了串讲，涉及《数字电路》、 《信号与系统》、《半导体》、《电磁场》等 课程内容
– 解决的主要矛盾：教师对课程的熟悉程度问题，改 革可行性问题 – 对所讲内容进行了全面梳理
• 第一次大班试讲
教师水平得到提高
•
•
23、互感
– 耦合分析
LC 谐 振
17、电容频域分析
– 电容时频域特性应用例 –
24、传输线
– 传输、反射与匹配
18、拉普拉斯变换
– 零极点分析 –
19、晶体管寄生电容效应
– 晶体管寄生电容效应II –
复 频 域 分 析
•
• • • •
传 输 反 射
互 感 变 压 滤 波 器
25、RLC滤波器