通过专题研究提高学生电路研究的能力

通过专题研究提高学生电路研究的能力——“电子电路分析基础”课程

陈抗生
信息与电子工程学系

一、课程简介

1.课程类别

大类课程

2.学科类别

工学—电子科学与技术

3.课程目标和教学内容

（1）课程目标:为从事通信系统、计算机系统、控制系统、电力系统、信号处理系统研究、开发与应用打好电路方面的基础。

通过本课程学习，一是掌握现代电路的先进分析方法，特别是基于计算机分析现代复杂电路的分析方法；二是掌握现代模拟电路的理论与技术，以及部分数字电路（电路级）的理论与技术。

（2）教学内容:从电路系列课程的整体出发，将传统“电路原理”、“模拟电子技术基础”以及“数字电子技术基础”（电路级内容）有机整合在一起，把最新的集成电路设计知识融入到本课程中，反映电路技术发展的方向。

将模拟集成电路的基本单元电路、反馈放大器电路、差分放大器电路、互连线、运算放大器、电流差分缓冲放大器、电流差分跨导放大器、滤波器、振荡器、正弦交流电路、三相电路、开关电容电路、CMOS逻辑门电路、脉冲波形的产生与处理电路以及模数转换与数模转换等电路有机融入到直流稳态电路分析、正弦交流稳态电路分析、电路瞬态特性的时域分析、交流小信号电路的复频域分析以及电路非线性分析等有关章节中，使电路分析方法的阐述以实际电路为载体，而对实际电路的分析又得到规范的电路分析方法的指导。

4.教学对象

工科二年级本科生。

5.课程学时与教学场景

（1）课程学时:16周，每周5学时，共计80学时。

（2）教学场景:多媒体教室。

二、课程教学重点解决的问题

（1）从电路系列课程整体出发，实施教学内容整合，将现行“电路原理”、“模拟电子技术基础”两门课，以及“数字电子技术基础（电路级内容）”重新进行设计，有机整合成模拟电路与数字电路并重的一门全新的电路入门基础课，但教学总时数比原设课程减少30%。

（2）突出以集成电路为代表的现代电路中的理论与技术，使课程内容较好地反映了当今甚至下一代电路的发展，并便于将现代电路理论与技术融入到电路基础知识中。

（3）重点推介基于计算机分析集成电路所依据的理论与技术，以较好地体现电路基础课程与工程应用结合。

（4）进行研究性的教与研究性的学。通过专题研究提高学生电路分析研究的能力。

三、教学方法改革

1.教学实施策略与方法

紧紧抓住“专题研究”这个“牛鼻子”，让学生到电路的“大观园”中逛一逛，提高学生学习电路的兴趣，充分调动学生研究电路的积极性，使学生掌握对现代电路的初步分析研究能力。

（1）“电子电路分析基础”是电路入门基础课，刚进入这门课的学生，对电路还是“白纸一张”，课程前60%以画现代电路理论与技术的“最美图画”为主，即重在结合工程电路实例讲授现代电路的分析方法，初步达到具备阅读与课程相关的现代电路文献的能力。课程后40%围绕专题研究就现代电路中较为普遍的问题进行研究性的教与学。每个学生确定专题研究题目，进行专题研究。

（2）从电路的历史发展以及电路理论、技术与市场的互动，阐述电路的不断创新与发展；从怎样提出问题、分析问题、解决问题说明电路理论与技术的研究思路；电路知识点讲授突出电路的创新思维。总之，在课程教学中，尤其前60%课程教学中，使学生感到电路研究并非“神秘莫测”，是可以试一试的。

（3）专题研究选题一定要出自学生的兴趣，并尽可能发挥学生的长处，这样就能把学生的学习积极性充分调动起来，学生的潜在研究能力也能充分发挥出来。

2.具体实施方法举例

（1）现代电路理论与技术的代表是集成电路，本课程尽管是基础课，但围绕集成电路中的问题进行，使课程内容与电路前沿发展结合。集成电路分析、设计、制造都与计算机技术紧密结合。本课重点讲授适合计算机分析电路的理论与技术。这样通过本课程前60%的教学，学生已初步掌握基于计算机的现代电路分析技术，以及对现代电路（与课程相关的）进行初步分析的能力，能到电路的“大观园”中“欣赏”一下现代电路是怎么回事了，即可看一些现代电路文献了。2012年秋冬选修本课程的赵嘉华同学（囯际经济与贸易10级，学号3100104392）在“基于前馈调整共源共栅跨导放大器的有源可调电感研究”中，引用的5篇参考文献，除1篇为课程教材外，其余4篇均为英文顶级期刊或会议论文，其中1篇为1985年的，另3篇都是2007年以后的。对文献阅读的深度，例如对You Zheng Carlos E. Saavedra的发表于IEEE transactions on circuits and systems 2008的论文“Feedforward-regulater Cascode OTA for Gigahertz Applications”，对该文给出的结果（公式）一一作了推导，理解较深。

（2）电路的互连封装是现代集成电路发展的瓶颈之一，课程就从集成电路的发展，说明电路封装的重要性，并由此讲授近10年才得到发展的适合互连问题分析的时域有限差分法（FDTD），激发学生用FDTD研究电路互连的兴趣。2011年秋冬选修本课程的钟一舟同学（电子科学与技术专业10级，学号3100102701）选择“互连线电路分析中对LIM with MNA方法的优化”作为他的专题研究题目，就21世纪初才发展的延迟插入法与修正节点分析相结合（LIM with MNA）的电路分析方法优化问题进行研究，并用于解决具有互感效应的互连问题，取得初步结果。

（3）2012年秋冬选修本课程的王利镇同学（混合班11级，学号31100425）对电路理论研究很有兴趣，就推荐两个电路前沿课题供他参考，最后他选择“基于Laguerre等效电路的瞬态分析方法”作为专题进行研究。Laguerre等效电路的瞬态分析方法，其分析电路的思路与课程中讲的电路分析思路不同，王利镇同学在课程学习基础上，主要通过文献资料学习，初步掌握了Laguerre等效电路的瞬态分析方法，并与课程中讲授的方法作了比较，指出各自的优缺点，还通过实例予以说明，表现出很强的电路研究能力。

3.教学方法特点分析

抓住专题研究进行研究性的教与研究性的学，一是破除了做电路研究的“迷信”，基础课、低年级也可搞研究；二是调动了学生研究电路的积极性，激发了学生的研究潜力，特别是优秀学生的潜力。

赵鲁豫同学（混合班07级，学号3070030038）的专题研究报告“学习与研究从MNA列写的方程得到状态方程和端口导纳矩阵方程的方法”的研究成果被其后的讲义应用。

姚天晟同学（混合班08级，学号3080100358）用英文撰写的专题研究报告“Fast LIM-MNA Based Algorithms in Time Domain Simulation on RLC Circuits”，所采用的分析方法是21世纪初才用于电路的。它在研究中还指出日本学者发表在国际著名电路期刊上的论文有疏漏之处。

刘胡世阳同学（混合班09级，学号3090000369）用英文撰写的专题研究报告“A New Modified Nodal Analysis with Memristor”关于忆阻器（Menristor）在电路中列写方程的研究，属于学科前沿。最早提出Memristor的论文发表于2008年Nature期刊。此文是刘胡世阳同学专题研究报告的主要参考文献之一。这说明通过本课程学习，尤其专题研究，学生已有勇气阅读Nature这类顶级期刊的论文了。

四、课程考核方法和支撑手段

1.课程考核方法

课程教学前60%部分，以掌握现代电路分析方法为主，通过平时作业、三次小测验、一个读书报告进行考核，占总成绩60%。

课程教学后40%围绕专题研究进行，通过一个读书报告，特别是专题研究报告以答辩方式进行考核，占总成绩40%。

专题研究通过的基本要求是:至少读一篇与专题研究题目相关的最新英文文献；表现出具有运用课本知识，独立分析研究课本上没有讲过或没有深入讲过的电路问题的能力；专题研究报告按论文格式撰写；专题研究报告答辩（报告20分钟，提问5分钟）。

2.支撑手段

师生互动的课程教学网站。

与本课程对应的实验课，单独设课，由信息电子工程学系实验教学中心承担。实验课围绕工程电路的研究开发进行。

五、教学效果和推广性分析

1.教学效果

从2008年秋冬起即开出“电路分析原理”，作为特殊课主要面向全校电子信息类专业学生。2012年夏经教务处协调，作为电路大类课程，课程名称改为“电子电路分析基础”，每年开一个小班，30人左右。对调动学生学习积极性，提高学生电路研究能力起到了很好的效果。不但研究能力强的学生欢迎，成绩一般的学生也欢迎。甚至还吸引已修过电路基础课并拿到学分的学生再选修本课程。任晋晋（工信1023班，学号3100104703）学习心得体会:

“当我对大学的学习方法摸不到头脑时，接触了专题研究，它让我把以前没学会的内容重新巩固了一遍，而且做到了融会贯通、学以致用。不仅如此，最重要的是它培养了我深入研究问题、勇于创新的良好学习方式，使我将各个知识点连结起来了。”

“电子电路分析基础课带给我的影响不止局限于课程本身，是因为这门课让我对所有的课程都有了主动探究深层问题的兴趣和动力，使我对电路、信号一类的知识产生了强烈的兴趣，第一次感觉到我的专业没有选错。还有不容忽视的一点是这门课程增强了我学习的信心，我感觉自己通过努力会有想不到的成果。这种成就感是我学习的动力源泉，我很珍惜这份成就感，并在其的引领下继续努力着。”

王骕（信通0908班，学号3090102435）在选修本课程后写道:

“第三，也是我觉得这门课最有意思的地方，就是陈老师给我们一次自行专题研究的机会。这是我第一次一个人来完成一整个研究的项目。我把目光投在了四相RC滤波器这个电路模块上。通过陈老师给我们的资料，以及平时学会的用Matlab对电路时域频域分析的方法，我对该滤波器进行了深入的研究。在这个过程中，我还自学了Orcad软件，学会了用Pspice对电路进行仿真，再与Matlab的结果进行对比分析。虽然过程中，我面对的是繁多的参数值和各式各样的传输曲线图像，也曾一度被这些数据搞得晕头转向，但我最终还是顺利完成了专题报告。在写完报告的那一刻，我激动极了。”

2.推广性分析

专题研究这种研究性教学方法在美国高等学校课程教学中应用很普遍，但国内应用较少。主要原因是，国内教学班大，指导工作量大，同时对教师要求也高，教师本人要有从事电路第一线（或前沿）的研究经历，否则很难指导学生从电路前沿的角度开展专题研究。

本课程是基础课，专业课中开展专题研究应当更有条件。

六、课程教材

［1］陈抗生.电路分析与电子线路基础.北京:高等教育出版社，2012