清华大学课程改革电子电路(李国林)

《电子电路与系统基础》电路与系统研究所李国林2012.11.4清华大学电子工程系电路课程改革进展汇报汇报大纲•改革历程•课程内容•改革思考一、改革历程：2010年•必须进行课程体系的改革已成电子系老师的共识–2010.7前，李冬梅老师主持•原始预案：96学时《电路原理》和《模拟电路》二课合一–2010.7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3原课程体系下和电路相关的课程•《电路原理》4学分+1学分•《模拟电路》4学分+1学分•《通信电路》3学分+1学分•《数字电路》3学分+1学分•《电子技术课程设计》+3学分•《信号与系统》4学分•《微波技术》3学分+1学分–微波无源电路•《射频通信电路》3学分+1学分–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4+1模拟电路4+1通信电路3+1数字电路3+1电子技术课程设计+3计算机原理3+1信号与系统4微波技术3+1电子电路与系统基础4+2电路基础信号与系统4数字逻辑与处理器基础3+2逻辑与CPU必修的专业核心课新课程体系下模拟电路原理可自由选修的专业限选课通信电路原理数字系统设计计算硬件体系结构微波技术？基本内容的确定•2010年7月16日，提出电路核心内容应包括五个基本–基本原理–基本元件–基本单元电路–基本分析方法–基本应用–依据五个基本，给出了课程基本内容的初步规划65+1个基本电磁场物质：价电子，自由电子，载流子基本原理基本元件电阻电源电容电感开关独立源负阻、受控源晶体管二极管放大器乘法器滤波器/积分器振荡器基本单元电路数字处理基本分析方法KVL，KCL，OL：列方程方法：支路电压电流法，结点分析法，…基本应用信息处理系统，以射频通信系统为例电能转换电路ADC、DAC传感器激励器门电路线性与非线性（噪声与失真），时域与频域，正/负反馈，…实体物质与场物质相互作用解方程方法：解析法，等效法，图解法，近似法，…基本概念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+22*(2+1)•2010年10月30日，电子系青年教师学术论坛报告，正式把课程内容一分为二–基础I：电阻电路大一下学期–基础II：动态电路大二上学期–根据对麦克斯韦方程的理解8电阻电路和动态电路的划分是自然的tBEtDEH01NkkIKCL01MkkVKVL基尔霍夫定律RVI电阻电阻电路：电阻、晶体管、开关、电源放大器、乘法器、与或非门dtdVCI电容dtdILV电感动态电路：电容、电感、传输线滤波器、振荡器、触发器麦克斯韦方程9电路原理模拟电路通信电路数字电路的内部结构基本分析思路先电阻后动态先代数后微分先线性后非线性五个基本：整合与划分电磁场物质：价电子，自由电子，载流子基本原理相互作用基本元件电阻电源电容电感开关传输线独立源受控源晶体管二极管放大器乘法器电能转换电路数字电路滤波器振荡器模拟电路高速高频电路基本单元电路模拟信号处理数字信号处理射频、高速信号处理ADC、DAC基本分析方法：KVL，KCL，OL：支路电压电流法；变换域法，等效法，图解法、近似法基本应用系统信息处理系统信号时频域描述系统级概念：线性/非线性时变/时不变，正/负反馈，…电阻电路动态电路102011年：小班试讲•如何实施，才能达到预期目标？–自定的实施预案：以《电路原理》为核心，融和《模拟电路》、《通信电路》、《数字电路》、《信号与系统》、《半导体器件》、《电磁学》等课程与电路核心概念相关的内容，整合为一个《电路基础》课程•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•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–内容广泛原课程学分本课程涉及其中的大约学分•《电路原理》43•《模拟电路》3+12•《通信电路》31.5•《数字电路》30.5•《信号与系统》40.5•《电磁学》《半导体》其他0.5128学分同学充分理解支持小班试讲春季学期评价2011年下半年•2011.8.6-7–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•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•与会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•没有真正整理出符合新框架的符合初学者的细节内容19问题解决思路•课程定位明确表述–《电子电路与系统基础》是电子系本科生的基本电路素养课•犹如《大学物理》、《微积分》、《线性代数》是大学生的基本物理、数学素养一样•基于一年半的改革成果，对内容进行全面整合–改革成果：总结出了元件到单元电路的演化图•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？20四个电路基本素养•1、电路基本定律和基本分析方法的掌握–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•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•4、对基本概念的理解–基本信号处理功能（基本电路现象）•信号放大（比例）、信号滤波（微分、积分、充电、放电、谐振、延时）、信号产生（振荡），信号采样、与或非逻辑运算–线性与非线性、有源与无源、时域与频域21当前问题解决的初步方案•大串讲后，内容量上做大幅的回退–给出符合4学分课时的课程容量•基本原则：内容删减后不妨碍演进图框架的，都可以删减；保留下来的内容能够更好地说明这个演进图–不是简单删减，而是全面整合，使之符合新框架•总体思路理顺后–2011年小班试讲58讲内容（每讲2学时）–2012年大班推广压缩为44讲内容–2013年进一步压缩为34讲内容（60%）22二、课程内容演化•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–•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–•3、电阻电路分析：源、基尔霍夫定律、串并联–电阻电路分析例–•4、电路基本定理–电路基本定理应用例•5、PN结二极管–半导体二极管–•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•8、负反馈放大器–网络并联、串联连接关系的应用•9、MOSFET–电源与噪声源•10、BJT–双极型晶体管参量分析–•11、对线性系统的描述：增益、噪声、线性度–晶体管放大器–•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–•14、晶体管数字门电路–数字化•课程复习I：电阻电路信号分析电阻、电源定律、定理非线性电阻二端口网络负反馈晶体管放大器乘法器变频器与或非门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–•17、电容频域分析–电容时频域特性应用例–•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–•20、数字系统中的记忆单元–张弛振荡器–•21、RLC谐振电路–电感基本电路–•22、RLC谐振II–动态电路分析总结–•23、互感–耦合分析•24、传输线–传输、反射与匹配•25、RLC滤波器–有源滤波器•26、LC正弦波振荡器–常见正弦波振荡器•27、锁相环交直流分析–锁相环应用•28、射频通信系统例–开关•课程复习II：动态电路电路抽象电容时频分析复频域分析寄生效应触发器张弛振荡器LC谐振互感变压传输反射滤波器正弦振荡器锁相环射频通信讲课过程中做了些什么•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–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教师水平得到提高同学反馈•小班进行了五次随堂调查–根据同学反馈意见，做部分细节调整–应同学急切要求，开设习题课–同学反馈第一问题：没有参考教材•大班推广–提供讲义–4月27日，春季学期第10周，期中考试结束后的习题课上做了一个调研总体感受难，快，多，乱占时间收获大感受意见收获信息量大，概念多有些术语不太明白希望放慢速度收获大除了电路知识外，自学能力提高心理承受力提高工程实际思维得到培养对教材体例的看法讲义式体例：结点电压法讲义式体例：寄生电容效应对目前教材的看法•讲义式教材，体系性不够，显乱，例题少，印刷质量差•讲解细致，和课堂教学配合好，便于课前预习，课后复习一次全面体验，全面总结，全面思考最大的问题：修改困难每章相对独立，又前后关联课下花费时间选项131211109876543未填总人数平均时间外系11212.5留学生1124.001152614222249.4212161313111710.31341326121209.151421121433178.7615411321221179.531611112413148.6417125112129.67184252112178.531923222311167.7311023122231169.501111111611211167.73全部281863113381719952