清华大学课程改革电子电路(李国林)

• 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 – 基础II：动态电路 大一下学期 大二上学期
– 根据对麦克斯韦方程的理解
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电阻电路和动态电路的划分是自然的
电阻电路：电阻、晶体管、开关、电源 放大器、乘法器、与或非门 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
பைடு நூலகம்
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
清华大学电子工程系电路课程改革进展汇报
《电子电路与系统基础》
电路与系统研究所 2012.11.4
李国林
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
• • • • • •
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
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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
• 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
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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
– 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
• 《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
– 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
• 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
• 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
• 没有真正整理出符合新框架的符合初学者的细节内容
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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
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，…
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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)
•
•
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
– 有源滤波器
– 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
模拟电路
通信电路 数字电路 电子技术 课程设计 计算机原理
信 号 4 与 系 统
？
数字逻辑与 3+2 处理器基础 逻辑与CPU
3+1
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
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，… 10
2011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
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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
– 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
• 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？
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• 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
• 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 –
•
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
• 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%）
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二、课程内容演化
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
• 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
• 与会老师提出了自己的看法
– 教学内容，教学方法
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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
• 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
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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
dt
9
电阻电路
五个基本：整合与划分
基本原理 物质：价电子，自由电子，载流子 相互作用
动态电路
电磁场
基本元件 电能转换电路
开关
电阻 二极管 晶体管
电源
电容
电感
传输线
受控源 独立源 高速 高频 电路
基本单元电路数字电路 乘法器 数字信号处理
放大器
ADC、DAC 模拟信号处理
振荡器 模拟电路
滤波器
射频、高速信号处理
• 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
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