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实验题目：如何称为一名合格的“拆弹专家”？

课程简要信息

课程名称：模拟电子技术基础

课程学时：50（理论）+10（实验）

项目学时：3（课内）+8（课外）

适用专业：电子信息类专业

学生年级：本科层次 2年级学生（第四学期）

实验定位与特点

“如何成为一名合格的‘拆弹专家’？”（以下简称为“拆弹专家”）是源自于《模拟电子技术基础》（以下简称为《模电》）“工程师课堂”中的一项创意实验，属于《模电》三类实验（测量验证类、综合应用类、探索研究类）中的综合应用类实验。“工程师课堂”旨在通过理论课堂中融入“工程基础”“案例剖析”“创意实验”等模块，解决“课堂教学效率低、实验操作学时少、理论实践相脱节、相关课程衔接差”等教学痛点，属于探索“新工科”背景下理论实践一体化教学过程中的一种新型实验模式。“拆弹专家”创意实验从理论内容上承接典型模拟集成电路第三次课---集成运放特性（此时理论课还未讲到负反馈内容），实践方式上衔接《模电》课程自主实验和即将开始的《装调》课程。该实验通过模拟“分析-拆弹-升级-对抗”的过程，将单纯的“测量验证性实验”上升到结合常用器件和功能电路的“综合应用类实验”，对培养学生工程电路分析设计能力和创新思维有重要的意义。也正因为本实验不同于传统实验的特殊定位，其开设的场地、目的、流程和考核方式均有别于常规实验项目。

实验过程与任务

理解控制原理。了解运放特性，思考如何利用运放非线性特性实现控制功能，在此基础上理解典型“炸弹”（延时可控的告警指示电路）的工作原理；
提升工程储备。学习典型运放管脚识别、常见继电器使用方式、常见三极管管脚分辨等相关知识；
完成测量验证。通过测量运放相关管脚电位、反相器等功能电路相关电压等参数，验证电路工作原理，发现运放非线性特性理论与实际的区别；
参与“拆弹”实践。通过断开不同控制线（计时信号线、电源供电线、输出控制线），结合指标测量，深化对电路工作原理的认识；尝试在拆除升级版“炸弹”的基础上，思考实验现象背后可能的原因；
分析工程案例。通过分析升级版“炸弹”工作原理，学习“如何改变反相器偏置方式，如何实现BJT开关工作，如何防止继电器误动作”等工程实践问题。
进行复盘对抗。利用实验室现有器件，结合仿真软件辅助器件选择，通过对课堂实践中的典型电路进行复盘（不是复制），同时结合自主改进开展“拆弹”对抗；
开展自主实践。基于“传感器+运放+继电器”的典型结构，尝试通过增加/替换传感器、改变运放输出控制逻辑、变化蜂鸣器驱动形式等方式，自主焊接调试电路，最终完成功能电路并撰写技术报告。
参加验收考核。参加集中组织的验收考核，通过原理分析、功能演示、课题答辩、合作交流等方式全方位展示个人作品。

实验环境条件

本实验项目是以运放为核心构建功能电路，学生最终自主实践过程中面对的真实课题也各不相同，但需要用到的实验资源均为是实验室常见设备和器件，如通用型集成运放、电容电阻等无源器件、常见三极管、继电器、蜂鸣器、传感器等，且因为具体实现功能不同，选用器件型号并不限于课堂实践环节中典型电路，本身具有较强的开放性。

教学目标与目的

1.强化理论理解。通过对运放非线性特性测量，验证同相端、反相端电位与输出高低电平的关系，发现实际运放输出高低与运放本身及外电路之间的关系。

2.夯实工程基础。通过运放非线性区实现的控制功能，解决“反相器怎么用、继电器怎么使、电容充放电怎么控、BJT开关怎么工作”等传统理论和实验教学中容易弱化或忽视的内容。

3.培养应用能力。通过构建“炸弹”-拆除“炸弹”-升级“炸弹”-拓展“炸弹”的过程，围绕运放非线性特性实现的控制问题，在实现知识综合的基础上培养学生电子电路分析、设计和应用能力。

教学设计与实施进程

“拆弹专家”实验项目基于“实践型教学”的理念，围绕“如何利用运放非线性特性实现控制功能？”这一基本教学内容，采用“课堂实践+自主实验”的实验实施方式，将“传感器+运放+反相器与继电器”的基本电路框架，用模拟“拆弹”的场景进行封装（如图1所示），力图通过这种兼具应用性和趣味性的形式，引导学生关注“器件怎么用、电路怎么看、实际怎么干”。最终以本实验项目为参考和依托，启发学生通过增加或改变传感器、改进告警指示功能、拓展控制电路应用场合等方式，在自主实验过程中完成类似的电子制作，实现理论与实践的紧密结合。

图1 “拆弹专家”实验项目设计思路

“拆弹专家”实验项目实施分为课内、课外两个阶段，具体可划分为理论铺垫、测量体验、改进实践、复盘对抗、拓展提升等五个阶段（如图2所示），其中前三个阶段融入理论课堂的“工程师课堂”环节，后两个阶段配合课程自主实验环节展开。

图2 “拆弹专家”实验项目实施流程

课内实践过程中，首先以运放非线性特性作为理论切入点，分析典型“炸弹”工作原理，对实际继电器、反相器等工程基础内容进行介绍；在此基础上，组织学生进行现场测量，在验证“炸弹”原理的过程中增强感性认识；然后提出如何拆除的问题，由学生自主进行“拆弹”，结合对运放输入端/输出端电位、三极管CE电压、继电器工作电压等参数的测量，来发现理论与实际的区别；进一步，对“炸弹”难度进行升级，在“拆弹失败”的感受中引导学生发现反相器偏置方式改变、BJT开关原理与使用等工程改进的原理，提出“传感器+运放+反相器与继电器”这一典型“炸弹”结构在实际中可以进一步拓展和丰富的内容，为学生自主实验阶段明确方向。

本实验的课外阶段主要结合自主实验进行，主要有三个（但并不限于三个）实践方向：一是对课堂实践电路进行复盘（不是复制）和对抗。即学生采用类似的结构，通过功能仿真、器件选择、焊接调试的过程，对课堂实践的电路进行复盘并略加改进（如改变或增加传感器、改变运放输出控制方式等），在此基础上进行“拆弹”对抗；二是对典型结构进行拓展应用。即借用类似的结构，实现温度告警器、声控延时灯、接近报警器、光强指示器、烟雾检测报警器等运放控制电路；三是对现有结构进行拓展提升，尝试以“延时可控的告警电路”作为“模拟手雷”，增加无线收发模块，利用单片机进行数据采集，增加上位机整体监控，构造面向实战化训练的“投弹训练系统”。学生自主实验阶段，教师通过线上与线下相结合的方式给予学生仿真验证、器件使用、焊接工艺、装配调试、故障排查等方面的指导。

鉴于本实验特殊的定位和侧重自主实践的实施特点，具体学时大体划分为“3学时课内+8学时课外”。其中：课内学时包括1学时课堂测量体验和2学时验收展示（课程自主实验的课表学时）。按以往教学经验，学生自主实验中所需的焊接、调试、排障时间大约为一天（较复杂项目除外），因此确定课外学时为8学时。

实验原理及方案

1）理想“炸弹”原理

图3 典型“炸弹”原理图

一个理想的“炸弹”由计时器、控制器、引爆器和供电电源等构成，各部分之间有计时信号线、控制信号线和电源供电线连接。符合上述构架的典型电路如图3所示：可以充放电的电容充当了计时器、运放充当了控制器，三极管反相器、继电器、蜂鸣器等器件充当了引爆器和爆炸物，相当于“电子雷管”和“炸药”。

接通电源后，电源通过小电阻R1将电容C1快速充电至并联稳压管的稳定电压VZ，此时运放反相端电位VN=VZ，同相端电位是R3与Rp分压得到的基准电压V~~REF~~。因为VN> V~~REF~~，运放输出低电平VOL。三极管T截止，继电器无动作。按下开关S1后，电容C1通过R2和运放反相端缓慢放电，VN电位逐渐降低，当VN< V~~REF~~时，运放输出高电平VOH，T1导通并迅速饱和，继电器吸合，蜂鸣器回路闭合，“炸弹”爆炸。

2）初次“拆弹”原理

图4 初次“炸弹”电路原理图

初次“拆弹”电路如图4所示。剪红色电源供电线，失去供电的运放的输出端电位降低，继电器无动作，“拆弹”成功！如果剪黄色控制信号线，三极管基极回路被断开，三极管截止，“拆弹”成功！如果剪蓝色的计时信号线，VN电位瞬间低至接近0，VN< V~~REF~~，VO=VOH，T1导通饱和，继电器吸合，蜂鸣器响，“拆弹”失败！

3）升级“炸弹”原理

图5 升级后的“炸弹”原理图

升级后的“炸弹”如图5所示，其中：运放输出控制部分，改变了T1的偏置方式，VO与VDD共影响B点电位，若剪黄线（控制信号线），B点电位瞬间被VDD拉高，T1导通，继电器吸合。同时，为了防止加电瞬间VO产生错误电平，增加了小电容C2，可在加电瞬间拉低B点电位，防止“误炸”。另外，运放供电部分增加了PNP管T2与RP2构成的BJT开关，不剪红线（运放供电线），T2截止；一旦剪线，RP2上将产生足够的电压使T2导通，VCC直接向蜂鸣器回路供电，“爆炸物”被引爆！

实验报告要求

因本实验项目在自主实践环节上的开放性，最终实验总结并非同常规实验一样体现在实验报告上。学生需要提交的总结性和过程性文档资料主要包括：

（1）实验电路功能演示视频1份；

（2）实验电路正反面照片（用于体现焊接装配工艺）各1张；

（3）实验项目技术报告1份，包含设计思路、电路原理、参数估算、器件选择、调试过程、实测数据、元件清单、功能总结、改进展望等内容；

（4）用于验收答辩的PPT1份（可选）；

（5）体现实验过程的其它资料，如仿真程序等。

考核要求与方法

因本实验项目“始于‘拆弹’，不止于‘拆弹’”的特殊性定位，实验的考核必然要侧重于功能和创意，因此将结合《模电》课程自主实验进行。也就是本实验项目的衍生电路，无论是用于“复盘对抗”的典型电路，还是“升级改造”的应用电路，都可以作为课程自主实验项目，因此考核过程是结合自主实验的演示验收进行的。教师根据学生成果演示和项目答辩情况，结合学生提交的展示视频和技术报告等资料，从原理理解、项目创意、功能实现、装配工艺、技术报告等五个方面综合给出评价，给出优秀、良好、合格等不同档次的考核结论，其中项目评价为优秀的，《模电》课程实验成绩可直接计满分。这样，在不额外增加学生负担并无缝衔接课程自主实验的同时，建立“侧重工程实践能力”的实验考核导向。具体考核内容如下：

1）原理理解：是否理解传感器、运放、反相器等器件和相关单元电路的工作原理，是否明确实际工作情况和理论分析的区别；

2）功能实现：预设功能与性能指标的达成程度；

3）项目创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力；

4）装配工艺：实现方式（是蜂窝板焊接还是面包板插线）选择，器件布局疏密，电路规模大小，焊接质量优劣、调试测试便捷程度等；

5）技术报告：技术报告的规范性、完整性和详尽程度。

项目特色或创新

项目的特色在于：项目形式的新颖性，设计思路的巧妙性，实验方式的独特性。

1）项目形式的新颖性：将一个简单的“延时可控的告警指示电路”封装在“拆弹对抗”的场景中，在教学实践中能极大调动学生的参与热情和思考力度；

2）设计思路的巧妙性：采用了“小处入手、大处落脚”的思路，虽始于“拆弹”，但不止于“拆弹”。通过课堂实践和自主实验的巧妙结合，成功激发学生利用运放特性开展自主实验的热情。

3）实验方式的独特性：打破“基于固定模式测量验证” 的常规实验模式，通过“工程师课堂”将实践环节引入理论课堂，较好解决了“测量验证实验没兴趣、自主实验没思路”等学生反映的典型问题。