通信電路實驗教學改革探索

劉國華，王光義

通信電路實驗教學改革探索

劉國華，王光義

（杭州電子科技大學 國家級電工電子實驗教學示范中心，杭州 310018）

為了提高學生對通信電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計與自主實驗?zāi)芰?，開展了“以基礎(chǔ)實驗為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計實驗為主導(dǎo)”的教學內(nèi)容改革；構(gòu)建了以調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)和電路仿真軟件為基礎(chǔ)的軟硬件設(shè)計實驗平臺；探索了形成性評價與總結(jié)評價相結(jié)合的綜合評價方式。從實驗內(nèi)容、實驗實施、教學方法的改革等方面探討了課程教學改革過程。實踐表明，設(shè)計性實驗與軟件仿真相結(jié)合的開放實驗?zāi)Ｊ教岣吡藢W生的實驗積極性和綜合能力，改善了教學效果。

通信電子電路實驗；教學模式改革；設(shè)計性實驗；軟件仿真

通信電路實驗屬于電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)實驗課程，該課程具有較強的綜合性與應(yīng)用性。文中結(jié)合杭州電子科技大學電子信息工程與通信工程專業(yè)的通信電路教學實踐，開展了“以基礎(chǔ)實驗為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計實驗為主導(dǎo)”的教學內(nèi)容改革和以“自主實驗與合作實驗相結(jié)合”的教學方法改革。結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，引導(dǎo)和組織學生進行研究性學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐能力［1－2］，達到培養(yǎng)既有理論知識又有創(chuàng)新實踐能力的技術(shù)人才的教學目標。

1 實驗內(nèi)容的設(shè)計

通信電路課程的主要內(nèi)容包括［3－4］：通信系統(tǒng)簡介、小信號諧振放大器、高頻諧振功率放大器、高頻振蕩器、相乘器與調(diào)幅電路、振幅檢波電路、調(diào)頻與鑒頻電路、混頻電路以及鎖相環(huán)與鎖相頻率合成器等各功能電路。從課程內(nèi)容可以看出，該課程的實踐性很強，許多高校很早就開設(shè)了與之配套的實踐環(huán)節(jié)并開展了多種形式的教學改革［5－7］。傳統(tǒng)的通信電路實驗教學由于受到電路制作技術(shù)、實驗儀器設(shè)備的限制，雖然在實驗內(nèi)容和方法上進行一些改革，但仍舊局限在給定的單元電路板上，學生依照實驗指導(dǎo)書按步驟操作，觀察實驗現(xiàn)象并記錄實驗數(shù)據(jù)，驗證基本理論的正確性以及某些參數(shù)對電路功能的影響。該方式的優(yōu)點是步驟規(guī)范統(tǒng)一、容易組織與實施、對實驗學生和指導(dǎo)老師的綜合要求不高。缺點集中在以下四個方面：（1）電路固定，限制了學生的發(fā)揮，單元電路實驗也無法讓學生建立通信系統(tǒng)的概念；（2）實驗過程中接線簡單，缺乏對電路的設(shè)計與組裝訓(xùn)練，不利于綜合能力的培養(yǎng)；（3）對常用儀器設(shè)備的依賴性較強，實驗硬件設(shè)備投資大，管理維護復(fù)雜，無法接觸頻譜分析儀等專用儀器；（4）封閉式管理，缺乏設(shè)計和創(chuàng)新環(huán)節(jié)，不適合培養(yǎng)具有工程實踐能力與創(chuàng)新意識的專業(yè)人才。

為確保實驗項目與理論授課內(nèi)容的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實驗項目設(shè)置既要兼顧基礎(chǔ)性，又要考慮綜合性與設(shè)計性。使學生在實驗中通過觀察、操作、分析、驗證、總結(jié)等環(huán)節(jié)，掌握通信系統(tǒng)基本理論、基本概念、電路設(shè)計與調(diào)試規(guī)律。根據(jù)課程特點，我們將內(nèi)容分為基礎(chǔ)與驗證實驗、仿真實驗、系統(tǒng)設(shè)計性實驗三個層次，各課時比例約為1∶2∶7。保留1個調(diào)諧與寬帶可控增益放大器的基礎(chǔ)實驗項目，振蕩器設(shè)計和調(diào)幅通信系統(tǒng)設(shè)計，實驗通過LTSpice軟件仿真實現(xiàn)。該軟件體積小速度快，分立元件庫豐富，方便導(dǎo)入外部Spice模型，比較適合高頻電路系統(tǒng)設(shè)計及仿真使用。雖然部分高校使用了商業(yè)電路仿真軟件開展教學［8－9］，但免費易用的LTSpice更適用于實驗教學。

綜合設(shè)計性實驗以小功率調(diào)頻發(fā)射機系統(tǒng)為例。整機分為音頻放大級、調(diào)頻振蕩級和倍頻與功放級三個部分，如圖1所示。

圖1 調(diào)頻發(fā)射機的結(jié)構(gòu)

設(shè)計要求發(fā)射頻率64～76 MHz，用頻譜分析儀調(diào)試接收，無線音頻傳輸距離不小于10 m。實驗學生人數(shù)每組2名，分工明確，協(xié)同完成整機調(diào)試。每組學生配備的實驗儀器設(shè)備包括：雙蹤示波器、數(shù)字頻率計、臺式萬用表、直流穩(wěn)壓電源、焊臺各1臺。每間實驗室另配備頻譜分析儀5臺、數(shù)字電橋1臺、PCB制作設(shè)備1套。

每組學生根據(jù)實驗要求，自主制訂實驗計劃，實驗室提供無元件參數(shù)的電路原理圖和可選的元器件清單，學生自主設(shè)計計算元件參數(shù)并繪制PCB電路圖，利用仿真軟件設(shè)計優(yōu)化電路參數(shù)，選定與領(lǐng)取元器件，組裝調(diào)試電路。

2 實驗實施和教學方法的改革

2.1 實驗實施過程

我?！巴ㄐ烹娐穼嶒灐闭n程面向電子信息類專業(yè)學生開設(shè)，共32學時。從2011年開始實施，每年實驗學生約500名。實驗教學改革如下：

（1）課內(nèi)課外結(jié)合?；A(chǔ)與仿真實驗課內(nèi)課外學時比約為1∶1，設(shè)計性實驗課內(nèi)課外學時比約為1∶3。

（2）硬件軟件結(jié)合。要求硬件實驗項目先有課外仿真結(jié)果。

（3）單獨實驗與合作實驗結(jié)合?；A(chǔ)仿真類實驗單獨完成，設(shè)計性實驗多人合作完成。

（4）過程評價與驗收評價結(jié)合。將學生在實驗過程中的表現(xiàn)納入評價體系，過程與結(jié)果并重，激發(fā)學生的實驗參與意識。

基礎(chǔ)與仿真實驗融入設(shè)計內(nèi)容，電路參數(shù)設(shè)計和仿真優(yōu)化在課外完成，指導(dǎo)教師課內(nèi)完成驗收。

對于綜合設(shè)計性實驗，首先，學生根據(jù)實驗教材［11］了解設(shè)計任務(wù)；其次，完成實驗準備和方案電路的設(shè)計與仿真；最后，領(lǐng)取元件材料完成整機調(diào)試驗收。詳細實施過程如圖2所示。

圖2 綜合設(shè)計性實驗實施過程圖

圖2 中的主要環(huán)節(jié)如實驗計劃、方案設(shè)計、電路設(shè)計、仿真分析、組裝調(diào)試等均有可操作的過程評價指標，綜合評價學生在實驗過程中的表現(xiàn)。

2.2 教學方法的改革

教學方法的改革融于實驗實施過程中，包括實驗內(nèi)容的設(shè)計與改革、實驗指導(dǎo)方式的改革、實驗手段的改革。

實驗內(nèi)容的設(shè)計思路是“以基礎(chǔ)實驗為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計實驗為主導(dǎo)”，逐步建立“實驗內(nèi)容隨技術(shù)發(fā)展而更新”的動態(tài)調(diào)整機制，將理論教學內(nèi)容與實驗有機結(jié)合起來。如將高頻小信號調(diào)諧放大器與寬帶可控增益放大器同時開設(shè)，融入設(shè)計內(nèi)容；調(diào)幅通信系統(tǒng)可調(diào)電路參數(shù)較多，輸出波形復(fù)雜多變，采用軟件仿真的實驗形式，可以使學生建立完整的通信系統(tǒng)概念；調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)在大眾廣播、車載設(shè)備、無線對講等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，讓學生自主設(shè)計調(diào)試，在激發(fā)興趣的同時培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實踐能力。

教師采用“側(cè)重引導(dǎo)、鼓勵探究”的實驗指導(dǎo)模式。指導(dǎo)教師除布置實驗任務(wù)外不集中講解，鼓勵學生分析研究后自己提出問題，在個別輔導(dǎo)中提供實驗方法和調(diào)試思路的引導(dǎo)，及時檢查學生的實驗進度，設(shè)置思考題讓學生討論，觀察每名學生的實驗態(tài)度、課堂表現(xiàn)、動手能力，通過過程評價環(huán)節(jié)調(diào)動學生的實驗積極性［12］。驗收測評則采用學生自主評價、教師監(jiān)督的方式，評分過程客觀透明。

采用多元化的實驗手段提高實驗效果。實驗改革過程中采用了硬件電路與軟件仿真相結(jié)合、課內(nèi)集中實驗與課外分散實驗相結(jié)合、獨立實驗與分組合作實驗相結(jié)合、教師管理與學生管理相結(jié)合的多種手段，提高學生的軟件使用能力、資料查找能力、電路設(shè)計能力與自主學習能力。

2.3 實施效果

在新的實驗教學模式下，通過優(yōu)化和精心設(shè)計教學內(nèi)容，所有實驗中均加入了自主設(shè)計環(huán)節(jié)。如基礎(chǔ)實驗需要學生構(gòu)建集成電路AD603的Spice模型完成課外仿真。大大地調(diào)動了學生的實驗積極性和主動研究意識，培養(yǎng)了主動學習能力。推薦的仿真軟件，配置簡單、容易上手，不僅提高了仿真實驗效率，而且使很多學生在課程設(shè)計和電子設(shè)計競賽中受益匪淺。學生運用仿真軟件輔助設(shè)計并調(diào)試電路的能力大大增強。

綜合設(shè)計性實驗在制訂實驗計劃、任務(wù)分工、參數(shù)設(shè)計、PCB設(shè)計制作、焊接組裝、調(diào)試驗收等環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮了學生的主動思考、動手實踐、協(xié)同工作能力。指導(dǎo)老師在實驗開始就公布驗收評價標準，使實驗的目的性和針對性更強，不少學生為了提升一個技術(shù)指標而積極預(yù)約到開放實驗室。實驗課堂上學生自主討論、經(jīng)驗交流、互幫互學現(xiàn)象很常見，而學生對指導(dǎo)老師的依賴性大大減少。通過訓(xùn)練，學生的儀器操作、綜合調(diào)測、故障查找與排除能力明顯提高，遇到問題，很快通過儀器設(shè)備自主查找故障并解決問題。

調(diào)頻無線發(fā)射系統(tǒng)要求能實現(xiàn)短距離的無線語音通信，學生帶著這個明確的期待進行實驗，當調(diào)試驗收成功時充滿成功的喜悅。學生之間通常會彼此比較語音通信的距離和清晰度，交流電路制作與調(diào)試經(jīng)驗。通過頻譜分析儀和LCR數(shù)字電橋的使用，學生可熟練掌握射頻無線信號和自制空心電感各參數(shù)的測量方法。實驗結(jié)束后，部分學生開始對通信系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)生濃厚的興趣，要求留在實驗室繼續(xù)自學，參加每年舉行的各級學科競賽活動。我們通過以上方式選拔人才，指導(dǎo)學生參加各級電子設(shè)計競賽，已獲全國一等獎1項，浙江省一等獎7項。

3 結(jié)束語

教學改革實踐表明，綜合設(shè)計性實驗和軟件仿真相結(jié)合是通信電路實驗改革的方向。通過不斷更新實驗內(nèi)容、構(gòu)建開放式實驗平臺、創(chuàng)新實驗組織和管理模式，可以激發(fā)學生的興趣和潛力，培養(yǎng)自主學習能力、組織合作能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力。設(shè)計性實驗也對教師和學生提出了更高的要求，需要教師不斷思考探索新的實驗教學模式，提高業(yè)務(wù)能力，學生積極配合，確保實驗改革的順利實施。

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Reform and Exploration of Teaching Mode of Communication Electronic Circuits

LIU Guohua，WANG Guangyi
（National Electrical and Electronic Experiment Teaching Demonstration Center，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China）

The aim of reform is to improve the students'independent experiment ability on communication circuits system.By enhancing comprehensive experiments，an experimental platform based on frequency-modulated transmitter system and simulate software is constructed.A new achievement valuation system combining process valuation with result valuation is explored.This paper discusses three respects of experimental content，experimental implementation，experimental results，etc.Practice shows that the combination of design experimentwith software evaluation improves students'enthusiasm，comprehensive ability and teaching results of the experiment course.

communication electronic experiment；teachingmode reform；design experiment；software simulation

G642.0；TN929.5

A

10.3969/j.issn.1672－4550.2014.05.025

2013－09－16

浙江省精品課程建設(shè)基金資助項目（GK110102003）；杭州電子科技大學課程教學模式改革試點基金資助項目（ZX120105307013）。

劉國華（1975－），男，碩士，講師，主要從事通信電路實驗和理論的教學教研工作。