通信電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

劉國華，王光義

通信電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

劉國華，王光義

（杭州電子科技大學(xué) 國家級電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州 310018）

為了提高學(xué)生對通信電路系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)與自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，開展了“以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)”的教學(xué)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(jì)實(shí)驗(yàn)平臺；探索了形成性評價(jià)與總結(jié)評價(jià)相結(jié)合的綜合評價(jià)方式。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、教學(xué)方法的改革等方面探討了課程教學(xué)改革過程。實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與軟件仿真相結(jié)合的開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教岣吡藢W(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和綜合能力，改善了教學(xué)效果。

通信電子電路實(shí)驗(yàn)；教學(xué)模式改革；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；軟件仿真

通信電路實(shí)驗(yàn)屬于電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，該課程具有較強(qiáng)的綜合性與應(yīng)用性。文中結(jié)合杭州電子科技大學(xué)電子信息工程與通信工程專業(yè)的通信電路教學(xué)實(shí)踐，開展了“以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)”的教學(xué)內(nèi)容改革和以“自主實(shí)驗(yàn)與合作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合”的教學(xué)方法改革。結(jié)合“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”，引導(dǎo)和組織學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力［1－2］，達(dá)到培養(yǎng)既有理論知識又有創(chuàng)新實(shí)踐能力的技術(shù)人才的教學(xué)目標(biāo)。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

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(shí)踐性很強(qiáng)，許多高校很早就開設(shè)了與之配套的實(shí)踐環(huán)節(jié)并開展了多種形式的教學(xué)改革［5－7］。傳統(tǒng)的通信電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于受到電路制作技術(shù)、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的限制，雖然在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法上進(jìn)行一些改革，但仍舊局限在給定的單元電路板上，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按步驟操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)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(diǎn)是步驟規(guī)范統(tǒng)一、容易組織與實(shí)施、對實(shí)驗(yàn)學(xué)生和指導(dǎo)老師的綜合要求不高。缺點(diǎn)集中在以下四個(gè)方面：（1）電路固定，限制了學(xué)生的發(fā)揮，單元電路實(shí)驗(yàn)也無法讓學(xué)生建立通信系統(tǒng)的概念；（2）實(shí)驗(yàn)過程中接線簡單，缺乏對電路的設(shè)計(jì)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(qiáng)，實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備投資大，管理維護(hù)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(jì)和創(chuàng)新環(huán)節(jié)，不適合培養(yǎng)具有工程實(shí)踐能力與創(chuàng)新意識的專業(yè)人才。

為確保實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與理論授課內(nèi)容的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置既要兼顧基礎(chǔ)性，又要考慮綜合性與設(shè)計(jì)性。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中通過觀察、操作、分析、驗(yàn)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(jì)與調(diào)試規(guī)律。根據(jù)課程特點(diǎn)，我們將內(nèi)容分為基礎(chǔ)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次，各課時(shí)比例約為1∶2∶7。保留1個(gè)調(diào)諧與寬帶可控增益放大器的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，振蕩器設(shè)計(jì)和調(diào)幅通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)通過LTSpice軟件仿真實(shí)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(jì)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(xué)［8－9］，但免費(fèi)易用的LTSpice更適用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)以小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)系統(tǒng)為例。整機(jī)分為音頻放大級、調(diào)頻振蕩級和倍頻與功放級三個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 調(diào)頻發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)學(xué)生人數(shù)每組2名，分工明確，協(xié)同完成整機(jī)調(diào)試。每組學(xué)生配備的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備包括：雙蹤示波器、數(shù)字頻率計(jì)、臺式萬用表、直流穩(wěn)壓電源、焊臺各1臺。每間實(shí)驗(yàn)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(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，自主制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，實(shí)驗(yàn)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(xué)生自主設(shè)計(jì)計(jì)算元件參數(shù)并繪制PCB電路圖，利用仿真軟件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)實(shí)施和教學(xué)方法的改革

2.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程

我?！巴ㄐ烹娐穼?shí)驗(yàn)”課程面向電子信息類專業(yè)學(xué)生開設(shè)，共32學(xué)時(shí)。從2011年開始實(shí)施，每年實(shí)驗(yàn)學(xué)生約500名。實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革如下：

（1）課內(nèi)課外結(jié)合?；A(chǔ)與仿真實(shí)驗(yàn)課內(nèi)課外學(xué)時(shí)比約為1∶1，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課內(nèi)課外學(xué)時(shí)比約為1∶3。

（2）硬件軟件結(jié)合。要求硬件實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目先有課外仿真結(jié)果。

（3）單獨(dú)實(shí)驗(yàn)與合作實(shí)驗(yàn)結(jié)合?；A(chǔ)仿真類實(shí)驗(yàn)單獨(dú)完成，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)多人合作完成。

（4）過程評價(jià)與驗(yàn)收評價(jià)結(jié)合。將學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)納入評價(jià)體系，過程與結(jié)果并重，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與意識。

基礎(chǔ)與仿真實(shí)驗(yàn)融入設(shè)計(jì)內(nèi)容，電路參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化在課外完成，指導(dǎo)教師課內(nèi)完成驗(yàn)收。

對于綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，首先，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)教材［11］了解設(shè)計(jì)任務(wù)；其次，完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和方案電路的設(shè)計(jì)與仿真；最后，領(lǐng)取元件材料完成整機(jī)調(diào)試驗(yàn)收。詳細(xì)實(shí)施過程如圖2所示。

圖2 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程圖

圖2 中的主要環(huán)節(jié)如實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、方案設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、仿真分析、組裝調(diào)試等均有可操作的過程評價(jià)指標(biāo)，綜合評價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)。

2.2 教學(xué)方法的改革

教學(xué)方法的改革融于實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程中，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與改革、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)方式的改革、實(shí)驗(yàn)手段的改革。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)思路是“以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)”，逐步建立“實(shí)驗(yàn)內(nèi)容隨技術(shù)發(fā)展而更新”的動態(tài)調(diào)整機(jī)制，將理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)有機(jī)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(shí)開設(shè)，融入設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)形式，可以使學(xué)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(xué)生自主設(shè)計(jì)調(diào)試，在激發(fā)興趣的同時(shí)培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

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

采用多元化的實(shí)驗(yàn)手段提高實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)與課外分散實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、獨(dú)立實(shí)驗(yàn)與分組合作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合、教師管理與學(xué)生管理相結(jié)合的多種手段，提高學(xué)生的軟件使用能力、資料查找能力、電路設(shè)計(jì)能力與自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 實(shí)施效果

在新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，通過優(yōu)化和精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，所有實(shí)驗(yàn)中均加入了自主設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。如基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)需要學(xué)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(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性和主動研究意識，培養(yǎng)了主動學(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)效率，而且使很多學(xué)生在課程設(shè)計(jì)和電子設(shè)計(jì)競賽中受益匪淺。學(xué)生運(yùn)用仿真軟件輔助設(shè)計(jì)并調(diào)試電路的能力大大增強(qiáng)。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、任務(wù)分工、參數(shù)設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)制作、焊接組裝、調(diào)試驗(yàn)收等環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮了學(xué)生的主動思考、動手實(shí)踐、協(xié)同工作能力。指導(dǎo)老師在實(shí)驗(yàn)開始就公布驗(yàn)收評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使實(shí)驗(yàn)的目的性和針對性更強(qiáng)，不少學(xué)生為了提升一個(gè)技術(shù)指標(biāo)而積極預(yù)約到開放實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)課堂上學(xué)生自主討論、經(jīng)驗(yàn)交流、互幫互學(xué)現(xiàn)象很常見，而學(xué)生對指導(dǎo)老師的依賴性大大減少。通過訓(xùn)練，學(xué)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(shí)現(xiàn)短距離的無線語音通信，學(xué)生帶著這個(gè)明確的期待進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)調(diào)試驗(yàn)收成功時(shí)充滿成功的喜悅。學(xué)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(yàn)。通過頻譜分析儀和LCR數(shù)字電橋的使用，學(xué)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(shí)驗(yàn)結(jié)束后，部分學(xué)生開始對通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生濃厚的興趣，要求留在實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)自學(xué)，參加每年舉行的各級學(xué)科競賽活動。我們通過以上方式選拔人才，指導(dǎo)學(xué)生參加各級電子設(shè)計(jì)競賽，已獲全國一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，浙江省一等獎(jiǎng)7項(xiàng)。

3 結(jié)束語

教學(xué)改革實(shí)踐表明，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和軟件仿真相結(jié)合是通信電路實(shí)驗(yàn)改革的方向。通過不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、構(gòu)建開放式實(shí)驗(yàn)平臺、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)組織和管理模式，可以激發(fā)學(xué)生的興趣和潛力，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力、組織合作能力、創(chuàng)新應(yīng)用能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)也對教師和學(xué)生提出了更高的要求，需要教師不斷思考探索新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提高業(yè)務(wù)能力，學(xué)生積極配合，確保實(shí)驗(yàn)改革的順利實(shí)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(xiàng)目（GK110102003）；杭州電子科技大學(xué)課程教學(xué)模式改革試點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（ZX120105307013）。

劉國華（1975－），男，碩士，講師，主要從事通信電路實(shí)驗(yàn)和理論的教學(xué)教研工作。