電子電路基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)研制

李錫華，施紅軍，葉險峰

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

電子電路基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)研制

李錫華，施紅軍，葉險峰

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

根據(jù)新開的電子電路基礎(chǔ)實驗課程的要求和教學(xué)實踐經(jīng)驗，研制了一套電子電路基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)突出了實驗的靈活性，強(qiáng)調(diào)了實驗的自主設(shè)計和探索研究，適用于設(shè)計型實驗和探究型實驗的教學(xué)實踐活動。運(yùn)用該實驗系統(tǒng)開展實驗教學(xué)可以調(diào)動學(xué)生實驗的積極性和主動性，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析、解決實際工程問題的能力和自主創(chuàng)新的能力。該實驗系統(tǒng)已用于浙江大學(xué)信電系本科生的電子電路實驗教學(xué)，教學(xué)效果良好，學(xué)生給予了很好的評價。

電子電路實驗；實驗系統(tǒng)；實驗教學(xué)；自主實驗

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系在國家特色專業(yè)建設(shè)過程中，對培養(yǎng)計劃和課程體系作了改革，在課程體系改革中對現(xiàn)有電路原理、模擬電子電路、數(shù)字電路、射頻通信電路、射頻與微波電路及其設(shè)計等電子電路系列課程(包括實驗課程)進(jìn)行了綜合教學(xué)改革，重新梳理和更新各課程知識點并進(jìn)行優(yōu)化整合，形成了電子電路基礎(chǔ)(實驗)、射頻通信電路(實驗)和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(實驗)等新課程[1-2]。從2010年下半年開始，陸續(xù)開出改革后的新課程。電子電路基礎(chǔ)實驗I、II就是其中的新開實驗課程，內(nèi)容覆蓋電路基本實驗、模擬電子電路實驗、數(shù)字電路基礎(chǔ)實驗等。為了順利開展電子電路實驗的教學(xué)工作，根據(jù)新開實驗課程的要求和積累的實驗教學(xué)經(jīng)驗，研制開發(fā)了一套電子電路基礎(chǔ)實驗系統(tǒng)(以下簡稱“實驗系統(tǒng)”)。使用該實驗系統(tǒng)既可進(jìn)行電路基本實驗、模擬電路實驗、數(shù)字與脈沖電路實驗等一般性實驗教學(xué)，也可進(jìn)行綜合性、設(shè)計性實驗教學(xué)。本實驗系統(tǒng)具有較高的使用價值和低廉的制作成本。

1 研制實驗系統(tǒng)的指導(dǎo)思想

目前，市場上有多種由專業(yè)廠家開發(fā)的模擬電子電路實驗箱或?qū)嶒炁_供應(yīng)，價格從幾千元到上萬元不等，這些實驗箱(臺)操作簡單、使用簡便，但不同程度存在功能單一、靈活性不夠、設(shè)計性和綜合性體現(xiàn)不足等問題[3-4]，實驗教學(xué)效果不盡如人意，對培養(yǎng)實驗者的動手能力和創(chuàng)新意識起不到該有的作用。更突出的問題在于，它是一個由教儀廠商設(shè)計的、力求普遍適用的儀器，因此，用它來進(jìn)行實驗教學(xué)其深度受到限制，不能完成我們設(shè)計的所有實驗項目，不能完全滿足我們的教學(xué)要求。為此，我們在設(shè)計研制實驗系統(tǒng)過程中，充分考慮了設(shè)計性實驗、探究性實驗的教學(xué)具體情況和要求，結(jié)合實驗教學(xué)內(nèi)容等諸多因素進(jìn)行設(shè)計。研制實驗系統(tǒng)的指導(dǎo)思想主要體現(xiàn)在以下幾個方面[5-7]：

1)與電子電路理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系

該實驗課程具有很強(qiáng)的實踐性和工程性，要求以新的理念，從電路的整體全局出發(fā)，覆蓋必須掌握的全部知識點，在實驗內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)設(shè)計性、探究性和系統(tǒng)性，在實驗教學(xué)方式上循序漸進(jìn)、逐步深入、一環(huán)扣一環(huán)。本系統(tǒng)要能實現(xiàn)這樣的教學(xué)理念。

2)針對性強(qiáng)

研制的實驗系統(tǒng)是針對教學(xué)大綱設(shè)計的實驗項目而研究設(shè)計的，針對性較強(qiáng)，不具有普遍適用性。項目研制中充分考慮了實驗教學(xué)的靈活性、實驗過程的多樣性和實驗個體的差異，滿足不同層次、不同要求的實驗教學(xué)需要。電子電路實驗根據(jù)實驗內(nèi)容，一般可分為基礎(chǔ)型、設(shè)計型、探究型實驗等三個層次?；A(chǔ)型實驗主要培養(yǎng)學(xué)生掌握電子儀器的使用，電子電路電學(xué)參數(shù)的測量方法等基本技能；設(shè)計型實驗主要是利用分立和集成器件進(jìn)行電路設(shè)計和調(diào)試，以及分析實驗現(xiàn)象和解決實驗中出現(xiàn)的問題等，訓(xùn)練學(xué)生的電子電路設(shè)計能力；探究型實驗往往是設(shè)計并制作一個完整的具有規(guī)定技術(shù)性能的電路系統(tǒng)，具有一定的綜合性和探索性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識的能力和探索研究實際問題的能力。研制實驗系統(tǒng)時，需要打破傳統(tǒng)的電子電路實驗以驗證型實驗為主的教學(xué)觀念，為學(xué)生提供一個進(jìn)行不同層次實驗的公用平臺[8]。

3)操作性強(qiáng)

與成品電子電路實驗箱不同，本系統(tǒng)的電路連接與元器件的更換都需要由學(xué)生自己動手完成，而不是簡單地接插連線，元件規(guī)格的選擇也沒有限制，這樣可增強(qiáng)對元器件的認(rèn)知和實際動手能力的培養(yǎng)。

4)應(yīng)具有安全保護(hù)性、高可靠性和可維護(hù)性

由于學(xué)生在實驗中會出現(xiàn)各種連線錯誤和元器件裝錯的可能，一旦出現(xiàn)這種情況，電路板應(yīng)具有保護(hù)措施，不致出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞。

2 實驗系統(tǒng)的功能和組成

使用該實驗系統(tǒng)能夠進(jìn)行以下內(nèi)容的實驗：(1)電路基本定律類研究實驗；(2)RLC諧振電路實驗研究；(3)一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)研究；(4)基本門電路研究；(5)555時基電路的應(yīng)用研究；(6)集成運(yùn)放基本運(yùn)算電路研究；(7)晶體管放大電路類的設(shè)計與研究。

該實驗系統(tǒng)針對以上不同的實驗內(nèi)容設(shè)計制作了電路定律類研究實驗、放大電路類研究實驗、基本門電路研究實驗、時基電路應(yīng)用研究實驗等多塊實驗電路板，每塊實驗板可完成幾個實驗項目。按照設(shè)計探究型實驗的要求來設(shè)計實驗板，例如，如圖1所示的放大電路類研究實驗電路板可分別進(jìn)行單級晶體管放大電路設(shè)計研究實驗、差分放大器研究實驗等，把各級電路按不同方式連接起來又可進(jìn)行多級負(fù)反饋放大器設(shè)計研究實驗和具有差分輸入級的多級負(fù)反饋放大電路研究實驗等，實驗電路清晰明了、實驗操作簡單、更換元器件及測試調(diào)節(jié)方便。

圖1 放大電路類實驗電路板

3 實驗系統(tǒng)主要解決的問題

在實驗系統(tǒng)研制開發(fā)過程中，我們主要解決了以下難題。

1)克服了實驗板數(shù)量多帶來的教學(xué)及管理上的不便

實驗系統(tǒng)涉及的實驗項目較多，若按實驗項目進(jìn)行電路板設(shè)計，實驗板數(shù)量會很多，不利于對實驗板和實驗的管理。我們將同類實驗設(shè)計在一塊實驗板上進(jìn)行，使實驗板更緊湊。例如，電路基本定律類研究實驗板包括“基爾霍夫定律和疊加定理的驗證”和“直流電路的戴維南等效和諾頓等效”多個實驗項目；放大電路類實驗板包括“晶體管共射放大電路設(shè)計與研究”“差分放大器的設(shè)計與研究”和“多級低頻小信號負(fù)反饋放大器的設(shè)計與研究”等實驗項目，而且，把這些實驗放大器級連，可以組裝成更復(fù)雜的放大電路，進(jìn)行復(fù)雜放大器的研究實驗。比如，把差分放大器的輸出接到共射放大器的輸入端組成差分輸入共射集電級輸出的兩級放大電路，再把它的輸出接到后面輸出級的輸入端，再接上負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了一個差分輸入、具有中間放大級和輸出級的多級負(fù)反饋放大器電路，這個電路實際上就是一個簡易的運(yùn)算放大器電路。同類實驗的整合，可以拓展實驗項目，加深探究型實驗的深度和難度，也可以幫助學(xué)生了解各個實驗項目的內(nèi)在聯(lián)系，更全面深入地把握知識點。

2)克服實驗中電源較多帶來的不便

電路基本定律類研究實驗板涉及兩路直流穩(wěn)壓電源與一路直流穩(wěn)流電源，電源較多，實驗不方便。考慮到單獨一個實驗項目只涉及其中兩路電源，那么，在電路板上增加直流電壓至恒流電源的轉(zhuǎn)換電路，就可以由一臺直流穩(wěn)壓電源的兩路輸出給該實驗板供電。

3)實驗電路可重構(gòu)

普通的實驗板或?qū)嶒炏?，不但電路結(jié)構(gòu)固定，而且元器件也固定，不可更換，或只能在有限的幾個規(guī)格內(nèi)選擇，這樣不利于設(shè)計型實驗項目的教學(xué)開展。為了克服這一缺點，在實驗板設(shè)計時，考慮元器件應(yīng)可以根據(jù)需要而方便地進(jìn)行更換，同時，使電路板又不會因此而增加體積和不緊湊，還要操作方便。因此，我們在設(shè)計時，在需由學(xué)生設(shè)計的部位采用測試針結(jié)構(gòu)來安插元器件，實驗時只要把元器件的管腳插入測試針的孔中即可，這樣便于學(xué)生實驗時按自己的設(shè)計需要來安裝元器件。在實驗電路結(jié)構(gòu)上，在需要由學(xué)生自己決定電路結(jié)構(gòu)與連接的地方，我們安裝了排針，學(xué)生可用跳線塊或跳線來搭建自己的實驗電路。例如，在如圖1所示的實驗板上，通過用跳線塊和跳線，可以連接出多個不同的多級放大電路。

4 結(jié)束語

本實驗系統(tǒng)在電子電路基礎(chǔ)實驗I、II課程的教學(xué)中已使用了三輪，選課學(xué)生每輪300名左右。從實驗效果看，學(xué)生能獨立設(shè)計實驗方案，調(diào)動了學(xué)生的積極性和主動性，在實驗調(diào)試過程中訓(xùn)練了學(xué)生綜合運(yùn)用知識分析問題、解決問題的能力，使他們學(xué)會了全方位看問題，大大增強(qiáng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識于實際工程的能力、自主創(chuàng)新的能力，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。

學(xué)生在實驗報告的心得體會中對本實驗系統(tǒng)給予了很好的評價。很多學(xué)生認(rèn)為，使用本實驗系統(tǒng)，需要在實驗前進(jìn)行充分預(yù)習(xí)，設(shè)計自己的實驗方案，是真正意義上的學(xué)生自主設(shè)計型電子電路實驗，自己的能力在實驗中得到訓(xùn)練與展示，當(dāng)完成每個實驗時，都很有成就感和自豪感。

[1] 于慧敏，黃愛蘋，章獻(xiàn)民，等. 信息與通信工程特色專業(yè)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2010，32(3)：96-97，100.

[2] 楊冬曉，嚴(yán)曉浪，于慧敏. 信息類特色專業(yè)建設(shè)的若干實踐[J].中國電子教育，2010(1)：38-45.

[3] 張珂，朱廣偉，詹雯. 多功能電子電路實驗箱的開發(fā)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(22)：1-2.

[4] 張遠(yuǎn)岐，任茂林，劉國昌. 電路模擬數(shù)字綜合實驗箱的研制[J].實驗室研究與探索，2000，19(5)：79-83.

[5] 劉小艷，金平，張尊僑.EC-I 電子電路實驗平臺研制[J].實驗技術(shù)與管理，2011，28(6)：61-63.

[6] 王革思，謝紅，王松武.電子電路虛擬實驗平臺的研究與實踐[J].實驗科學(xué)與技術(shù)，2010，8(1)：93-96.

[7] 羅杰，高潔，謝世輝，等. 關(guān)于修訂《電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗》教材的想法與實踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2000，22(3)：48-49,76.

[8] 葉輕舟，陳健. 模擬電子電路“虛”“實”結(jié)合實驗平臺方案的設(shè)計[J].電子科技，2010，23(1)：104-106.

Development of the Electric and Electronic Circuit Experimental System

LI Xihua, SHI Hongjun， YE Xianfeng

(Department of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

On the basis of demand of the new Electronic Circuit Experiment course and our teaching experience, a new electronic circuit experimental system was developed for basic electronic circuit experiment teaching. Compared with those traditional experimental systems, this system embodies the flexibility of experiments and the self-design processing and exploring investigation are specially emphasized. So it is suitable for designing-based and exploring-based experiments. With this system, the students’ enthusiasm and initiative may be stimulated, and their ability of using integrated knowledge to analyze and solve practical engineering problems, as well as the capacity for independent innovation can be promoted. The system has been applied in the experimental teaching of electronic circuit course for undergraduates in information and electronic engineering department of Zhejiang University. The practice shows good teaching effect has been achieved. Good appraise from the students for this experimental system are also obtained.

electronic circuit experiment; experimental system; experimental teaching; independent experiment

2014-02-24；修改日期: 2014-03-20

浙江省高等教育學(xué)會高校實驗室工作研究基金重點資助項目(Z201214);浙江省2013年高等教育課堂教學(xué)改革基金資助項目(kg2013032)。

李錫華(1962-)，男，碩士，副教授。主要從事本科實驗教學(xué)、實驗教學(xué)研究與改革和實驗室管理工作。

TN710；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.019