通過綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生動(dòng)手能力

齊臣杰+王宏偉+王小妮+殷樹娟+于梅

摘要：本文探討了普通地方院校通過綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)提高大學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)應(yīng)用型人才。把實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)由原來的8個(gè)學(xué)時(shí)，增加到20個(gè)學(xué)時(shí)。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇上，讓學(xué)生自己進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配和調(diào)試。難度由原來的單一功能電路模塊，改為微小系統(tǒng)，稱為綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。方法上放棄了原來試驗(yàn)箱的做法，從而大大提高了學(xué)生動(dòng)手能力。

關(guān)鍵詞：綜合性；設(shè)計(jì)性；實(shí)驗(yàn)；動(dòng)手能力

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）15-0222-02

一、引言

目前，國(guó)內(nèi)的高校都在不同程度上存在著學(xué)生動(dòng)手能力差，創(chuàng)新能力欠缺，在系統(tǒng)性和綜合性方面薄弱的問題。為了改善這種狀況，很多學(xué)校都投入了一定的人力物力，以此來有效開展這方面的改革與探索。華中科技大學(xué)龔軍、羅杰等人，積極探索了電子線路綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的開放式教學(xué)實(shí)踐，提出從系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，多角度思考問題，解決實(shí)際問題能力三方面來提高學(xué)生的動(dòng)手能力。中國(guó)科技大學(xué)李輝、戴蓓倩、楊基海利用Lattice半導(dǎo)體公司開發(fā)的高密度系統(tǒng)可編程ispLSI邏輯器件，在電子電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，提高現(xiàn)有電子電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平。從教學(xué)改革的文獻(xiàn)中可以看出，很多學(xué)校認(rèn)識(shí)到綜合性實(shí)驗(yàn)的重要性。深深感到當(dāng)代大學(xué)生必須有較強(qiáng)的動(dòng)手能力，還要有創(chuàng)新的思想和相關(guān)的技能。實(shí)踐教學(xué)在各類課程中應(yīng)占有重要的地位，因此要提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，使學(xué)生主動(dòng)參與，并更多地安排設(shè)計(jì)性、開放性的實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生興趣，不斷開展實(shí)踐教學(xué)的改革。目前，已經(jīng)取得了很好的效果。這些探索大都是“211”型大學(xué)，而對(duì)于普通的地方院校，本文探討通過綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生動(dòng)手能力問題。

二、研究背景

北京信息科技大學(xué)屬于地方普通高校，其發(fā)展目標(biāo)定位是：努力建設(shè)在電子信息、現(xiàn)代制造與光機(jī)電一體化、知識(shí)管理與技術(shù)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域特色鮮明，立足北京、面向全國(guó)，培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主，教學(xué)科研協(xié)調(diào)發(fā)展的高水平大學(xué)。也就是說培養(yǎng)的是應(yīng)用型人才，而不是研究型人才。而想要培養(yǎng)應(yīng)用型人才，就必須大大提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

首先，先分析我校的實(shí)驗(yàn)方法。大學(xué)開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，有相當(dāng)多的實(shí)驗(yàn)課采用實(shí)驗(yàn)箱。采用試驗(yàn)箱的優(yōu)點(diǎn)是便于管理，讓實(shí)驗(yàn)更加規(guī)范。但是帶來的后果是學(xué)生很難提高實(shí)際動(dòng)手能力。在學(xué)期實(shí)驗(yàn)中，我們改用面包版，通過一學(xué)期的實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)，用面包版學(xué)生可以按照設(shè)計(jì)電路進(jìn)行連接，如果電路沒有問題，實(shí)驗(yàn)就會(huì)很順利。如果輸出結(jié)果與預(yù)期的不同，同學(xué)就幾乎查找不出毛病所在，基本上依靠老師才能判定故障并調(diào)試成功。這一方面反映出學(xué)生理論的不扎實(shí)，對(duì)電路基本原理不熟悉。另一方面，也反應(yīng)出學(xué)生對(duì)一些基本的電路調(diào)試手段沒有掌握。幾乎所有的學(xué)生檢查電路僅僅是檢查電路連接是否有錯(cuò)誤，而不是利用示波器觀察關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的波形。

再分析我校的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。絕大部分是某單一功能模塊的實(shí)驗(yàn)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)相互獨(dú)立，缺少聯(lián)系，更缺少綜合性。這使得學(xué)生只見樹木不見森林，缺乏系統(tǒng)能力，缺少綜合能力。對(duì)于比較復(fù)雜的電路，就感到無所適從。此外對(duì)電路的性能指標(biāo)也很少關(guān)注，這對(duì)以后從事產(chǎn)品研發(fā)很不利。

學(xué)生動(dòng)手能力差，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，可以非常明顯地表現(xiàn)出來。通過觀察畢業(yè)論文，如果題目要求從事硬件電路的研發(fā)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)很少有人能夠全部完成硬件電路的技術(shù)指標(biāo)。在電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試中，一旦遇到問題，學(xué)生能夠獨(dú)立解決的人數(shù)很少，而是主要靠教師來指導(dǎo)。這說明學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手能力方面還很欠缺。

另一方面，現(xiàn)在學(xué)生應(yīng)聘的面試中，提問最多的是，你曾經(jīng)做過什么項(xiàng)目？因此，學(xué)生深深感受到自己動(dòng)手能力差，迫切希望能夠有機(jī)會(huì)參加一些項(xiàng)目，提高自己的動(dòng)手能力。正因?yàn)槿绱?，學(xué)生需要在這方面加強(qiáng)動(dòng)手能力的訓(xùn)練，特別是硬件電路的訓(xùn)練。

這種狀況，不但我們學(xué)校存在，其他兄弟院校也同樣不同程度存在此類問題。

三、實(shí)施措施

為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力，我們?cè)凇禝C芯片及應(yīng)用》課程中進(jìn)行改革。《IC芯片及應(yīng)用》是繼《模擬電路》、《通信電路》、《數(shù)字電路》、《單片機(jī)》之后的一門硬件電路的課程。采用集成電路模塊完成一種或多種功能模塊，也可以是微系統(tǒng)。模擬系統(tǒng)的內(nèi)容多于數(shù)字系統(tǒng)，因此學(xué)生普遍反應(yīng)課程難，學(xué)習(xí)興趣低。原來該門課程為48學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，講授40學(xué)時(shí)。為此，我們對(duì)本課程進(jìn)行如下改革：總學(xué)時(shí)不變，為48學(xué)時(shí)，但是，講授調(diào)整為28學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)20學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)比重大大提高。

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也進(jìn)行很大的改變。具體思路如下：（1）《IC芯片及應(yīng)用》實(shí)驗(yàn)以綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、和研究性為主；以微系統(tǒng)為主。例如信息采集系統(tǒng)，包括傳感器、放大模塊、AD、DA模塊，顯示模塊；電源系統(tǒng)，包括變壓，整流、濾波，穩(wěn)壓、功放、電源保護(hù)等；數(shù)字頻率合成；數(shù)字時(shí)鐘；含有自動(dòng)增益控制的放大模塊。（2）不同于基礎(chǔ)電子學(xué)實(shí)驗(yàn)，綜合性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的硬件環(huán)境一般都不是簡(jiǎn)單的儀器集成，而是需要自己動(dòng)手去選擇和設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)?zāi)K和微系統(tǒng)。學(xué)生自己設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試電路，拋棄試驗(yàn)箱的辦法。（3）閱讀原始英文IC模塊說明書。

第一個(gè)層次是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這部分內(nèi)容通常采用試驗(yàn)箱，并且在數(shù)電和模電中做得較多，因此在本課程《IC芯片及應(yīng)用》中，這部分內(nèi)容基本不再重做。第二層次是提高性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求，選定電路，并進(jìn)行調(diào)試。這部分內(nèi)容安排一定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，目的在于發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)基本技能的掌握中不足的地方，并指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)，為后面綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這部分學(xué)時(shí)占30%；第三個(gè)層次是綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。一個(gè)題目中將包含若干模塊，實(shí)現(xiàn)一種微系統(tǒng)的功能。教師提出題目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)，學(xué)生自己設(shè)計(jì)電路，選擇元器件參數(shù)值，安裝調(diào)試電路，實(shí)驗(yàn)在面包板上進(jìn)行。這樣做既體現(xiàn)了循序漸進(jìn)，又有利于能力的培養(yǎng)和因材施教。整個(gè)內(nèi)容覆蓋了模擬電路、數(shù)字電路、通信電路、單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)等內(nèi)容。這部分學(xué)時(shí)占50%；第四部分為研究性實(shí)驗(yàn)，注重實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新?？紤]到我校的實(shí)際情況，創(chuàng)新對(duì)學(xué)生有較大的困難，因此我們重點(diǎn)在于了解實(shí)際的工程問題。這部分學(xué)時(shí)占20%。endprint

對(duì)于研究性實(shí)驗(yàn)，以某個(gè)工程項(xiàng)目為對(duì)象，整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括若干模塊，例如主控制模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、輸人模塊、輸出模塊、顯示模塊等。這幾部分把常用的模電、數(shù)電，信號(hào)處理、射頻電路，以及單片機(jī)等知識(shí)點(diǎn)綜合起來。由于研究型實(shí)驗(yàn)難度較大，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，我們把研究型實(shí)驗(yàn)放在課程設(shè)計(jì)中進(jìn)行，用三周的時(shí)間完成。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是：溫度傳感器檢測(cè)出環(huán)境溫度，通過無線芯片，發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)把溫度顯示出來，單片機(jī)控制上位機(jī)和下位機(jī)通訊。目前采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，以后逐步發(fā)展，采用其他協(xié)議通信。

具體方法是：通過本課題，開發(fā)出驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)1個(gè)，由學(xué)生選做1個(gè)；提高性實(shí)驗(yàn)4個(gè)，由學(xué)生選做3個(gè)；綜合性實(shí)驗(yàn)4個(gè)，由學(xué)生選做3個(gè)；研究型實(shí)驗(yàn)2個(gè)，由學(xué)生選做1個(gè)。具體實(shí)驗(yàn)電路如下。

儀器用放大電路，要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，溫漂小。

遲滯電壓比較器，控制電路常用，給定窗口電壓，自己設(shè)計(jì)電路。

電壓頻率變換器，與射頻相結(jié)合，了解電路線性范圍，注意選型。

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，了解頻率穩(wěn)定性，電路后面接緩沖隔離放大器，了解負(fù)載的影響。

集成有源濾波器，了解系統(tǒng)的穩(wěn)定性，衰減特性，輸入輸出阻抗問題。

集成穩(wěn)壓電源，把變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓結(jié)合在一起，注意元器件的功耗。

電子門鈴，應(yīng)用性電路，注意電路發(fā)音的美學(xué)。

多功能彩燈，應(yīng)用性電路。

數(shù)字石英鐘，綜合性子系統(tǒng)，把振蕩、分頻，校正，譯碼，顯示等綜合在一起。

FM收音機(jī)，應(yīng)用性電路。

集成音頻放大器，應(yīng)用性電路。

溫度傳感器通信子系統(tǒng)。綜合性子系統(tǒng)。

四、結(jié)果與討論

通過本實(shí)驗(yàn)課程的改革，可以培養(yǎng)學(xué)生如下能力：（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。在綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以前，學(xué)生都是接觸單元電路的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路設(shè)計(jì)沒有系統(tǒng)的理解。本綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生從系統(tǒng)角度思考，設(shè)計(jì)總體方案并寫出實(shí)施過程及手段，目的是讓學(xué)生從理論課的學(xué)習(xí)思維模式中走出來，從提出分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)到測(cè)試并完成的全過程來認(rèn)識(shí)一個(gè)實(shí)際工程問題。（2）多角度思考問題能力。圍繞一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，通過運(yùn)用多種技術(shù)解決一個(gè)小型而完整的電子系統(tǒng)。為學(xué)生提供多方面的設(shè)計(jì)案例，開闊了學(xué)生的視野，豐富了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了學(xué)生多角度思考問題的能力。（3）解決實(shí)際問題能力。依照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的框架，學(xué)生既有可參考的原型，又能自主添加新功能和嘗試新方法，能增強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的信心和興趣。不同層次的學(xué)生都可以找到各自的切入點(diǎn)和深入的方向，其解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新意識(shí)無疑將得到鍛煉。

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