國際班電子電路學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐

劉蘊(yùn)紅+王林+陳希有

摘要：國際班電子電路學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)的主要內(nèi)容為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、EDA仿真實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新及開放性實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)教材以及實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)建設(shè)等五個(gè)方面。旨在鞏固和加深學(xué)生對(duì)電工電子學(xué)的基本知識(shí)的理解，通過循序漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)層次設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，加強(qiáng)了學(xué)生獨(dú)立分析、綜合設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新應(yīng)用的能力。實(shí)驗(yàn)教材注重加強(qiáng)實(shí)踐、培養(yǎng)興趣和積極創(chuàng)新的理念，還增加了新器件和EDA仿真軟件的使用方法介紹。在學(xué)中用、在用中學(xué)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的語言的綜合運(yùn)用能力。

關(guān)鍵詞：電子電路學(xué);實(shí)驗(yàn)建設(shè);教材建設(shè)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）22-0231-02

在國際班電子電路學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐過程中，根據(jù)國外原版教材的特點(diǎn)并結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，建設(shè)了6個(gè)小時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、12個(gè)小時(shí)的EDA實(shí)驗(yàn)、6個(gè)小時(shí)的創(chuàng)新開放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)驗(yàn)證型、思維訓(xùn)練型、研究型、設(shè)計(jì)型等四個(gè)層次。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入最先進(jìn)的電子器件的應(yīng)用、各類電路的設(shè)計(jì)方法和最新電路設(shè)計(jì)手段，開闊同學(xué)們的視野，強(qiáng)化同學(xué)們的工程概念，并給出多種設(shè)計(jì)制作的題目供同學(xué)們練習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生用不同的方案實(shí)現(xiàn)，鍛煉學(xué)生的思維的廣闊性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。借鑒國外優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)教材，編寫全英文的實(shí)驗(yàn)教材。在建設(shè)實(shí)驗(yàn)教材的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)的建設(shè)，通過實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析等錄像資源為學(xué)生的全英文學(xué)習(xí)和實(shí)踐提供了難得的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

一、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)建設(shè)

根據(jù)國外教材的特點(diǎn)和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)6學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理、使用方法、實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)操作方法。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括儀器使用、電路、電子部分實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容應(yīng)該對(duì)教材的內(nèi)容加以整合，將電子和電路實(shí)驗(yàn)融為一體，將電阻器件和網(wǎng)絡(luò)、電路分析方法、動(dòng)態(tài)電路、一階和二階電路的動(dòng)態(tài)分析、集成運(yùn)算放大器、直流電源以及模擬和數(shù)字電路及其應(yīng)用等方面的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行整合，設(shè)計(jì)出6個(gè)學(xué)時(shí)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)類型分為驗(yàn)證性。建設(shè)的關(guān)鍵要考慮，第一層次基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生對(duì)理論的知識(shí)還處于被動(dòng)接收階段，通過設(shè)計(jì)思考題，讓學(xué)生進(jìn)行思考和實(shí)踐，從而掌握知識(shí)的內(nèi)涵。

二、EDA實(shí)驗(yàn)建設(shè)

根據(jù)課程教材的需要減少了部分驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，被刪減的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過EDA實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，此外，實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法覆蓋全部?jī)?nèi)容，而EDA實(shí)驗(yàn)耗時(shí)少，簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，可以覆蓋更多的內(nèi)容，仿真及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要介紹虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法，幫助學(xué)生更好地理解課堂教學(xué)內(nèi)容，仿真軟件采用Multisim、LabVIEW、Elvis，引進(jìn)EDA技術(shù)三步措施是：課堂講一部分EDA基礎(chǔ)知識(shí)，之后學(xué)生上機(jī)做EDA仿真實(shí)驗(yàn)，首先是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，然后是思維訓(xùn)練型實(shí)驗(yàn)，最后安排EDA研究和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

EDA實(shí)驗(yàn)建設(shè)分以下四個(gè)層次：

1.基礎(chǔ)驗(yàn)證型?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)中被刪減的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，例如實(shí)物實(shí)驗(yàn)無法覆蓋的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以利用EDA實(shí)驗(yàn)完成，因?yàn)镋DA實(shí)驗(yàn)耗時(shí)少。在模擬電路部分，由于課程學(xué)時(shí)的限制，減少的分立元件的內(nèi)容，可以利用仿真實(shí)驗(yàn)的方法來強(qiáng)化學(xué)生靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析的概念。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容有：（1）直流電路實(shí)驗(yàn)（具體的實(shí)驗(yàn)還包括基爾霍夫定律、疊加原理、戴維寧定理等實(shí)驗(yàn)）;（2）一階電路瞬態(tài)響應(yīng);（3）交流電路;（4）放大電路;（5）運(yùn)算放大器;（6）脈沖波型的產(chǎn)生與變換;（7）組合邏輯電路實(shí)驗(yàn);（8）時(shí)序邏輯電路實(shí)驗(yàn)。

2.思維訓(xùn)練型。思維訓(xùn)練型實(shí)驗(yàn)的目的是逐漸培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維過程。故障排除是電子電路課程教育的重要部分之一，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行故障排除和解決黑盒問題的技巧，進(jìn)而提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。注意問題的設(shè)計(jì)要循序漸進(jìn)，由淺入深。故障排除問題主要是使用EDA創(chuàng)建電路，使它包含您自己定義的錯(cuò)誤或是在程序中提供的錯(cuò)誤。可以通過設(shè)置密碼防止學(xué)生直接訪問它們。通過創(chuàng)建并鎖定子電路也可以隱藏錯(cuò)誤。您可以使用說明框指導(dǎo)學(xué)生隔離錯(cuò)誤。這樣學(xué)生就可以使用提供的元器件和電源修正錯(cuò)誤。黑盒問題要求學(xué)生們選擇并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整測(cè)試儀器、解釋讀數(shù)、應(yīng)用基本理論，最重要的是進(jìn)行各種思考和問題解決?？梢酝ㄟ^創(chuàng)建與鎖定子電路制作出新的問題。原始文件設(shè)置教師密碼保護(hù)，學(xué)生可以將原始文件下載、解答問題，將他們的解答寫入說明框中，再反饋給教師。教師的工作主要是編制開放性的原始文件、設(shè)計(jì)故障電路以及設(shè)計(jì)黑盒問題。

3.研究型實(shí)驗(yàn)。所謂研究型實(shí)驗(yàn)是指教師指定選題，讓學(xué)生經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)，從數(shù)據(jù)分析或者現(xiàn)象中引出結(jié)論。研究型實(shí)驗(yàn)所針對(duì)的實(shí)驗(yàn)類型：第一，由于受實(shí)驗(yàn)儀器的限制，無法對(duì)組合邏輯電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要是邏輯門的傳輸延遲時(shí)間極短，現(xiàn)有的示波器很難觀測(cè)暫短出現(xiàn)的冒險(xiǎn)信號(hào);第二，解決了觸發(fā)器的工作波形無法用電子實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行分析驗(yàn)證的問題。第三，主要研究新器件的特性、元件的建模與分析過程。研究型實(shí)驗(yàn)的主要選題有：（1）組合邏輯電路競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)仿真分析;（2）時(shí)序邏輯電路中RS觸發(fā)器仿真分析;（3）變?nèi)荻O管特性分析與仿真;（4）熱敏電阻模型建立及仿真應(yīng)用;（5）功率因數(shù)提高研究;（6）憶阻器。

4.EDA設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)。EDA設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)也可以稱之為小設(shè)計(jì)，是通過選擇一個(gè)具體應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓學(xué)生掌握電路的設(shè)計(jì)方法，提高對(duì)所學(xué)電路理論的應(yīng)用能力，從而培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。設(shè)計(jì)課題的注意事項(xiàng)：（1）要明確目的，最好是包含某個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)，而這個(gè)知識(shí)點(diǎn)是比較抽象或者比較難理解的;（2）課題的設(shè)計(jì)要有利于學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性思維，舉一反三，靈活運(yùn)用理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);（3）教師要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，這部分通常被忽略。

設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容有如下：（1）雙向流動(dòng)彩燈控制器的設(shè)計(jì);（2）電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與仿真;（3）八音階電子琴的設(shè)計(jì)與仿真;（4）智能搶答器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn);（5）四人表決電路設(shè)計(jì);（6）光控路燈自控電路或簡(jiǎn)易調(diào)光燈電路。學(xué)生可以在這些設(shè)計(jì)項(xiàng)目中選擇一個(gè)自己感興趣的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以經(jīng)教師同意進(jìn)行自選題目設(shè)計(jì)。endprint

三、遠(yuǎn)程及創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)建設(shè)

從2011年開始，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于ELVIS的可切換的遠(yuǎn)程系統(tǒng)平臺(tái)。該平臺(tái)將相關(guān)的信號(hào)通過模擬開關(guān)技術(shù)擴(kuò)展成六路信號(hào)，并通過串口與PC機(jī)通信控制六塊實(shí)驗(yàn)板之間的切換。上位機(jī)通過LabVIEW編程制作便于人機(jī)交互的圖形操作界面，該系統(tǒng)成功地拓展了實(shí)驗(yàn)資源，具有視頻反饋，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的操作和監(jiān)控。目前，需要在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，以滿足國際班電子電路學(xué)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的要求。根據(jù)國外的教材的內(nèi)容，需要在系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)有8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)：（1）半導(dǎo)體器件實(shí)驗(yàn);（2）儀器使用實(shí)驗(yàn)（示波器和信號(hào)發(fā)生器）;（3）基本運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn);（4）放大器綜合應(yīng)用實(shí)驗(yàn);（5）555電路實(shí)驗(yàn);（6）瞬態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn);（7）交流電路實(shí)驗(yàn);（8）電源實(shí)驗(yàn)。此外還需要開發(fā)的是課堂及課后的演示實(shí)驗(yàn)。創(chuàng)新開放性實(shí)驗(yàn)為綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。針對(duì)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，介紹電路的設(shè)計(jì)方法、基本電路單元的運(yùn)用、系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)試以及電路的整體調(diào)試等。擬開設(shè)的開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有電源設(shè)計(jì)、搶答器、節(jié)日彩燈、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子鳥電路、雙密碼電鎖電路、簡(jiǎn)單的電子報(bào)警器電路、觸摸開關(guān)電路等。學(xué)生可以在其中選擇一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。教師可以為同學(xué)們介紹當(dāng)今最先進(jìn)的電子器件的應(yīng)用、各類電路的設(shè)計(jì)方法和最新電路設(shè)計(jì)手段，開闊同學(xué)們的視野，強(qiáng)化同學(xué)們的工程概念，并給出多種設(shè)計(jì)制作的題目供同學(xué)們練習(xí)。在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的啟發(fā)下，我們主張?jiān)趯?shí)驗(yàn)的實(shí)際設(shè)計(jì)制作環(huán)節(jié)中，可以仿照競(jìng)賽的要求將同學(xué)分組，共同完成實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試，并寫出詳細(xì)總結(jié)報(bào)告。在制作電路的訓(xùn)練過程中，鼓勵(lì)學(xué)生用不同的方案實(shí)現(xiàn)，鍛煉學(xué)生的思維的廣闊性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

四、實(shí)驗(yàn)教材建設(shè)

進(jìn)一步研究分析相關(guān)的國外優(yōu)秀教材，編寫全英文的實(shí)驗(yàn)教材。教材的特點(diǎn)應(yīng)突出注重動(dòng)手、加強(qiáng)實(shí)踐、培養(yǎng)興趣和積極創(chuàng)新的理念，教材還應(yīng)該增加新器件和EDA仿真軟件的使用方法介紹。實(shí)驗(yàn)類型分為驗(yàn)證性、綜合性和設(shè)計(jì)性等三個(gè)層次。在教學(xué)內(nèi)容上，電子與電路學(xué)實(shí)驗(yàn)將電子和電路實(shí)驗(yàn)融為一體，內(nèi)容按三個(gè)層次編寫：（1）基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，包括儀器使用、電路、電子部分實(shí)驗(yàn);（2）仿真及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，介紹EDA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，仿真軟件采用Multisim、LabVIEW、Elvis等;（3）綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，針對(duì)具體的設(shè)計(jì)任務(wù)，介紹電路的設(shè)計(jì)方法、基本電路單元的運(yùn)用、系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)試、電路的整體調(diào)試等。

五、實(shí)驗(yàn)課程資源平臺(tái)建設(shè)

實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)建設(shè)包括：（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)文件資源，包括：實(shí)驗(yàn)大綱、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、和實(shí)驗(yàn)要求等;（2）錄像資源，包括：英文實(shí)驗(yàn)操作錄像、EDA實(shí)驗(yàn)操作講解、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)步驟、遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析等錄像資源;（3）在線實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢測(cè)，引入MIT自行編制的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件以及在線練習(xí)，學(xué)生在課前和課后可以隨時(shí)通過遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)強(qiáng)化概念。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)的過程中，通過動(dòng)手操作，很容易就掌握了相關(guān)的專業(yè)詞匯，不自覺地突破了語言的障礙，實(shí)驗(yàn)資源貫穿于授課的全過程，為學(xué)生的全英文學(xué)習(xí)和實(shí)踐提供了難得的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在學(xué)中用、在用中學(xué)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的語言的綜合運(yùn)用能力。

通過電子電路學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生掌握電工電子技術(shù)方面的實(shí)驗(yàn)方法，獲得電氣工程技術(shù)方面的基本實(shí)驗(yàn)技能，了解電工電子技術(shù)的發(fā)展及其在各方面的應(yīng)用。而且為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及從事相關(guān)的工程技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。同時(shí)拓寬學(xué)生的學(xué)術(shù)視野和國際視野，培養(yǎng)具有獨(dú)立分析、綜合設(shè)計(jì)以及創(chuàng)新應(yīng)用能力的國際化人才。endprint