自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

陳宜建, 楊全會(huì), 張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 常州 213164)

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用

陳宜建, 楊全會(huì), 張素琴

(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 常州 213164)

實(shí)驗(yàn)室在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力與創(chuàng)新能力中發(fā)揮重要作用。自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)旨在服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，完善實(shí)驗(yàn)設(shè)備，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。結(jié)合高校教師自主研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在教學(xué)中的應(yīng)用，以及在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的作用，分析了開展自主研制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的必要性與重要意義。以 “智能小產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”為例，論述了自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備在提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教改，加強(qiáng)開放實(shí)驗(yàn)建設(shè)，提高教師科研水平等方面的應(yīng)用成效。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 教學(xué)改革； 創(chuàng)新能力； 科研水平； 開放性實(shí)驗(yàn)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展、信息技術(shù)興起，高新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，使得產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和崗位需求不斷調(diào)整變化，社會(huì)對(duì)應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力人才的需求在不斷增加[1]。以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力為宗旨的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了更高的要求[2-3]。

面對(duì)不同高校、不同專業(yè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)廠商很難按照客戶的需求，研發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的效益很難得到保障。有時(shí)企業(yè)開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由于技術(shù)較先進(jìn)，投資大，專用性強(qiáng)，價(jià)格較貴，而高校往往因資金不足，所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)常無法直接購買[4-6]。并且這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備在使用和功能上也不能完全滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，往往與教學(xué)內(nèi)容有些不一致。

解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備問題的有效辦法是高校教師自主研制。高校教師根據(jù)本校專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有很強(qiáng)的實(shí)用性、先進(jìn)性、低成本，易維護(hù)[7]。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備是教學(xué)改革的重要內(nèi)容。根據(jù)我校應(yīng)用電子技術(shù)人才培養(yǎng)方案和電子行業(yè)對(duì)人才需求，從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備存在的問題[8]，組織老師進(jìn)行深入調(diào)研論證，集思廣益，提出自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)路線。組織團(tuán)隊(duì)積極申報(bào)項(xiàng)目，協(xié)同攻關(guān)，解決了研發(fā)中遇到的技術(shù)難題,必要時(shí)與相關(guān)企業(yè)合作，進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)。以下是教學(xué)團(tuán)隊(duì)自主研制的一款“智能小產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”。

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)具有資源豐富、功能全面、運(yùn)行穩(wěn)定、成本低廉等特點(diǎn)，既能夠滿足教學(xué)、科研的需求，具有一定的前瞻性，能及時(shí)跟蹤熱點(diǎn)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)。STC89C52RC是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8Kbyte系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash[9]。軟件系統(tǒng)包括STC89C52RC驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)驗(yàn)程序、ISP下載編程軟件、集成開發(fā)環(huán)境 Keil uVision4以及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目文檔。自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)學(xué)生技能訓(xùn)練要求，自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適合做驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)[10]。硬件系統(tǒng)主要由電源電路、單片機(jī)電路、蜂鳴器電路、按鍵電路、LED指示電路、串口電路、LCD顯示電路、溫度傳感器電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路組成。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

根據(jù)硬件系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)電路原理圖，并轉(zhuǎn)換成PCB板圖。PCB板布局以就近原則，按模塊排布，每個(gè)元器件標(biāo)注清晰，元器件采用直插式，焊接在電路板正面，便于學(xué)生對(duì)資源分類學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

1.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)主要包括集成開發(fā)環(huán)境、ISP下載軟件和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目程序。項(xiàng)目程序分為驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫和應(yīng)用程序，能實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源控制。驅(qū)動(dòng)函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器、按鍵、LED燈、LCD顯示屏、溫度傳感器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。每個(gè)應(yīng)用程序都有詳細(xì)完整的說明文檔，主要包括程序設(shè)計(jì)流程圖，典型子程序說明，程序代碼，功能測試過程和分析等。

2 應(yīng)用案例

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備可用作電子類多門課程的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。比如：單片機(jī)原理與應(yīng)用，電子產(chǎn)品制作工藝與實(shí)訓(xùn)，智能電子系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，接口技術(shù)，電子制作與工藝等。利用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)學(xué)生自身特點(diǎn)采用不同層次進(jìn)行[11]。圖4、5給出了自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在部分不同課程中所開展的實(shí)驗(yàn)。

(1) 層次1為基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。理論知識(shí)的基本應(yīng)用，一般是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，按照實(shí)驗(yàn)步驟就可完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生基本不需要自由發(fā)揮。

(2) 層次2為拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。要求學(xué)生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上，完成一個(gè)有明確目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不再明確規(guī)定具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，學(xué)生有一定的自由性，可進(jìn)行項(xiàng)目創(chuàng)新和發(fā)揮。

圖4 單片機(jī)原理與應(yīng)用課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖

圖5 電子產(chǎn)品制作工藝課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)圖

(3) 層次3為探索實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不明確的，有指導(dǎo)思想，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更多與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可找到新的解決現(xiàn)實(shí)問題的方法和途徑，或發(fā)現(xiàn)某種規(guī)律性； 主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過分層次實(shí)驗(yàn)，不僅掌握了基本知識(shí)，還可以接觸先進(jìn)技術(shù)。從理論驗(yàn)證到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的編程練習(xí)，探索性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)等，使學(xué)生有很大收獲。現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在“單片機(jī)原理與應(yīng)用”課程中的運(yùn)用為實(shí)例進(jìn)行說明。

傳統(tǒng)的單片機(jī)原理與應(yīng)用課程教學(xué)體系和方法是先原理后實(shí)驗(yàn)，其授課順序多數(shù)為單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)、尋址方式與指令系統(tǒng)、匯編語言、系統(tǒng)構(gòu)成、外圍接口芯片原理與應(yīng)用、綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)等[12]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)多數(shù)在匯編語言程序設(shè)計(jì)之后開始，軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)教學(xué)很難融合。這將導(dǎo)致學(xué)生，該課程入門困難，對(duì)所學(xué)理論知識(shí)也不知有何用途和怎樣用，從而感到課程學(xué)習(xí)非?？菰锖头ξ?，失去學(xué)習(xí)興趣和熱情[13]。

要解決以上問題，應(yīng)在理論講解的過程中，不斷融入實(shí)踐環(huán)節(jié)。教學(xué)過程中，充分運(yùn)用自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先演示“小小氣溫測試儀”，學(xué)生對(duì)于這種直觀的教學(xué)方式很容易接受。將課程分成5個(gè)學(xué)習(xí)單元，每個(gè)單元又分為若干項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都包含軟件和硬件。學(xué)生先進(jìn)行模仿，做層次1的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；隨著能力的增加，然后做層次2的項(xiàng)目。對(duì)于學(xué)有余力的同學(xué)，還可以進(jìn)行層次3中實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備體積小，便攜，使用方便，學(xué)生只需在個(gè)人電腦上安裝相應(yīng)集成開發(fā)環(huán)境keil和ISP下載工具軟件即可。學(xué)生可以把實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶到宿舍，利用課余時(shí)間進(jìn)行開放實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新研究。

3 應(yīng)用成效

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分與教學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，在實(shí)踐教學(xué)過程中得到很好應(yīng)用，對(duì)高校專業(yè)建設(shè)，教學(xué)改革發(fā)揮了很大作用。節(jié)約經(jīng)費(fèi)，提高了教師科研水平，為學(xué)生提供了開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，取得了良好效果。

(1) 增加了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完善實(shí)驗(yàn)室建設(shè)。自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投資少，加工制作方便，有利于擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，改善實(shí)驗(yàn)條件。因?qū)嶒?yàn)設(shè)備由學(xué)校老師自行研制，設(shè)備的維修方便，改進(jìn)快捷，能有效跟上技術(shù)發(fā)展；設(shè)備的操作使用熟練，提高了實(shí)驗(yàn)室利用率。

(2) 豐富了實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了實(shí)踐教學(xué)改革，提高了教學(xué)質(zhì)量。自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與教學(xué)內(nèi)容結(jié)合緊密，針對(duì)性強(qiáng)，能突顯本校專業(yè)特色，實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能齊全, 能滿足不同層次學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需要[14]。同時(shí)也改變了實(shí)踐教學(xué)模式，增加了實(shí)踐環(huán)節(jié)和過程，有效提高了學(xué)生實(shí)踐技能。

(3) 鍛煉了教師隊(duì)伍，提高專業(yè)教師科研水平。 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在研制過程中，教師積極參與，通過查閱大量文獻(xiàn)資料、到企業(yè)和高校調(diào)研，制定了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)方案。制作與調(diào)試過程要應(yīng)用理論知識(shí)，同時(shí)也要工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備生產(chǎn)過程中，教師要參與指導(dǎo)和監(jiān)督和團(tuán)結(jié)協(xié)作, 不僅專業(yè)水平和創(chuàng)新能力得到提高，獲得了國家專利，也加強(qiáng)了科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)。

(4) 提供開放實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用提供了開放式實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的有效途徑，學(xué)習(xí)熱情和興趣得到很大提高,學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)也得到培養(yǎng)。實(shí)踐操作能力得到鍛煉，專業(yè)技能得到提高。多年來，我系學(xué)生利用自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)，開展江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目研究，參加各類大學(xué)生電子競賽，并多次獲獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語

高校教師自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要舉措，是根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)來解決實(shí)踐教學(xué)之需。自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是對(duì)教學(xué)設(shè)備的有效補(bǔ)充，成本低，使用和維護(hù)方便，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率，針對(duì)性強(qiáng)，不但滿足了學(xué)生專業(yè)課的實(shí)驗(yàn)要求, 而且為學(xué)生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、自選實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才奠定基礎(chǔ)。自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備不但引進(jìn)了新的技術(shù)，還有利于完善實(shí)訓(xùn)室建設(shè)。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制過程中，教師積極解決了工程中所存在的一些實(shí)際問題，專業(yè)能力既得到鍛煉，又提高了科研水平。

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Application of the Self-Made Experimental Platform

CHENYijian，YANGQuanhui,ZHANGSuqin

(Department of Electronical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

Laboratory plays an important role in cultivating students’ practical ability and innovation ability. The self-made experiment teaching platform aims at serving the experimental teaching, improving the experimental equipment and strengthening the construction of the laboratory. Based on the application of the experimental platform in teaching, and the function of the laboratory construction, the necessity and significance of developing the self-developed experimental equipment are analyzed. With an example of the self-made training equipment of “intelligent product training platform”, this paper discusses the application effect of self-made experimental equipment in improving teaching quality, promoting teaching reform, strengthening the construction of open experiment, and improving the level of scientific research of teachers.

experimental platform; reform in education； innovation ability; scientific research level; open experiment

2016-05-28

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目(PPZY2015C237)；2015年江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201512317019X)；高等職業(yè)學(xué)校提升專業(yè)服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力項(xiàng)目(1-1-2012-2)

陳宜建(1979-),男,安徽阜陽人，碩士,高級(jí)工程師，主要研究方向: 信號(hào)處理，嵌入式系統(tǒng)。

Tel.：15961239880； E-mail: cyjscama@163.com

G 484

A

1006-7167(2017)02-0276-03