電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

張躍勤， 龍 英， 楊 軍， 王新輝

(長(zhǎng)沙學(xué)院 電子信息與電氣工程系， 湖南 長(zhǎng)沙 410003)

電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與實(shí)踐

張躍勤， 龍 英， 楊 軍， 王新輝

(長(zhǎng)沙學(xué)院 電子信息與電氣工程系， 湖南 長(zhǎng)沙 410003)

本文總結(jié)開展電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的經(jīng)驗(yàn)，提出了解決教學(xué)實(shí)踐中遇到關(guān)鍵問題的途徑，以555集成電路構(gòu)成的電容物位測(cè)量電路為例，介紹如何將教師科研成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化、簡(jiǎn)化、修改，從而開發(fā)出符合當(dāng)前教學(xué)需求的綜合設(shè)計(jì)性課題。

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)

0 引言

電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高有極大的促進(jìn)作用，對(duì)于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性,增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本知識(shí)、基本方法與基本實(shí)驗(yàn)技能的靈活運(yùn)用能力,培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力和激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)具有重要的意義和作用[1-2]。同時(shí)，它也對(duì)實(shí)驗(yàn)大綱與實(shí)驗(yàn)教材的編寫、實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員水平、管理運(yùn)行機(jī)制創(chuàng)新等方面均提出了更高的要求。

1 進(jìn)行試點(diǎn)，查找問題，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

作為省級(jí)基礎(chǔ)課教學(xué)示范中心與省級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，自2014年以來，我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心就以申報(bào)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心為契機(jī)，進(jìn)一步增加實(shí)驗(yàn)總學(xué)時(shí)，特別是對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)作用和地位的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步提高，大幅度增加了學(xué)生自主選題綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比重，全面推進(jìn)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革。

中心精心制訂了《綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案》。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)開設(shè)獨(dú)立的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程，一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一般規(guī)定為8學(xué)時(shí)，其中計(jì)劃內(nèi)占3學(xué)時(shí)，計(jì)劃外為5學(xué)時(shí)，計(jì)劃外學(xué)時(shí)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間段內(nèi)完成，計(jì)劃外學(xué)時(shí)教師的工作量學(xué)校根據(jù)政策予以課時(shí)補(bǔ)貼。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程先在部分班級(jí)進(jìn)行試點(diǎn)，試點(diǎn)工作分四個(gè)階段(即選題階段、制訂實(shí)驗(yàn)方案階段、實(shí)驗(yàn)的實(shí)施階段和總結(jié)報(bào)告階段)依序開展。試點(diǎn)工作開展得很順利，實(shí)驗(yàn)中教師和學(xué)生積極性非常高，取得了較好的教學(xué)效果。

通過試點(diǎn)，解決了教學(xué)中遇到的一些深層次問題，對(duì)中心在構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系、調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、編寫系列實(shí)驗(yàn)教材、設(shè)備優(yōu)化配置、開放式教學(xué)模式的實(shí)施、教學(xué)考核考評(píng)的完善、多媒體及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用等方面的工作產(chǎn)生很好的推動(dòng)作用，為全面實(shí)施綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，積累了十分寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在教學(xué)中也暴露出一些關(guān)鍵性問題，如：課題面選擇過小，缺少合適的課題，學(xué)生難以有更大的發(fā)揮空間等。

2 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)具有研究性、整合性、開放性及可擴(kuò)展性等特征，因而在內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)盡量兼顧各相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)的覆蓋與拓展、難易程度的把握以及進(jìn)度上注重循序漸進(jìn)，力求做到理論聯(lián)系實(shí)際。由于那些與專業(yè)科研方向相結(jié)合、工程應(yīng)用背景深厚的選題和實(shí)例，能大大增加學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣與喜好，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力。因此加強(qiáng)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)是全面推進(jìn)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的關(guān)鍵問題之一[3]。此外，精心制定好動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃以及注重規(guī)范設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，提高設(shè)備、場(chǎng)地和人才資源的共享程度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容創(chuàng)新與體制創(chuàng)新同步，也是保證綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)能順利實(shí)施的關(guān)鍵。

針對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)問題，中心通過多種途徑，同時(shí)考慮不同專業(yè)學(xué)生的不同培養(yǎng)目標(biāo)，精心開發(fā)出多個(gè)思路新穎、目標(biāo)明確、研究方案及技術(shù)路線可行、實(shí)施條件可靠的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不斷豐富設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程資源庫(kù)，以此來解決目前可選設(shè)計(jì)題目少且更新緩慢的難題。我們的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來源主要通過以下幾種途徑獲?。?/p>

(1)結(jié)合后續(xù)課程教學(xué)需求，對(duì)現(xiàn)有課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，從而開發(fā)出符合當(dāng)前教學(xué)要求的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(2)由學(xué)?！按髮W(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”、“大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃”引伸出值得進(jìn)一步深入研究的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(3)教師承擔(dān)大量科研項(xiàng)目，將其中一些優(yōu)秀科研成果進(jìn)行簡(jiǎn)化、修改并轉(zhuǎn)化成本科生綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

(4)科研論文通常是對(duì)本專業(yè)最新前沿的介紹、論述與總結(jié)，充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源與條件，選擇其中合適的內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)改進(jìn)，作為學(xué)生獨(dú)立開展設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[4-5]。

(5)教師與學(xué)生提出自己感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

通過以上途徑選備或開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目必須經(jīng)過中心課題組審查以及完成示范作品的制作方能被選入資源庫(kù)。要求課題在實(shí)施過程中，能虛實(shí)結(jié)合，最好有可參考的原型。學(xué)生在原型的基礎(chǔ)上，自主添加新功能和嘗試新方法，找到各自的切入點(diǎn)和深入方向，以保證實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的合理性和可行性[6-8]。

3 綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)案例

下面以“555集成電路構(gòu)成的電容物位測(cè)量電路”為例，介紹如何將教師科研成果進(jìn)行簡(jiǎn)化和修改，開發(fā)出適合本科生的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的案例[9]。

3.1 設(shè)計(jì)方案

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要對(duì)物料的多少進(jìn)行測(cè)量與控制，如水處理、食品、石化、造紙等行業(yè)的清水、污水、泥漿、石油等介質(zhì)的物位測(cè)量。

用電容測(cè)量物位是一種常用的測(cè)量方法，即將測(cè)量物位的電容量的變化轉(zhuǎn)換為脈沖波形的變化。如圖1所示，當(dāng)物位由H1升高到H2時(shí)，電路輸出的脈沖波形就會(huì)產(chǎn)生變化。當(dāng)物位升高后，輸出脈沖的脈寬增大了，頻率降低了。通過對(duì)脈沖波形進(jìn)行脈寬測(cè)量，從而可計(jì)算出物位的高低。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，系統(tǒng)由NE555構(gòu)成的物位探頭電路、脈寬測(cè)量電路及顯示電路組成。

3.2 NE555構(gòu)成的物位探頭電路

在工程測(cè)量中，物位測(cè)量探頭電容的一個(gè)極為金屬電極，另一極是同軸金屬管，也可以是金屬罐壁，罐中的物質(zhì)作為電介質(zhì)。在空罐狀態(tài)下電容量最小，因?yàn)榭諝饨殡姵?shù)為1，而大多數(shù)物質(zhì)的介電常數(shù)都比空氣大。隨著罐中物質(zhì)增多，物位上升，電容量也隨著物位呈線性地增大。

NE555構(gòu)成的物位探頭電路如圖3所示，555內(nèi)部的時(shí)基電路與物位測(cè)量電容CX及外接的電阻R1、R2構(gòu)成多諧振蕩器，當(dāng)CX的電容量隨著物位變化時(shí)，555電路輸出波形的脈沖寬度也會(huì)發(fā)生變化。另555為雙極型電路，外部配以少量的元件即可獲得較高精度的振蕩頻率和具有較強(qiáng)的功率輸出能力，輸出電流可達(dá)到20 mA，脈沖寬度和工作頻率的可調(diào)范圍大，脈沖占空比范圍為0.01%-99.9%。

圖1 物位升高時(shí)電路輸出波形

圖2 系統(tǒng)組成框圖

圖3 物位探頭電路

其輸出波形的脈沖寬度可按下式計(jì)算：

t=0.7(R1+R2)CX

(1)

由式(1)可知，在電路中只要選擇好電阻R1、R2的阻值，就可以得到適合測(cè)量所需的脈寬。一般R1與R2均應(yīng)大于或等于1 KΩ ，但R1+R2應(yīng)小于或等于3.3 MΩ。

3.3 脈沖波形測(cè)量

1)測(cè)量原理與測(cè)量方案

應(yīng)用通用計(jì)數(shù)器及基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖測(cè)量脈沖寬度的原理如圖4所示。被測(cè)脈沖作為測(cè)量的控制信號(hào)，被測(cè)脈沖上升沿控制與門開通，計(jì)數(shù)器對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖開始進(jìn)行計(jì)數(shù)；而被測(cè)脈沖下降沿控制與門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。因而被測(cè)脈沖寬度t由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值M和基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖周期T0確定。即：

t=M×T0

(2)

圖4 脈寬測(cè)量原理圖

一般通用計(jì)數(shù)器不能對(duì)脈沖序列中的脈沖進(jìn)行連續(xù)采樣，而只能單次分散采樣，因而工程中常需測(cè)量這種隨機(jī)脈沖序列N個(gè)連續(xù)脈沖的平均寬度[10]。若N個(gè)連續(xù)脈沖的寬度分別為t1,t2,t3,…,tn,則其平均寬度可用下式表示：

t=(t1+t2+t3+…+tn)/N

(3)

脈寬測(cè)量可用時(shí)序邏輯電路組成的測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)，一般由信號(hào)脈沖輸入控制、計(jì)時(shí)及顯示、基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生等單元電路組成，但由于各單元電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，整體電路的可靠性和穩(wěn)定性不高。建議利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)算器資源，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度的測(cè)量及數(shù)據(jù)處理，并利用液晶顯示結(jié)果，整體硬件電路簡(jiǎn)單，還可充分利用單片機(jī)通信優(yōu)勢(shì)，通過串行口很方便地與其它儀表或控制系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳，具有很好的實(shí)用性。

2)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖波形的測(cè)量

(1)硬件電路：AT89C51單片機(jī)內(nèi)有4 k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口。內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用6 MHz的晶振頻率。由于AT89C51的系統(tǒng)性能滿足時(shí)間精度的要求，故采用其作為測(cè)量電路控制核心。

圖5 測(cè)量電路

元中。若測(cè)N個(gè)連續(xù)脈沖的平均寬度，則實(shí)際測(cè)N+2個(gè)連續(xù)脈沖寬度值，去除最大值和最小值，然后求平均值。主程序從RAM中讀到的脈沖寬度測(cè)量數(shù)值，經(jīng)去擾運(yùn)算后查找預(yù)存的對(duì)照表，取得物位的大小，送顯示電路[12]。軟件流程圖如圖6所示：

圖6 軟件流程圖

3.4 實(shí)驗(yàn)效果及分析

將此電路用于某設(shè)備的水位測(cè)試，調(diào)整好物位探頭傳感器電路參數(shù)，其工作狀態(tài)為：0水位時(shí)，測(cè)得脈沖寬度為t0≈6 μs；滿水位時(shí)，測(cè)得脈沖寬度為t≈446 μs，單片機(jī)晶振頻率為6 MHz。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明測(cè)量精度達(dá)到0.5%，取得比較滿意的測(cè)試效果。

由于測(cè)量精度與被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)、電容CX

結(jié)構(gòu)尺寸、晶振頻率以及電路中的R1、R2等參數(shù)密切相關(guān)，因而在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)對(duì)以上因素綜合考慮，細(xì)心調(diào)整，選取合適的電路參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

我院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開展的實(shí)踐證明，綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)的有效途徑。要從根本上實(shí)現(xiàn)教學(xué)從基本知識(shí)和基本能力向設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力轉(zhuǎn)變，需要開設(shè)更多與專業(yè)科研方向相結(jié)合、應(yīng)用性較強(qiáng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。隨著教學(xué)改革的深入，不斷給學(xué)生開發(fā)出難度適中且內(nèi)容新穎的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程資源庫(kù)，已成為當(dāng)務(wù)之急。

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Research and Practice of Comprehensive Design Experiment Teaching of Electronic Technology

ZHANG Yue-qin, LONG Ying, YANG Jun , WANG Xin-hui

(DepartmentofElectronicsandCommunicationEngineering,ChangshaUniversity,Changsha410003,China)

In this paper, the experience of developing electronic technology comprehensive design experiment teaching reform has been summarized and the approach to solve the key problems in teaching practice has also been put forward. Then, based on the example of capacitance measurement circuit on the basis of 555 integrated circuit, the ways of transformation, simplification and modification of the teachers research achievements has been demonstrated, so as to help develop a comprehensive design project in accord with the current teaching needs.

comprehensive design experiment; experiment teaching; experimental project development

2016-02-04;

2016-04-27

湖南省普通高校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(20150521)；長(zhǎng)沙學(xué)院教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2012Z001)。

張躍勤(1965-)，男，本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)及智能化儀器研究，E-mail: zchzyq@sina.com

G642.423

A

1008-0686(2017)01-0135-04