電子工程類生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革與探索

孫瓔竑，趙 燕，孔慶生，王 勇

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 楊浦區(qū) 200433)

生產(chǎn)實(shí)習(xí)是高等院校電子工程類專業(yè)的重要專業(yè)課程，是不可缺少的教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)[1－2]。傳統(tǒng)的生產(chǎn)實(shí)習(xí)，通常是與企業(yè)進(jìn)行合作，到企業(yè)中參加生產(chǎn)的實(shí)訓(xùn)操作。隨著學(xué)生數(shù)量的增加，很難找到有條件的企業(yè)，對大批量學(xué)生的短時(shí)間生產(chǎn)實(shí)踐提供有針對性的實(shí)習(xí)崗位。很多高校逐步演變成帶學(xué)生到企業(yè)參觀，這使得學(xué)生只是簡單地了解一下企業(yè)概況或生產(chǎn)流程，無法真正理解并體驗(yàn)生產(chǎn)整體的操作規(guī)程[3]。為解決這類問題，部分工科院?；?qū)I(yè)建立了生產(chǎn)實(shí)習(xí)基地或?qū)嵙?xí)中心，并取得了一定成效[4－6]。

復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系的生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程，根據(jù)復(fù)旦大學(xué)建設(shè)國際一流本科教育的發(fā)展目標(biāo)，結(jié)合了本學(xué)科的特點(diǎn)，以及專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)與要求，逐步形成了具有自己特色的生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程體系。

1 生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程體系的構(gòu)建理念

復(fù)旦大學(xué)電子工程系生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程是培養(yǎng)方案中的必修課程。旨在在已修的課程基礎(chǔ)上，拓展專業(yè)的基本技能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力與素質(zhì)。為后續(xù)的課程與課題研究打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生能夠較為深入地了解電子產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。在理解電子產(chǎn)品的工作原理基礎(chǔ)上，學(xué)生能夠掌握產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配、組裝、調(diào)試等過程中的方法與技能，更深刻地掌握已學(xué)過的專業(yè)知識(shí)。生產(chǎn)實(shí)習(xí)能夠有效地訓(xùn)練學(xué)生分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才奠定基礎(chǔ)。

剖析生產(chǎn)實(shí)習(xí)的目標(biāo)與構(gòu)成，它主要分為印刷電路板設(shè)計(jì)和電路板焊接兩大模塊。課程將軟件與硬件相結(jié)合，將設(shè)計(jì)與實(shí)踐相聯(lián)系，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握所需的技能。

在進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)習(xí)前，學(xué)生需要具有模擬電路、數(shù)字電路的課程基礎(chǔ)[7]，以便理解生產(chǎn)實(shí)習(xí)中電路原理。由于后續(xù)課程以及電子競賽等對學(xué)生技能的要求，學(xué)院將生產(chǎn)實(shí)習(xí)安排在大三上學(xué)期完成。

學(xué)校的電子信息教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心資源相對充足，經(jīng)過合理分配，學(xué)校讓學(xué)生在校內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室中體驗(yàn)生產(chǎn)實(shí)習(xí)的主要過程，包括理論及經(jīng)驗(yàn)的課程教授，以及可反映學(xué)習(xí)效果的動(dòng)手操作。在授課過程中，安排很有經(jīng)驗(yàn)的專職實(shí)驗(yàn)教師進(jìn)行講授和指導(dǎo)；在學(xué)生實(shí)踐過程中，教師也在不斷地觀察和幫助同學(xué)們解決問題，正確引導(dǎo)他們的設(shè)想和操作方法，由此學(xué)生也能在技能學(xué)習(xí)中鞏固基本知識(shí)和原理。

2 印刷電路板設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的層次化設(shè)置

印刷電路板的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)軟件Altium Designer的使用，對模擬與數(shù)字電路進(jìn)行電路原理圖與印刷電路板圖的綜合設(shè)計(jì)[8]。對該內(nèi)容進(jìn)行分層遞進(jìn)教學(xué)，即單面印刷電路板設(shè)計(jì)、雙面印刷電路板設(shè)計(jì)—原理圖元件符號(hào)創(chuàng)建—印刷電路板圖元件封裝創(chuàng)建[9]。每周完成一項(xiàng)內(nèi)容，并且每項(xiàng)內(nèi)容基于不同的電路開展。

1)單面印刷電路板設(shè)計(jì)。從單面印刷電路板的設(shè)計(jì)入門，以簡單的晶體振蕩器電路為基礎(chǔ)，讓學(xué)生熟悉軟件的整體操作流程，能夠自主建立項(xiàng)目、建立編輯電路原理圖、建立設(shè)計(jì)印刷電路板。教師通過PPT演示整體的設(shè)計(jì)過程并講述設(shè)計(jì)的要點(diǎn)、難點(diǎn)，使學(xué)生掌握最基本的原理圖與印刷電路板的設(shè)計(jì)步驟與方法，如印刷電路板中的元件的布局、布線的基本原則，并加以實(shí)踐。

2)雙面印刷電路板的設(shè)計(jì)。當(dāng)印刷電路板元器件少且分布密度要求不高時(shí)，通常采用單面印刷電路板。但隨著電路的復(fù)雜化，便需采用雙面板，甚至多層板。以較為復(fù)雜的電路為基礎(chǔ)，逐步增加設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的操作指導(dǎo)，如原理圖編輯中的批量處理、總線，雙面印刷電路板的過孔、手工布線、數(shù)字地與模擬地分開等，學(xué)習(xí)這些要點(diǎn)可以使學(xué)生進(jìn)一步掌握正確的設(shè)計(jì)方法。

3)原理圖元件符號(hào)與印刷電路板圖元件封裝創(chuàng)建。由于Altium Designer元件庫中并未包含所有的元器件，在應(yīng)用中很可能找不到某些器件對應(yīng)的原理圖元件符號(hào)或印刷板元件封裝圖形，這需要在使用過程中建立新的元件符號(hào)或封裝圖形，或是對原有的進(jìn)行編輯、修改。我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別引入了新的元件符號(hào)和封裝圖形的建立。

3 電路板焊接實(shí)驗(yàn)

電路板焊接實(shí)驗(yàn)主要是學(xué)習(xí)電路板的插裝、手工焊接、調(diào)試等操作應(yīng)用。該內(nèi)容安排在學(xué)習(xí)印刷電路板設(shè)計(jì)之后，使學(xué)生在識(shí)別印刷電路板的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)踐操作。

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

該實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)部分進(jìn)行:基本知識(shí)的講解、焊接技巧的練習(xí)、焊接作品的制作。

3.1.1 基礎(chǔ)知識(shí)的講解

教師對基礎(chǔ)知識(shí)的講解，是學(xué)生焊接技能入門的關(guān)鍵，該內(nèi)容主要分為以下5個(gè)部分。

1)回顧常用元器件識(shí)別與檢測。

2)焊接機(jī)理的講解。焊接過程主要包括焊料與焊件間潤濕作用、擴(kuò)散現(xiàn)象、結(jié)合層的形成等，只有從原理上讓學(xué)生了解焊接，解決疑惑，才能為他們掌握焊接技巧打下理論基礎(chǔ)。

3)常用焊接、裝配、拆焊等相關(guān)工具與材料的介紹，如各式的烙鐵、焊料、焊劑等。

4)常用元器件和導(dǎo)線端子的插裝、焊接及拆焊的技巧方法的示范、講解。重點(diǎn)演示經(jīng)典的焊接五步法:準(zhǔn)備施焊、電烙鐵加熱焊件、送入焊錫、移開焊錫、移開烙鐵[10－12]，整個(gè)過程僅持續(xù)1～2 秒。

5)常見的焊接缺陷的識(shí)別與分析。

3.1.2 焊接技巧的練習(xí)

在了解焊接常識(shí)的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行焊接練習(xí)，以體會(huì)導(dǎo)線、器件的插裝技巧以及焊接五步法，通過實(shí)際操作養(yǎng)成良好的焊接習(xí)慣，使學(xué)生能熟練插裝最基本的器件，保持焊點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)性，從而掌握基本的插裝焊接技巧。

3.1.3 焊接作品的制作

課程中需要學(xué)生完成的作品是一臺(tái)小車。小車依靠前端與側(cè)面的紅外探測板的探測，控制左、右前輪，實(shí)現(xiàn)按特定路徑行走、防撞停止等基本功能。當(dāng)然，學(xué)生也可不局限于基本思路，根據(jù)自己的想法設(shè)計(jì)出其他功能。

小車以 “散件”的形式發(fā)給學(xué)生，包括電路板、元器件、馬達(dá)、齒輪、車板等等。學(xué)生需要自行焊接、組裝、調(diào)試，最終得到合格的成品小車。實(shí)踐的全過程以學(xué)生自己動(dòng)手操作為主，輔以教師的引導(dǎo)。小車的組裝關(guān)鍵步驟和要點(diǎn)為以下4點(diǎn)。

1)主控制板的焊接。學(xué)生在焊接前，根據(jù)由低到高、由難到易等焊接基本原則，全盤把握，對元器件進(jìn)行分配、排序后實(shí)施焊接。

2)車體的組裝。學(xué)生需要將馬達(dá)、齒輪、軸承、車輪、車板等，通過卡槽、螺絲等固定組成車體。

3)控制導(dǎo)線的走線。主控制板與探測板、馬達(dá)之間，需要通過導(dǎo)線相連。如何在車板上走線，可以既保證電氣性能，又保證美觀，是學(xué)生需要思考的問題。

4)通電、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)小車功能。小車通上電后，需要學(xué)生對電位器等器件進(jìn)行調(diào)節(jié)，才有可能實(shí)現(xiàn)基本功能。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)問題，排除實(shí)驗(yàn)故障

1)在學(xué)生焊接過程中，總會(huì)出現(xiàn)焊接錯(cuò)誤，如電路板銅盤脫落、器件焊錯(cuò)等，教師要幫助學(xué)生分析問題原因，告知其常見焊接問題的解決方法，引導(dǎo)學(xué)生自己解決問題，進(jìn)而提高學(xué)生焊接水平。

2)在通電測試時(shí)，部分小車可能無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。這需要學(xué)生在已有的電路、印刷版、焊接等知識(shí)的基礎(chǔ)上，輔以向教師的咨詢交流，逐級對電路進(jìn)行檢查、排錯(cuò)，最終實(shí)現(xiàn)完整的小車功能。這樣既鍛煉學(xué)生應(yīng)用理論解決問題的能力，同時(shí)也讓學(xué)生深刻理解保證每個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量的重要性。

4 多方位的考核機(jī)制

生產(chǎn)實(shí)習(xí)的總體成績分為通過與不通過，但也要進(jìn)行多方面的綜合考量。

1)印刷電路板實(shí)驗(yàn)的考核。

在實(shí)驗(yàn)的4個(gè)部分每個(gè)部分結(jié)束后，都需提交電路原理圖與印刷電路板圖，前者要通過電氣規(guī)則檢查，后者要通過設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。教師確認(rèn)布局、布線合理后，方為通過。

2)電路板焊接實(shí)驗(yàn)的考核。

采用兩階段考核法:第一階段，焊接技巧練習(xí)的考查，分為操作分和效果分。操作分是教師通過觀察學(xué)生操作過程中的安全意識(shí)與操作步驟等進(jìn)行的評價(jià)；效果分則包括評價(jià)插裝效果、焊點(diǎn)形狀等。這兩項(xiàng)均通過后，學(xué)生方可進(jìn)入下一階段。第二階段，組裝小車。評定內(nèi)容包括安全意識(shí)、控制板的焊接、車體的裝配、導(dǎo)線的走線、小車成品情況、小車的調(diào)試、解決問題的能力、創(chuàng)造力等多方面，以此達(dá)到對學(xué)生的較為全面的考查，達(dá)到及格分，方為通過。

5 實(shí)踐效果

1)印刷電路板設(shè)計(jì)。

通過遞進(jìn)式的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)，逐步地掌握了軟件Altium Designer的操作流程與應(yīng)用技巧，理解了印刷電路板的布局、布線技術(shù)要領(lǐng)。提升了學(xué)生的應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，為后續(xù)的電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2)電路板焊接。

將焊接與一個(gè) “會(huì)動(dòng)”的小車結(jié)合起來，不僅注重了學(xué)生焊接技巧的訓(xùn)練，還提高學(xué)生的動(dòng)手能力，強(qiáng)化電子裝配在實(shí)踐中的應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生的興趣和積極性，增加了課程的吸引力。在此期間學(xué)生掌握了實(shí)實(shí)在在的組裝和焊接技巧，以及一般的故障處理方法，既增強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力，也鞏固了他們課堂上的理論知識(shí)。小車是同學(xué)們在大學(xué)期間完成的第一個(gè)完整電子作品，當(dāng)它 “聰明”地在指定軌跡上行走、拐彎以及應(yīng)急停止時(shí)，學(xué)生的激動(dòng)之情和成就感可想而知。課程結(jié)束后，小車即為同學(xué)們所有，既可以作為紀(jì)念，也可以動(dòng)手進(jìn)一步改造。

生產(chǎn)實(shí)習(xí)對學(xué)生的動(dòng)手能力及興趣培養(yǎng)的影響是巨大的。生產(chǎn)實(shí)習(xí)的技能將應(yīng)用于后續(xù)的多門課程當(dāng)中，為課程開展提供更好的技術(shù)基礎(chǔ)，如高頻實(shí)驗(yàn)是基于印刷電路板，需要學(xué)生自己設(shè)計(jì)、制作、焊接電路板[7]；在開關(guān)電源題目里學(xué)生完成的印刷電路繪制、單面銅板的燒印腐蝕、焊接、調(diào)試等流程均建立在生產(chǎn)實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上。本課程有力地支撐了學(xué)院的優(yōu)秀學(xué)生多次在各類全國競賽中斬獲獎(jiǎng)項(xiàng)。

6 結(jié)束語

復(fù)旦大學(xué)電子工程系的生產(chǎn)實(shí)習(xí)課程已經(jīng)歷經(jīng)數(shù)年探索、實(shí)踐，兼顧了軟件、硬件的應(yīng)用，以理論知識(shí)為基礎(chǔ)，強(qiáng)化動(dòng)手環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

課程也有一定的不足，如何把兩個(gè)模塊有機(jī)地融合起來，讓每個(gè)學(xué)生都能體驗(yàn)到真正手工制作電路板的過程，但畢竟學(xué)生數(shù)眾多，且要考慮安全、成本、課時(shí)安排等問題，學(xué)院需要綜合考量、準(zhǔn)備完善后再開展。

隨著復(fù)旦大學(xué)電子信息科學(xué)類卓越工程師班的開展，根據(jù)其培養(yǎng)計(jì)劃，生產(chǎn)實(shí)習(xí)也采用了相應(yīng)合理的形式，完善學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的理解過程，培養(yǎng)初步的科學(xué)研究能力，為卓越工程師的教育培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]薛梅.工程教育背景下電裝實(shí)習(xí)改革探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2016，14(4):191－193.

[2]李晨霞，康娟，楊凱，等.電子科學(xué)與技術(shù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)教學(xué)改革研究[J].教育教學(xué)論壇，2015(4):21－22.

[3]張顯，曹全喜.生產(chǎn)實(shí)習(xí)模式的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2011，9(2):151－154.

[4]陳新兵，龍曉莉，謝斌盛，等.課賽結(jié)合的電子實(shí)習(xí)中心建設(shè)探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33(1):159－162.

[5]周國平.“電工電子實(shí)習(xí)”的實(shí)踐探索[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(z2):159－160，166.

[6]董嘉佳，康重慶.生產(chǎn)實(shí)習(xí)考核方式的探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(7):361－363.

[7]王勇.模擬電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)與改革[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)與技術(shù)，2012，10(6):50－51，64.

[8]陳新兵.AltiumDesigner在生產(chǎn)實(shí)習(xí)改革中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015，13(6):44－46.

[9]孔慶生.模擬與數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，2014.

[10]孫宜標(biāo)，劉春芳，李海波.電子裝置焊裝與設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2015.

[11]崔愛玲.手工焊接電路板的方法與技巧[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014(4):193－194.

[12]王煒.印制電路板(PCB)板件焊接工藝流程[J].東方電氣評論，2014，28(28):74－80.