基于大學生電子設計競賽的電子技術課程教學改革探索

鄧云　盧善勇　李顯圣

【摘 要】本文針對電子技術課程理論與實踐結(jié)合偏少、知識的綜合應用偏少、知識陳舊等問題，提出結(jié)合大學生電子設計競賽的訓練和比賽模式，圍繞電路的設計與仿真、制作與調(diào)試、測量技術與數(shù)據(jù)分析等教學內(nèi)容進行電子技術課程教學改革，切實提高學生技能水平、創(chuàng)新設計能力，提升教學效果。

【關鍵詞】電子設計競賽 電子技術課程 教學改革

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0022-03

全國大學生電子設計競賽是教育部主導的四大學科競賽項目之一，近年來越來越為高校所重視，在某種程度上已然成為電子專業(yè)課程教學改革實踐的新載體。電子設計競賽內(nèi)容緊扣當前主流教學內(nèi)容，注重理論與實踐相結(jié)合，充分展現(xiàn)了電路基礎知識教學與綜合運用能力、電路設計與制作調(diào)試能力、新技術和新器件的應用能力。為了配合全國電子設計競賽，廣西也舉辦了大學生電子設計競賽，偶數(shù)年為全國電子競賽，奇數(shù)年為廣西電子競賽，這兩個賽項形成交替循環(huán)，為大學生提供了一個良好的創(chuàng)新實踐能力提升平臺，也為電子技術課程教學內(nèi)容及教學形式改革帶來了有效的促進作用。筆者總結(jié)多年來參加電子設計競賽所積累的經(jīng)驗，探索基于大學生電子設計競賽進行電子技術教學改革。

一、電子技術課程的教學現(xiàn)狀

電子技術課程是電子類專業(yè)的技術基礎課，也是專業(yè)主干課程之一，包含模擬和數(shù)字兩個部分內(nèi)容，具有較強的實踐性和理論性。在傳統(tǒng)的教學模式中，電子技術課程主要是以理論講授為主、驗證性實驗為輔，教學效果不理想，教學效率低下，具體表現(xiàn)在以下幾方面。

（一）理論與實踐結(jié)合偏少。傳統(tǒng)電子技術課程教學模式一般是圍繞理論知識結(jié)構(gòu)展開，從電子元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)到元件工作特性，再由分立元件構(gòu)成基本電路，對元器件和電路的工程實際應用缺少介紹，使得電路理論與工程實踐脫節(jié)，學生普遍感覺被電子元器件所困，而不知道所學電路的實際用處，導致學生學習興趣下降，教學效果不理想。

（二）知識的綜合應用偏少。傳統(tǒng)教學內(nèi)容注重單元模塊電路的講授，極少把各相關單元模塊結(jié)合起來應用，導致學生在分析簡單電路時相對比較容易理解，但要分析或者設計制作綜合應用電路時，常常會無從下手，不知如何從上至下系統(tǒng)性設計電路，也不知如何合理使用電子器件，更不會靈活調(diào)試電路。上述因素極大阻礙了學生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，制約了學生探索新知識的主動性和積極性。

（三）知識陳舊，鮮有新技術、新器件。當前科學技術日新月異，電子技術及新型電子器件發(fā)展更是迅猛。長期以來，電子技術的教材跟不上時代的發(fā)展步伐，許多教學內(nèi)容與實際生產(chǎn)生活嚴重脫節(jié)，由于教學課時有限，實際教學經(jīng)常局限在電路的基本原理和小規(guī)模集成電路的應用，幾乎很少涉及應用前沿新技術和大規(guī)模集成電路構(gòu)建電子控制系統(tǒng)。

二、電子技術課程的教學改革

針對當前高職院校電子技術課程教學的現(xiàn)狀，結(jié)合大學生電子設計競賽的訓練和比賽模式，筆者對電子技術課程教學進行改革，切實提高高職學生的創(chuàng)新意識和設計制作能力。

（一）教學內(nèi)容改革。重理論基礎，突出基本知識、技能的培養(yǎng)。在電子技術教學中，淡化元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路的分析，重點強化元器件功能和外圍應用電路，結(jié)合工程實踐案例或電子設計競賽中使用的新器件開展教學，通過學習典型電路掌握核心器件的應用方法，進而掌握電路工作原理。例如，利用7805穩(wěn)壓芯片設計、制作手機充電器，利用555集成電路和LM358運放設計、制作呼吸燈電路，電子技術部分教學內(nèi)容設計如表1所示，通過元器件的實際應用，使學生更加深刻理解元器件的特性、所需外圍電路和典型應用場合。

（二）教學方式改革。為了改善電子技術課程教學效果，切實提高學生技能水平，本文結(jié)合大學生電子設計競賽特點，圍繞電路的設計與仿真、制作與調(diào)試、測量技術與數(shù)據(jù)分析等教學模式進行深入研究探討。

1.電路設計與仿真。在電子技術教學過程中，采用Proteus仿真軟件為輔助教學平臺，進行電路設計、仿真、參數(shù)調(diào)整、效果演示等起到了較好的教學輔助作用，更加有利于幫助學生理解電路工作原理、縮短電路設計周期、提高電路設計效率。

以經(jīng)典的555振蕩電路為例進行設計與仿真，電路原理圖如圖1所示，首先通過Proteus軟件繪圖編輯界面進行電路繪制；其次，根據(jù)理論基礎進行關鍵元件參數(shù)的計算，由振蕩頻率求出所需RC充放電時間，根據(jù)常規(guī)RC比值算出電阻與電容的取值范圍；再次，啟動Proteus仿真功能，調(diào)用示波器觀測555集成電路第3腳的輸出波形；最后，調(diào)整電路中影響充放電時間的電阻阻值，同步觀察輸出波形的變化，可以直觀、清晰地觀測到充放電的電阻阻值與輸出波形頻率成反比。透過簡單的電路設計、仿真，驗證自己的設計思路，學生能夠容易理解電路的工作原理，通過進一步調(diào)整元件參數(shù)，修正設計思路，實現(xiàn)更加完善的電路功能。經(jīng)過如此反復的訓練，學生的電路思考能力才能得到加強，學生才能輕松設計單元模塊電路，有效地縮短電路原理與實踐結(jié)果之間的距離。

2.電路制作與調(diào)試。通過上述的電路設計與仿真，學生對電路工作原理已經(jīng)有了一定了解，并且在Proteus軟件平臺上完成了仿真驗證，但是，根據(jù)以往教學工作經(jīng)驗，對于大部分的高職學生來說，如果所學電路僅作設計和仿真是遠遠不夠的，只有經(jīng)過實做、實測的電路，才能算是真正意義上的掌握。因此，硬件電路的制作與調(diào)試就顯得尤為重要，為了更加科學有效地完成電路的制作，需要學生在理解電路原理的基礎上進行元件的合理布局、焊接，以及電路的調(diào)試。

電路制作是圖紙到實物的轉(zhuǎn)換。電路制作需要根據(jù)電路工作原理考慮元器件的布局，首先需要從宏觀上考慮電路板的布局，一般遵循專業(yè)、行業(yè)默認習慣，比如，信號走向一般是左邊進右邊出，電源、地和信號端口需要在電路板的邊沿預留位置，布線優(yōu)先照顧大電流所流經(jīng)的回路，以及電路中的關鍵點電壓需要預留測試點以便后續(xù)的電路調(diào)試工作。

電路調(diào)試是理論指導實踐的具體表現(xiàn)。電路調(diào)試也是理論與實踐的結(jié)合體，只有掌握一定的電路基礎理論，才能有效地開展電路實驗，調(diào)試電路一般是遵循“先電源，后信號；先靜態(tài)，后動態(tài)”的指導原則。電路在上電時首先是要檢查電路的供電電源是否正常，然后再檢查電路的輸出信號、輸入信號是否正常；對于放大電路，需要先檢查電路的靜態(tài)工作點電壓是否正常，然后再檢查電路的交流放大能力。

以TDA2030功放電路為例，說明調(diào)試一個電路的具體步驟。TDA2030功放電路如圖2所示，當電源電壓為+20V，正相輸入端電壓為+10V，輸出端電壓為18.5V時，反相輸入端電壓為0V。測量結(jié)果表明運放的靜態(tài)工作異常，電路沒有工作在放大狀態(tài)，此現(xiàn)象的原因很有可能是反相輸入端與輸出端的反饋支路開路，或者是反相輸入端被直接接地。通過上述電路調(diào)試步驟的具體演示，可以幫助學生直觀認識運放的工作原理，深刻理解運放工作在放大狀態(tài)時，其正相輸入端與反相輸入端電壓相等的特征，在抓住此特征之后，也就掌握了功放電路調(diào)試的關鍵所在。經(jīng)過電路的實踐調(diào)試，學生掌握正確解決問題的方法，通過對問題的分析、嘗試、反饋和總結(jié)等，激發(fā)學生對問題的思考，這一系列過程都會加深學生對電路工作原理的理解，幫助學生強化學習電路信心。

3.電路測量與數(shù)據(jù)分析。電路測量是培養(yǎng)學生使用儀器、儀表進行數(shù)據(jù)測量的能力。電路測量主要包括基本功能測量和技術指標測量，根據(jù)所測數(shù)據(jù)進行電路分析可以訓練學生分析歸納、調(diào)整電路的能力。以典型功放電路為例，需要測量的數(shù)據(jù)主要包括靜態(tài)直流輸出電壓、中頻信號放大倍數(shù)、最大不失真輸出功率、失真度、通頻帶和信噪比等性能指標，以上每一項性能指標都需要學生親手使用儀器、儀表測量，并且根據(jù)測量結(jié)果進行專業(yè)的數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過電路實踐測量和數(shù)據(jù)分析，學生可以更深入理解電路的工作原理。測量直流輸出電壓訓練訓練萬用表的使用，測量通頻帶、交流放大倍數(shù)訓練示波器和信號發(fā)生的使用，測量失真度訓練失真度測試儀的使用等，經(jīng)過反復的訓練，學生使用儀器、儀表的技能得到加強，數(shù)據(jù)綜合分析能力得到有效提高。

4.以大學生電子設計競賽綜合測評為例，訓練學生綜合應用能力。綜合測評主要考查學生綜合分析、設計、制作、調(diào)試電路的能力，重點考查學生運用模擬電路和數(shù)字電路理論知識進行電路設計與制作的能力。

以2017年全國大學生電子設計競賽綜合測評為例，題目是設計一個復合信號發(fā)生器，要求采用兩片運放和一片74LS74數(shù)字芯片設計制作一個復合信號發(fā)生器，具體要求是：（下轉(zhuǎn)第49頁）（上接第23頁）首先設計制作一個方波產(chǎn)生器輸出方波，然后將方波四分頻后再與三角波同相疊加輸出一個復合信號，最后經(jīng)濾波器輸出一個正弦波信號。經(jīng)分析題目可知，首先使用一個運放設計一個RC振蕩電路，并且采用電位器調(diào)整充放電回路中電阻的阻值，即可實現(xiàn)精準輸出20kHz方波信號A頻率的要求；其次結(jié)合D觸發(fā)器的工作原理，采用74LS74雙D觸發(fā)器將方波信號A進行兩次分頻，即四次分頻，輸出一個5kHz的方波信號B；再將方波信號波B經(jīng)過一個積分電路，采用一個運放設計一個反相積分電路，即可將方波信號B轉(zhuǎn)換5kHz的三角波信號C；為了實現(xiàn)信號疊加，需要一個運放設計一個同相加法器電路，即可實現(xiàn)信號B和C的疊加；最后采用一個運放設計一個有源低通濾波器，即可濾出疊加后的基波信號，也就是題目要求的5kHz的正弦波信號D。在完成理論電路設計的基礎上，通過Proteus軟件進行可行性仿真，然后根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整電路設計，并完成電路板的焊接、調(diào)試，最后逐一測量各路輸出信號的波形、頻率和幅值，若輸出信號頻率偏離設計要求，可以調(diào)整相應電位器進行微調(diào)，以滿足實際設計要求。

總之，結(jié)合大學生電子設計競賽開展電子技術課程教學改革探索，教學過程圍繞電路設計、仿真、制作展開，讓學生帶著目標任務進行電路分析、設計，并針對調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題進行交流探討，可以明顯提高學生學習主動性和積極性。實踐教學表明，學生學會了從單元模塊電路到綜合電路的識圖技能，收獲了自主學習方法，掌握了電路設計及調(diào)試能力，提升了學生參與教學的熱情，教學效果良好，達到預期教學目標。

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【基金項目】廣西教育廳高?？蒲许椖浚?017KY0982）

【作者簡介】鄧 云（1983— ），男，廣西全州人，碩士，廣西職業(yè)技術學院計算機與電子信息工程系講師，研究方向：電子技術、計算機仿真技術教學與研究。

（責編 黎 原）