電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練教學(xué)探索

張玉璽 宜娜 康驪 王俊

基金項(xiàng)目：教育部2021年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“基于‘以賽促教理念的實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力培訓(xùn)”（202102371003）

第一作者簡介：張玉璽（1985-），男，漢族，河南駐馬店人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.025

摘? 要：在教育教學(xué)改革的大背景下，該文通過口罩經(jīng)典特性測量實(shí)驗(yàn)這一具體案例，闡述工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)施方法與效果。該實(shí)驗(yàn)從生活中的熱點(diǎn)問題出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)考核驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，融入設(shè)計(jì)開發(fā)、工程思維等理念，使學(xué)生能夠制作電子產(chǎn)品、解決實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生從“小實(shí)驗(yàn)”感悟“大工程”。該實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生對電子信息系統(tǒng)的認(rèn)識，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新思維，為日后的專業(yè)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練；口罩靜電特性；工程思維；實(shí)驗(yàn)實(shí)踐；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）12-0104-04

Abstract： Under the background of education and teaching reform， this paper expounds the teaching implementation method and effect of basic training of electronic design in basic engineering experiment course through a specific case of? measurement experiment of mask classic characteristics. The experiment starts from the hot issues in life， integrates the concepts of design and development and engineering thinking through the links of experimental principle teaching， experimental process guidance and experimental examination and acceptance， so as to enable students to form electronic products and solve practical problems， and guide students to understand "big projects" from "small experiments". This experiment deepens students' understanding of electronic information system， cultivates their practical ability and engineering innovation thinking， and lays a solid foundation for their future professional study.

Keywords： Basic Training in Electronic Design; Electrostatic characteristics of the mask; engineering thinking; experimental practice; innovation ability

在高等教育改革的大背景下[1-2]，北京航空航天大學(xué)積極深化教育教學(xué)改革，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。學(xué)校統(tǒng)籌推進(jìn)大類書院、專業(yè)學(xué)院、特色學(xué)院和人才培養(yǎng)試點(diǎn)特區(qū)，實(shí)施了大類招生、書院育人等舉措。在“強(qiáng)化基礎(chǔ)，突出實(shí)踐，重在素質(zhì)，面向創(chuàng)新”的人才培養(yǎng)理念下，工程基礎(chǔ)課程發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，使學(xué)生能夠?qū)こ虒W(xué)科廣泛洞察，有助于形成全面的學(xué)科底蘊(yùn)[3-5]。信息大類尤其重視工程教育基礎(chǔ)，并關(guān)注學(xué)生從高中到大學(xué)的重要轉(zhuǎn)型階段，以及學(xué)生未來專業(yè)發(fā)展的專業(yè)志向，注重為學(xué)生打下跨學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)知識的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在這一背景下，電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練作為面向信息類大一學(xué)生的工程基礎(chǔ)課程，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力、建立學(xué)生對專業(yè)的認(rèn)知、打好學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)及激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣等方面起到重要作用[6-7]。通過這門課程，學(xué)生能夠獲得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提升在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技能。同時(shí)，課程幫助學(xué)生對專業(yè)深入理解，為他們未來的學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練是大一下學(xué)期的工程實(shí)踐基礎(chǔ)課程，以認(rèn)知為主要目的，在基本元器件學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)將理論知識進(jìn)行應(yīng)用。課程以課堂教學(xué)為引導(dǎo)，以實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)為支撐，以課后探索為補(bǔ)充，根據(jù)“學(xué)以致用，承前啟后”原則，既要將所學(xué)知識用于解決生活中的實(shí)際問題，又要注重根據(jù)學(xué)生已有知識基礎(chǔ)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程打好基礎(chǔ)，并在教學(xué)過程中注重引入工程思維，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力[8-9]。本文通過口罩靜電特性測量這一具體實(shí)驗(yàn)案例，介紹課程具體教學(xué)措施。

一? 實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容

電子信息硬件基礎(chǔ)認(rèn)知是電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練課程的重要任務(wù)之一，通過基本元器件的講解，讓學(xué)生認(rèn)識電子信息系統(tǒng)的基本電路組成，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)認(rèn)識電子信息系統(tǒng)。為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，課程多從生活中的實(shí)際問題出發(fā)，引入理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。市面上的口罩真假難辨，而通常的醫(yī)用口罩具有靜電吸附效應(yīng)[10]，只需通過三極管放大電路，將口罩上的微弱電流放大，結(jié)合LED的亮度變化直觀展現(xiàn)靜電測量結(jié)果，即可驗(yàn)證口罩是否有效。在此背景下，設(shè)計(jì)了口罩靜電特性測量實(shí)驗(yàn)。

常見的醫(yī)用口罩，主要由三層無紡布組成。內(nèi)層是普通無紡布，用于吸收使用者呼吸時(shí)產(chǎn)生的水分；外層是做了防水處理的無紡布，主要用于隔絕患者噴出的液體，也就是簡單的機(jī)械過濾部分；中間的過濾層用的是經(jīng)過駐極處理的聚丙烯熔噴無紡布。醫(yī)用口罩的核心材料，是駐極處理之后的聚丙烯熔噴無紡布。這是過濾病毒氣溶膠的關(guān)鍵。駐極體是指具有長期儲存電荷功能的電介質(zhì)材料，具有高效率、低流阻、抗菌和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在保證常規(guī)濾材的物理碰撞阻隔作用基礎(chǔ)上，增加了靜電吸附作用。駐極處理使得過濾材料纖維帶有電荷，結(jié)合熔噴超細(xì)纖維材料致密的特點(diǎn)，因此帶電纖維間形成了大量的電極，帶電纖維不僅能夠像磁鐵一樣吸引環(huán)境中大部分的帶電微粒，同時(shí)也可將未帶電的部分顆粒極化，進(jìn)而吸附一些粒徑較小的污染物，甚至病毒這種納米級的物質(zhì)也可進(jìn)行靜電吸附或電荷相斥阻隔。

測試口罩的靜電吸附功能是否可以正常工作有兩種思路，一種是測量口罩中的靜電電荷量，這是很難實(shí)現(xiàn)的；另一種是通過測試口罩附近的場強(qiáng)來間接測試口罩中靜電的存在，也就是本實(shí)驗(yàn)所采用的方法。測量口罩附近的場強(qiáng)我們可以利用靜電感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)，靜電感應(yīng)的原理是當(dāng)不帶電的導(dǎo)體放入電場中，導(dǎo)體中的自由電荷會在電場力的作用下發(fā)生定向移動從而使導(dǎo)體兩端分別產(chǎn)生等量異種電荷，也就是感應(yīng)電荷；而電荷定向運(yùn)動的過程會產(chǎn)生一個(gè)微弱的電流，可以通過檢測這個(gè)微小的電流來間接證明口罩中靜電的存在性。為了使這個(gè)實(shí)驗(yàn)效果更為明顯，我們需要放大這個(gè)電流，使其能夠點(diǎn)亮LED小燈，通過LED小燈的亮滅來確定微小電流是否存在，從而驗(yàn)證口罩是否有靜電吸附功能。

該實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)思路如圖1所示。首先通過探測天線感應(yīng)外部電荷的運(yùn)動電場變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于感應(yīng)電流的大小為nA級別，非常微弱，需要經(jīng)過三極管電路放大之后達(dá)到mA級別才可以點(diǎn)亮LED。值得注意的是，該電路是通過感應(yīng)電場變化的方式來間接測量口罩的靜電荷，LED的亮度在一定范圍內(nèi)與電場強(qiáng)度正相關(guān)，所以電路可以大致判斷靜電量，從而能夠分辨有效口罩和無效口罩。

圖1? 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)框圖

該實(shí)驗(yàn)以一次性使用醫(yī)用口罩為被測對象，限制條件為僅利用基本的元件（電阻、電容、電感、二極管、三極管和按鍵等），設(shè)計(jì)電路完成對靜電特性的測量。實(shí)驗(yàn)分為基本要求和擴(kuò)展要求。基本要求包括分析一次性使用醫(yī)用口罩帶靜電機(jī)理，利用基本元件設(shè)計(jì)檢測靜電特性的電路，通過面包板插接或者電路板焊接，實(shí)現(xiàn)一次性使用醫(yī)用口罩靜電特性測量，通過LED等聲光方式展示出測量結(jié)果；擴(kuò)展要求是考慮檢測電路的成本、便攜性、穩(wěn)定性以及美觀性，通過印刷電路板設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)電路原理圖、PCB圖，加工制板并焊接電路進(jìn)行靜電檢測。在此基礎(chǔ)上，給學(xué)生留下拓展思考題目：在不會大幅提高成本的情況下，提高靜電特性的測量精度或者優(yōu)化檢測結(jié)果的顯示方式。對于擴(kuò)展要求，提供手把手快速使用軟件教學(xué)過程，學(xué)生可以在穩(wěn)定性、便攜性與美觀性等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)發(fā)揮，設(shè)計(jì)電路板，制作一個(gè)具有實(shí)用性的電子產(chǎn)品。

該實(shí)驗(yàn)將所學(xué)的基本元器件認(rèn)知的知識與中學(xué)及大學(xué)物理電學(xué)知識相融合，制作電子產(chǎn)品，進(jìn)而解決生活中的實(shí)際問題。采用靜電場效應(yīng)定性分析與電流放大定量分析相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)涉及到靜電感應(yīng)、電流放大、二極管及三極管特性和電路板設(shè)計(jì)等相關(guān)知識，并通過焊接及電路板設(shè)計(jì)體現(xiàn)勞育與美育。

二? 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施過程

口罩靜電特性測量實(shí)驗(yàn)結(jié)合生活中的熱點(diǎn)，通過簡單的電路解決實(shí)際問題的電子產(chǎn)品，激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣；通過插接、焊接、印刷電路板體現(xiàn)電子產(chǎn)品的便攜性、穩(wěn)定性、實(shí)用性和美觀性等；以思考起步，在思考中實(shí)驗(yàn)，從思考中結(jié)束：預(yù)習(xí)中通過思考題引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中思考題指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)中思考題升華實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)是為了對元器件基本認(rèn)知課程與物理電學(xué)的知識進(jìn)行綜合應(yīng)用，用基本元器件形成一個(gè)解決生活問題的電子小產(chǎn)品，包括實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)、實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)考核驗(yàn)收等過程，將思考引領(lǐng)、設(shè)計(jì)開發(fā)、工程思維融入其中，如圖2所示。

（一）? 實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)

實(shí)驗(yàn)原理包括基本元器件知識、物理知識和電子電路知識，部分實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)如圖3所示。由于課程面向?qū)ο笫谴笠粚W(xué)生，專業(yè)知識有限，因此在講解實(shí)驗(yàn)原理的過程中，結(jié)合學(xué)生學(xué)過的物理知識進(jìn)行科普化設(shè)計(jì)，并通過線上線下結(jié)合的方式進(jìn)行答疑。

圖2? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

圖3? 實(shí)驗(yàn)原理教學(xué)

通過科普與專業(yè)相結(jié)合的方式，以問題引導(dǎo)方式逐步深入，講解一次性靜電口罩的機(jī)械過濾與靜電吸附原理。與高中物理知識相結(jié)合，講述靜電的直接與間接測試方法，以及電荷在電場中運(yùn)動產(chǎn)生電流的原理。講解阻容感、二極管、三極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，使學(xué)生了解三極管進(jìn)行電流放大的基本原理、點(diǎn)亮發(fā)光二極管的條件等基本元器件知識。通過問題引導(dǎo)及場景展現(xiàn)，將學(xué)生所學(xué)知識與生活結(jié)合起來，將之前學(xué)習(xí)的物理知識與電子信息系統(tǒng)結(jié)合起來，從而激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣。

（二）? 實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)過程包括電路圖設(shè)計(jì)、電路制作、設(shè)計(jì)印刷電路板（擴(kuò)展要求）三個(gè)環(huán)節(jié)，在實(shí)驗(yàn)過程中，觀察學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。

根據(jù)原理講解，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室提供的元器件種類及性能參數(shù)，學(xué)生自主設(shè)計(jì)靜電特性測量電路圖，鼓勵(lì)學(xué)生通過電路圖仿真軟件（Multisim或者Proteus等）進(jìn)行電路功能和性能的仿真測試。

學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖完成電路的制作，可以選擇面包板插接方式、電路板焊接方式等。實(shí)驗(yàn)制作過程重點(diǎn)是引導(dǎo)學(xué)生熟悉電路制作的基本方法，掌握電路制作的基本技能，理解基本元器件在實(shí)際的電子產(chǎn)品中是如何應(yīng)用并發(fā)揮功能的，在電路制作與測量過程中了解電路結(jié)構(gòu)與測量方法的優(yōu)勢與局限性，針對局限性提出設(shè)計(jì)方案；思考面包板插接、洞洞板焊接、印刷電路板對電路性能是否有影響？放大電路的級數(shù)如何選擇，放大倍數(shù)過小或者過大會有什么影響？天線的形狀及尺寸參數(shù)對測量有沒有影響？如果直流穩(wěn)壓電源供電，對測量結(jié)果是否有影響？

針對設(shè)計(jì)印刷電路板的擴(kuò)展要求，采用現(xiàn)場講解與視頻講解相結(jié)合的方法，通過逐步操作的方式進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)軟件的快速教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生快速掌握現(xiàn)代工具基本操作方法的能力。電路設(shè)計(jì)軟件的教學(xué)采用的是“速成”方式，教學(xué)中要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)軟件是工具，可以快速學(xué)習(xí)，但是電路設(shè)計(jì)的思想與電路設(shè)計(jì)方法需要從電子信息基本知識穩(wěn)扎穩(wěn)打的學(xué)習(xí)掌握。然后學(xué)生自行設(shè)計(jì)原理圖與印刷電路板，設(shè)計(jì)中引導(dǎo)學(xué)生理解電子產(chǎn)品在功能、性能之外需要考慮的細(xì)節(jié)，包括電路板的美觀性、便攜性、實(shí)用性和穩(wěn)定性等。

（三）? 實(shí)驗(yàn)考核驗(yàn)收

實(shí)驗(yàn)考核包括現(xiàn)場檢查電路連接的正確性、穩(wěn)定性與美觀性，考察學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程分析、問題分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)思考的能力，以及考核學(xué)生所提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性與完整性。

觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，需要將探測器在靠近口罩的地方來回移動，此時(shí)LED將開始閃爍，且靠近帶靜電物體和遠(yuǎn)離帶靜電物體時(shí)閃爍的小燈顏色不同；LED的峰值亮度越大，說明探測到的靜電場越強(qiáng)；LED的亮度顯著降低，說明靜電場明顯減弱，此時(shí)口罩可判斷為無效口罩。對于完成擴(kuò)展要求印刷電路板的同學(xué)，在考察電路正確性和穩(wěn)定性的同時(shí)，評估電路板的美觀性。

在考察學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析能力時(shí)，學(xué)生需要思考幾個(gè)問題并進(jìn)行回答：用LED的亮度作為檢測結(jié)果是否合適，有哪些更直觀的方式展示檢測結(jié)果？成本控制前提下要提高測量的精度可以采用什么方式？不同的工程應(yīng)用對靜電測量結(jié)果的精度和展示方式有什么要求？通過實(shí)驗(yàn)，你掌握了哪些實(shí)驗(yàn)技能或者科研方法？

實(shí)驗(yàn)報(bào)告作為實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)之一，學(xué)生需要根據(jù)指定模板撰寫并提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性與完整性。要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)并在一周之內(nèi)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，具體內(nèi)容見表1。

三? 教學(xué)實(shí)施效果

本實(shí)驗(yàn)在基本元器件學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，結(jié)合中學(xué)和大學(xué)的物理課程知識，對帶有靜電的物體進(jìn)行定性的檢測，以認(rèn)知為主要目的，通過元件的直觀應(yīng)用引導(dǎo)學(xué)生了解元件的功能與性能，掌握基本的電參量檢測方法并能夠理解其局限性，對測量過程及分析方法做出技術(shù)評價(jià)。通過發(fā)揮部分讓學(xué)生對電子產(chǎn)品便攜性及美觀性設(shè)計(jì)有直觀理解。通過簡單、低成本的電路設(shè)計(jì)，解決生活中的熱點(diǎn)問題，極大培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)自信。學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣濃厚，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多種不同的電路形式；朋輩力量讓學(xué)生互相學(xué)習(xí)、共同進(jìn)取，在電路的設(shè)計(jì)、插接、焊接等過程中精益求精、各展所能，部分學(xué)生作品如圖4所示。通過口罩靜電特性測量實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生在電子制作時(shí)，充分考慮電路不易受外界干擾的穩(wěn)定性、電路用途明確的實(shí)用性、電路賞心悅目的美觀性、較低成本實(shí)現(xiàn)完整功能的性價(jià)比，向?qū)W生傳遞工程思維。

表1? 實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容及具體要求

圖4? 學(xué)生作品展示

四? 結(jié)束語

口罩靜電特性測量實(shí)驗(yàn)從生活中的熱點(diǎn)出發(fā)，學(xué)生通過對所學(xué)知識進(jìn)行綜合分析和應(yīng)用，設(shè)計(jì)簡單的電路解決實(shí)際問題，完成了設(shè)計(jì)開發(fā)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)分多層次，插接、焊接、印刷電路板層層遞進(jìn)，電路設(shè)計(jì)充分考慮了穩(wěn)定性、實(shí)用性、美觀性和性價(jià)比，傳遞了工程思維。實(shí)驗(yàn)以思考起步，在思考中實(shí)驗(yàn)，從思考中結(jié)束，通過貫穿實(shí)驗(yàn)的思考題，使學(xué)生體會了工程設(shè)計(jì)理念和科學(xué)思維方法。該實(shí)驗(yàn)提高了學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新解決問題能力，為日后的專業(yè)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練課程不僅強(qiáng)調(diào)學(xué)科知識的傳授，更著眼于培養(yǎng)學(xué)生的全面素質(zhì)。本文通過口罩靜電特性測量這一具體實(shí)驗(yàn)案例，體現(xiàn)了電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)訓(xùn)練課程在實(shí)施過程中從生活中常見的問題出發(fā)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，注重培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與創(chuàng)新意識，提升學(xué)生理論結(jié)合實(shí)踐的能力。這一課程的成功實(shí)施，為學(xué)生未來的專業(yè)學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐提供了有力支持。

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