李錫華，施紅軍，葉險(xiǎn)峰

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制

李錫華，施紅軍，葉險(xiǎn)峰

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

根據(jù)新開(kāi)的電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程的要求和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研制了一套電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)突出了實(shí)驗(yàn)的靈活性，強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)和探索研究，適用于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)和探究型實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以調(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)分析、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力和自主創(chuàng)新的能力。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已用于浙江大學(xué)信電系本科生的電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教學(xué)效果良好，學(xué)生給予了很好的評(píng)價(jià)。

電子電路實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自主實(shí)驗(yàn)

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系在國(guó)家特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)培養(yǎng)計(jì)劃和課程體系作了改革，在課程體系改革中對(duì)現(xiàn)有電路原理、模擬電子電路、數(shù)字電路、射頻通信電路、射頻與微波電路及其設(shè)計(jì)等電子電路系列課程(包括實(shí)驗(yàn)課程)進(jìn)行了綜合教學(xué)改革，重新梳理和更新各課程知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化整合，形成了電子電路基礎(chǔ)(實(shí)驗(yàn))、射頻通信電路(實(shí)驗(yàn))和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)(實(shí)驗(yàn))等新課程[1-2]。從2010年下半年開(kāi)始，陸續(xù)開(kāi)出改革后的新課程。電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)I、II就是其中的新開(kāi)實(shí)驗(yàn)課程，內(nèi)容覆蓋電路基本實(shí)驗(yàn)、模擬電子電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等。為了順利開(kāi)展電子電路實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作，根據(jù)新開(kāi)實(shí)驗(yàn)課程的要求和積累的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，研制開(kāi)發(fā)了一套電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”)。使用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既可進(jìn)行電路基本實(shí)驗(yàn)、模擬電路實(shí)驗(yàn)、數(shù)字與脈沖電路實(shí)驗(yàn)等一般性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可進(jìn)行綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的使用價(jià)值和低廉的制作成本。

1 研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想

目前，市場(chǎng)上有多種由專(zhuān)業(yè)廠家開(kāi)發(fā)的模擬電子電路實(shí)驗(yàn)箱或?qū)嶒?yàn)臺(tái)供應(yīng)，價(jià)格從幾千元到上萬(wàn)元不等，這些實(shí)驗(yàn)箱(臺(tái))操作簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)便，但不同程度存在功能單一、靈活性不夠、設(shè)計(jì)性和綜合性體現(xiàn)不足等問(wèn)題[3-4]，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不盡如人意，對(duì)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)者的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)起不到該有的作用。更突出的問(wèn)題在于，它是一個(gè)由教儀廠商設(shè)計(jì)的、力求普遍適用的儀器，因此，用它來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)其深度受到限制，不能完成我們?cè)O(shè)計(jì)的所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能完全滿足我們的教學(xué)要求。為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過(guò)程中，充分考慮了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)具體情況和要求，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容等諸多因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的指導(dǎo)思想主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[5-7]：

1)與電子電路理論課程內(nèi)容緊密聯(lián)系

該實(shí)驗(yàn)課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和工程性，要求以新的理念，從電路的整體全局出發(fā)，覆蓋必須掌握的全部知識(shí)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)性、探究性和系統(tǒng)性，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式上循序漸進(jìn)、逐步深入、一環(huán)扣一環(huán)。本系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)這樣的教學(xué)理念。

2)針對(duì)性強(qiáng)

研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是針對(duì)教學(xué)大綱設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而研究設(shè)計(jì)的，針對(duì)性較強(qiáng)，不具有普遍適用性。項(xiàng)目研制中充分考慮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的靈活性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的多樣性和實(shí)驗(yàn)個(gè)體的差異，滿足不同層次、不同要求的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。電子電路實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，一般可分為基礎(chǔ)型、設(shè)計(jì)型、探究型實(shí)驗(yàn)等三個(gè)層次。基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)主要培養(yǎng)學(xué)生掌握電子儀器的使用，電子電路電學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法等基本技能；設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)主要是利用分立和集成器件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和調(diào)試，以及分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題等，訓(xùn)練學(xué)生的電子電路設(shè)計(jì)能力；探究型實(shí)驗(yàn)往往是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)完整的具有規(guī)定技術(shù)性能的電路系統(tǒng)，具有一定的綜合性和探索性，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和探索研究實(shí)際問(wèn)題的能力。研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，需要打破傳統(tǒng)的電子電路實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)觀念，為學(xué)生提供一個(gè)進(jìn)行不同層次實(shí)驗(yàn)的公用平臺(tái)[8]。

3)操作性強(qiáng)

與成品電子電路實(shí)驗(yàn)箱不同，本系統(tǒng)的電路連接與元器件的更換都需要由學(xué)生自己動(dòng)手完成，而不是簡(jiǎn)單地接插連線，元件規(guī)格的選擇也沒(méi)有限制，這樣可增強(qiáng)對(duì)元器件的認(rèn)知和實(shí)際動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

4)應(yīng)具有安全保護(hù)性、高可靠性和可維護(hù)性

由于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)各種連線錯(cuò)誤和元器件裝錯(cuò)的可能，一旦出現(xiàn)這種情況，電路板應(yīng)具有保護(hù)措施，不致出現(xiàn)嚴(yán)重的損壞。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能和組成

使用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行以下內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)：(1)電路基本定律類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)；(2)RLC諧振電路實(shí)驗(yàn)研究；(3)一階RC電路的暫態(tài)響應(yīng)研究；(4)基本門(mén)電路研究；(5)555時(shí)基電路的應(yīng)用研究；(6)集成運(yùn)放基本運(yùn)算電路研究；(7)晶體管放大電路類(lèi)的設(shè)計(jì)與研究。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)以上不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)制作了電路定律類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)、放大電路類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)、基本門(mén)電路研究實(shí)驗(yàn)、時(shí)基電路應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)等多塊實(shí)驗(yàn)電路板，每塊實(shí)驗(yàn)板可完成幾個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。按照設(shè)計(jì)探究型實(shí)驗(yàn)的要求來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板，例如，如圖1所示的放大電路類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)電路板可分別進(jìn)行單級(jí)晶體管放大電路設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)、差分放大器研究實(shí)驗(yàn)等，把各級(jí)電路按不同方式連接起來(lái)又可進(jìn)行多級(jí)負(fù)反饋放大器設(shè)計(jì)研究實(shí)驗(yàn)和具有差分輸入級(jí)的多級(jí)負(fù)反饋放大電路研究實(shí)驗(yàn)等，實(shí)驗(yàn)電路清晰明了、實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、更換元器件及測(cè)試調(diào)節(jié)方便。

圖1 放大電路類(lèi)實(shí)驗(yàn)電路板

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要解決的問(wèn)題

在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們主要解決了以下難題。

1)克服了實(shí)驗(yàn)板數(shù)量多帶來(lái)的教學(xué)及管理上的不便

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目較多，若按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)板數(shù)量會(huì)很多，不利于對(duì)實(shí)驗(yàn)板和實(shí)驗(yàn)的管理。我們將同類(lèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在一塊實(shí)驗(yàn)板上進(jìn)行，使實(shí)驗(yàn)板更緊湊。例如，電路基本定律類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)板包括“基爾霍夫定律和疊加定理的驗(yàn)證”和“直流電路的戴維南等效和諾頓等效”多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；放大電路類(lèi)實(shí)驗(yàn)板包括“晶體管共射放大電路設(shè)計(jì)與研究”“差分放大器的設(shè)計(jì)與研究”和“多級(jí)低頻小信號(hào)負(fù)反饋放大器的設(shè)計(jì)與研究”等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，而且，把這些實(shí)驗(yàn)放大器級(jí)連，可以組裝成更復(fù)雜的放大電路，進(jìn)行復(fù)雜放大器的研究實(shí)驗(yàn)。比如，把差分放大器的輸出接到共射放大器的輸入端組成差分輸入共射集電級(jí)輸出的兩級(jí)放大電路，再把它的輸出接到后面輸出級(jí)的輸入端，再接上負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，就構(gòu)成了一個(gè)差分輸入、具有中間放大級(jí)和輸出級(jí)的多級(jí)負(fù)反饋放大器電路，這個(gè)電路實(shí)際上就是一個(gè)簡(jiǎn)易的運(yùn)算放大器電路。同類(lèi)實(shí)驗(yàn)的整合，可以拓展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，加深探究型實(shí)驗(yàn)的深度和難度，也可以幫助學(xué)生了解各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)在聯(lián)系，更全面深入地把握知識(shí)點(diǎn)。

2)克服實(shí)驗(yàn)中電源較多帶來(lái)的不便

電路基本定律類(lèi)研究實(shí)驗(yàn)板涉及兩路直流穩(wěn)壓電源與一路直流穩(wěn)流電源，電源較多，實(shí)驗(yàn)不方便?？紤]到單獨(dú)一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只涉及其中兩路電源，那么，在電路板上增加直流電壓至恒流電源的轉(zhuǎn)換電路，就可以由一臺(tái)直流穩(wěn)壓電源的兩路輸出給該實(shí)驗(yàn)板供電。

3)實(shí)驗(yàn)電路可重構(gòu)

普通的實(shí)驗(yàn)板或?qū)嶒?yàn)箱，不但電路結(jié)構(gòu)固定，而且元器件也固定，不可更換，或只能在有限的幾個(gè)規(guī)格內(nèi)選擇，這樣不利于設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)開(kāi)展。為了克服這一缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)時(shí)，考慮元器件應(yīng)可以根據(jù)需要而方便地進(jìn)行更換，同時(shí)，使電路板又不會(huì)因此而增加體積和不緊湊，還要操作方便。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，在需由學(xué)生設(shè)計(jì)的部位采用測(cè)試針結(jié)構(gòu)來(lái)安插元器件，實(shí)驗(yàn)時(shí)只要把元器件的管腳插入測(cè)試針的孔中即可，這樣便于學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)按自己的設(shè)計(jì)需要來(lái)安裝元器件。在實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)上，在需要由學(xué)生自己決定電路結(jié)構(gòu)與連接的地方，我們安裝了排針，學(xué)生可用跳線塊或跳線來(lái)搭建自己的實(shí)驗(yàn)電路。例如，在如圖1所示的實(shí)驗(yàn)板上，通過(guò)用跳線塊和跳線，可以連接出多個(gè)不同的多級(jí)放大電路。

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在電子電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)I、II課程的教學(xué)中已使用了三輪，選課學(xué)生每輪300名左右。從實(shí)驗(yàn)效果看，學(xué)生能獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程中訓(xùn)練了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使他們學(xué)會(huì)了全方位看問(wèn)題，大大增強(qiáng)了學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)于實(shí)際工程的能力、自主創(chuàng)新的能力，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目的。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告的心得體會(huì)中對(duì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)給予了很好的評(píng)價(jià)。很多學(xué)生認(rèn)為，使用本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，需要在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行充分預(yù)習(xí)，設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案，是真正意義上的學(xué)生自主設(shè)計(jì)型電子電路實(shí)驗(yàn)，自己的能力在實(shí)驗(yàn)中得到訓(xùn)練與展示，當(dāng)完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，都很有成就感和自豪感。

[1] 于慧敏，黃愛(ài)蘋(píng)，章獻(xiàn)民，等. 信息與通信工程特色專(zhuān)業(yè)教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(3)：96-97，100.

[2] 楊冬曉，嚴(yán)曉浪，于慧敏. 信息類(lèi)特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)的若干實(shí)踐[J].中國(guó)電子教育，2010(1)：38-45.

[3] 張珂，朱廣偉，詹雯. 多功能電子電路實(shí)驗(yàn)箱的開(kāi)發(fā)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(22)：1-2.

[4] 張遠(yuǎn)岐，任茂林，劉國(guó)昌. 電路模擬數(shù)字綜合實(shí)驗(yàn)箱的研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000，19(5)：79-83.

[5] 劉小艷，金平，張尊僑.EC-I 電子電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(6)：61-63.

[6] 王革思，謝紅，王松武.電子電路虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2010，8(1)：93-96.

[7] 羅杰，高潔，謝世輝，等. 關(guān)于修訂《電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》教材的想法與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(3)：48-49,76.

[8] 葉輕舟，陳健. 模擬電子電路“虛”“實(shí)”結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案的設(shè)計(jì)[J].電子科技，2010，23(1)：104-106.

Development of the Electric and Electronic Circuit Experimental System

LI Xihua, SHI Hongjun， YE Xianfeng

(Department of Information Science and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

On the basis of demand of the new Electronic Circuit Experiment course and our teaching experience, a new electronic circuit experimental system was developed for basic electronic circuit experiment teaching. Compared with those traditional experimental systems, this system embodies the flexibility of experiments and the self-design processing and exploring investigation are specially emphasized. So it is suitable for designing-based and exploring-based experiments. With this system, the students’ enthusiasm and initiative may be stimulated, and their ability of using integrated knowledge to analyze and solve practical engineering problems, as well as the capacity for independent innovation can be promoted. The system has been applied in the experimental teaching of electronic circuit course for undergraduates in information and electronic engineering department of Zhejiang University. The practice shows good teaching effect has been achieved. Good appraise from the students for this experimental system are also obtained.

electronic circuit experiment; experimental system; experimental teaching; independent experiment

2014-02-24；修改日期: 2014-03-20

浙江省高等教育學(xué)會(huì)高校實(shí)驗(yàn)室工作研究基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(Z201214);浙江省2013年高等教育課堂教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目(kg2013032)。

李錫華(1962-)，男，碩士，副教授。主要從事本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與改革和實(shí)驗(yàn)室管理工作。

TN710；G642.423

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.019