阮國(guó)龍， 李忠明， 李和平， 王九云

(湖北科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 湖北 咸寧， 437100)

?

電子信息模塊化開(kāi)放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

阮國(guó)龍， 李忠明， 李和平， 王九云

(湖北科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 湖北 咸寧， 437100)

摘要：本文針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱嬖诘娜毕?，提出了一種模塊化多層次開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)主要由通用基礎(chǔ)平臺(tái)和各實(shí)驗(yàn)?zāi)K資源板組成。本文主要介紹了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)資源板的功能需求及設(shè)計(jì)方案，并以信號(hào)產(chǎn)生運(yùn)算模塊為例，具體介紹了單元模塊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及單元板設(shè)計(jì)方法，最后總結(jié)了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：電子信息；模塊化；開(kāi)放式；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

0引言

在對(duì)理工科學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)上，多年來(lái)，實(shí)驗(yàn)箱以其集成度高、使用方便等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，受到大多數(shù)高校的青睞。但多年的實(shí)踐證明，采用實(shí)驗(yàn)箱外加信號(hào)源、示波器、穩(wěn)壓電源以及一些輔助儀器的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，也存在著一些致命的弱點(diǎn)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性難以發(fā)揮，實(shí)驗(yàn)箱維護(hù)較為困難，學(xué)生綜合實(shí)踐能力難以得到培養(yǎng)等等。因此，部分高校近幾年來(lái)又開(kāi)始提出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锏男枨蟆?/p>

我院在實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中從精選教學(xué)內(nèi)容，重組知識(shí)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建合理的實(shí)踐課程體系著手，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革，并在此基礎(chǔ)上引進(jìn)新技術(shù)、新方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種可擴(kuò)展性強(qiáng)、模塊化、開(kāi)放式，能滿足不同層次、不同專業(yè)需要，而且攜帶方便，不受時(shí)空限制的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐平臺(tái)[1-2]。從而解決了上述面臨的困惑。

1實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐平臺(tái)設(shè)計(jì)要求

實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐平臺(tái)由兩部分組成，即通用基礎(chǔ)平臺(tái)和各實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板。它們一起放入一個(gè)定制的便攜實(shí)驗(yàn)箱中，既方便攜帶，又使實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受時(shí)間和空間限制。

通用基礎(chǔ)平臺(tái)：平臺(tái)具有簡(jiǎn)易性、開(kāi)放性、通用性和靈活性等特點(diǎn)，是一個(gè)支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐的通用實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練母板工作臺(tái)，工作臺(tái)上裝設(shè)有支撐學(xué)生從事實(shí)驗(yàn)單元訓(xùn)練的資源，學(xué)生只需按照規(guī)范定義實(shí)驗(yàn)單元的結(jié)構(gòu)，隨時(shí)隨地都可以做設(shè)計(jì)、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)電路，不需單一依賴實(shí)驗(yàn)室；工作臺(tái)配置的資源靈活、規(guī)范和擴(kuò)展性強(qiáng)，還可以適應(yīng)綜合性設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，也可以作為課外創(chuàng)新實(shí)踐和各種學(xué)科競(jìng)賽的訓(xùn)練平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板：其組合可適應(yīng)不同層次和要求，具有綜合性和創(chuàng)新性。層次上包括基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、提高與拓展性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、研究與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須全部完成，提高與拓展性實(shí)驗(yàn)指定內(nèi)容必須完成，應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容限定自選完成，研究與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容鼓勵(lì)自選完成。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和模塊，分別設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)單元板。

2平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

2.1通用基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上通用基礎(chǔ)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，基礎(chǔ)平臺(tái)應(yīng)能提供不同電平電源的輸出端口、電源短路報(bào)警、自恢復(fù)安全電路等功能，同時(shí)應(yīng)達(dá)到如下要求：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、牢固，使用壽命長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性好；

(2)通用性強(qiáng)，適應(yīng)電路理論、電子技術(shù)基礎(chǔ)、信號(hào)與系統(tǒng)、高頻電子線路、微機(jī)原理與單片機(jī)、通信原理、自動(dòng)控制原理等電子信息類專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)方向課程的實(shí)踐教學(xué)；

(3)擴(kuò)展性好，適應(yīng)綜合性設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外創(chuàng)新實(shí)踐和各種學(xué)科競(jìng)賽；

(4)可靠性和安全性高；

(5)端口開(kāi)放、靈活，標(biāo)注準(zhǔn)確、清晰。

通用基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案和工作面板如圖1和圖2所示。

面板上具有4個(gè)信號(hào)輸入IN端子、4個(gè)信號(hào)輸出OUT端子、電源饋電輸入端子、電源饋電輸出端子、電源開(kāi)關(guān)SW、專用LED指示器、通用LED指示器、SP喇叭、W電位器、USB外接端口、A-JACK音頻外接端口、可調(diào)直流信號(hào)源、P+、P-電源輸入防錯(cuò)接電路、過(guò)載保護(hù)電路、電源過(guò)載報(bào)警電路、OUT+5 V、OUT+3.3 V電源防錯(cuò)接電路、過(guò)載保護(hù)電路、電源過(guò)載報(bào)警電路、實(shí)驗(yàn)單元防錯(cuò)誤插入電路以及雙排針狀連接器等。

圖1　通用基礎(chǔ)平臺(tái)方案框圖

圖2　通用基礎(chǔ)平臺(tái)工作面板設(shè)計(jì)圖

2.2實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板的設(shè)計(jì)

1)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程群

按知識(shí)系統(tǒng)性原則，我們對(duì)電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重組，構(gòu)建了包含“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“數(shù)字電路與微機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“信號(hào)與信息處理實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“控制原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”、“電子信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”等7門相對(duì)獨(dú)立的完全學(xué)分制的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程群[3]。每門實(shí)驗(yàn)課程按知識(shí)和能力系統(tǒng)培養(yǎng)原則設(shè)計(jì)為模塊化結(jié)構(gòu)，如“電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐”課程包含信號(hào)放大、電源電路、信號(hào)變換、信號(hào)傳輸、信號(hào)產(chǎn)生與運(yùn)算等模塊。

每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊包含若干教學(xué)單元，每個(gè)教學(xué)單元都有基礎(chǔ)、提高、應(yīng)用、創(chuàng)新性四層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，重組后的課程群體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程群體系結(jié)構(gòu)

2)實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板

根據(jù)各實(shí)驗(yàn)課程不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單元板，每個(gè)單元板又分為核心單元板和拓展單元板，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)、提高、應(yīng)用和創(chuàng)新四個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)，提供給不同專業(yè)、不同層次的學(xué)生選用。

(1)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)—模塊核心資源應(yīng)該全部支持，學(xué)生僅需按照實(shí)驗(yàn)要求搭建電路，即可完成必須實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

(2)提高性實(shí)驗(yàn)—要求在充分利用模塊資源的基礎(chǔ)上，再在模塊提高、拓展區(qū)域內(nèi)按照自己的設(shè)計(jì)裝配電路，完成指定的內(nèi)容。

(3)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)—要求在充分利用模塊資源和提高拓展性實(shí)驗(yàn)已構(gòu)建完成資源的基礎(chǔ)上，在模塊提高拓展區(qū)域或在自己制作的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)單元區(qū)制作按照應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)題目要求，自己設(shè)計(jì)裝配電路，完成指定內(nèi)容。

(4)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)—設(shè)計(jì)并制作新實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板來(lái)驗(yàn)證理論或觀點(diǎn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象或數(shù)據(jù)進(jìn)行理論詮釋或歸納并提出觀點(diǎn)。

各實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板應(yīng)按通用基礎(chǔ)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)制作；單元板設(shè)計(jì)要能涵蓋基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，支持提高、應(yīng)用及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；要集關(guān)鍵元件、經(jīng)典電路、器件和部件于一體，便于學(xué)生構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)；要按教學(xué)內(nèi)容中最高參數(shù)要求選用元件、電路、器件；設(shè)立提高和拓展性實(shí)驗(yàn)區(qū)域。

核心單元板和拓展單元板設(shè)計(jì)方案如圖4和圖5所示。單元板PCB圖和3D實(shí)物圖如圖6和圖7所示.各單元板采用統(tǒng)一型號(hào)和規(guī)格，兩邊用排針實(shí)現(xiàn)與通用基礎(chǔ)平臺(tái)的連接，多個(gè)實(shí)驗(yàn)單元模塊板可層疊起來(lái)配合使用。

圖4　核心單元板設(shè)計(jì)方案圖

圖5　拓展實(shí)驗(yàn)板設(shè)計(jì)方案圖

圖6　單元板PCB圖

圖7　單元板3D圖

2.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)置于一個(gè)便攜式手提箱內(nèi)，箱蓋上裝入通用基礎(chǔ)平臺(tái)，箱體內(nèi)放入各實(shí)驗(yàn)?zāi)K單元板和常用工具。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展性好，實(shí)用性強(qiáng)，攜帶方便；平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊相對(duì)獨(dú)立，重復(fù)利用率高；實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間限制，不僅應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)，也可作為綜合性設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、課外創(chuàng)新實(shí)踐和學(xué)科競(jìng)賽的訓(xùn)練平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放。

3結(jié)語(yǔ)

新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)拔尖創(chuàng)新人才實(shí)驗(yàn)班已試用三年，每屆學(xué)生30-35人，去年電子信息專業(yè)普通班也開(kāi)始試用，新增使用人數(shù)68位。每個(gè)模塊的實(shí)驗(yàn)，均由學(xué)生自己完成，單人單組，不重復(fù)利用。共同所需的基本器材由實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一采購(gòu)，擴(kuò)展部分則由學(xué)生承擔(dān)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生一般需承擔(dān)300到400元的器材費(fèi)，但所有權(quán)歸學(xué)生個(gè)人所有，實(shí)驗(yàn)完畢后所有模塊單元板由學(xué)生自己保管，可用于學(xué)科競(jìng)賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)及課外科技創(chuàng)新活動(dòng)。學(xué)生找工作或研究生復(fù)試時(shí)，可將該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和部分自己做的模塊單元板帶到現(xiàn)場(chǎng)展示，這樣可大大改善面試效果。所以，盡管學(xué)生自己承擔(dān)了部分器件費(fèi)用，但因所有權(quán)屬于學(xué)生，所以學(xué)生也很樂(lè)意。根據(jù)師生反映，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在多方面取得了良好效果，具體如下：

(1)師生對(duì)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐教學(xué)的重視程度明顯加大。

(2)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力得到大大提高。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上學(xué)生自我管理、自我維護(hù)、自我擴(kuò)展，有利于綜合性、設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

(3)實(shí)驗(yàn)效率得以大大提高。學(xué)生實(shí)驗(yàn)不局限于在實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)可在課外隨處準(zhǔn)備和完成。

(4)學(xué)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力得到大大增強(qiáng)。學(xué)生帶著自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)板的實(shí)驗(yàn)箱參加應(yīng)聘，可為自己成功就業(yè)增色。

(5)降低了辦學(xué)成本，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，提高了學(xué)校管理效益和教學(xué)資源的利用率。

參考文獻(xiàn):

[1]杜月林. 構(gòu)建多層次全方位實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2013, 32(2):202-204.

[2]阮國(guó)龍, 李忠明等. 電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)新體系的構(gòu)建與實(shí)踐[J]. 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2014,36(3):112-114.

[3]王春興. 電子信息專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程體系改革與創(chuàng)新人才培養(yǎng)[J]. 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011, 28(8):136-138.

[4]邸馗, 籍亞玲等. 開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)的探索與實(shí)踐[J]. 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2013, 30(1):15-18.

[5]胡建鵬, 張雅丹. 應(yīng)用型高校多層次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)踐[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(12):135-139.

Design of a Modular and Open Innovative Experiment Platform for Electronic Information

RUAN Guo-long, LI Zhong-ming, LI He-ping, WANG Jiu-yun

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,HubeiUniversityofScience&Technology,Xianning437100,China)

Abstract:An experimental teaching platform with modular, multilevel and open type is proposed in this paper aiming at solving the defects of the traditional experimental box mode and it is mainly composed of the common basic platform and the experimental resource board. This paper chiefly investigates the functional requirements and design projects of the basic platform and resource board. Furthermore, the signal computation module is taken as an example to elaborate on the experimental teaching content of the cell module and the method of the cell plate design, and finally the application effect of the experimental platform is also summarized.

Keywords:electronic information; modularity; open type; experiment platform

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-0686(2016)01-0125-04

中圖分類號(hào)：G642.0

基金項(xiàng)目：湖北省高校教學(xué)研究項(xiàng)目(2011002)；湖北科技學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2014-XA-006)

收稿日期:2015-04-15;修回日期:2015-10-08

第一作者：阮國(guó)龍(1971-)，男，碩士，副教授，主要從事電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)方面的教學(xué)與研究工作。E-mail: ruangl@126.com