張 皓 / 遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院

全開放資源式電子實訓(xùn)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用研究

張 皓 / 遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院

在電子類課程體系中，以“電子技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)”等電子專業(yè)課程為代表，學(xué)生普遍反映這些電子類課程入門門檻較高，元器件種類繁多復(fù)雜，尤其是對于初學(xué)者來說無從下手，較難掌握這類課程的相關(guān)電路原理。為此本文構(gòu)建出一套全開放資源式電子實訓(xùn)教學(xué)平臺開展實訓(xùn)教學(xué)，使學(xué)生敢于邁出學(xué)習(xí)電子的第一步，步入電子設(shè)計的大門，激發(fā)出學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。實踐應(yīng)用表明該平臺的實施取得了較好的教學(xué)效果。

全開放；電子課程；實訓(xùn)平臺；教學(xué)

在電子類課程體系中，以“電子技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)”等電子專業(yè)課程為代表貫穿與于電子類課程，這些課程在具體教學(xué)、技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用中有眾多的相似之處，幾乎所有電子課程實訓(xùn)都要經(jīng)過方案制定、原理圖設(shè)計、電路搭建、調(diào)試、分析、測試，甚至編程。因此有必要對此類課程群構(gòu)建出一套統(tǒng)一的實訓(xùn)教學(xué)平臺。

一、電子課程群實訓(xùn)平臺概述

通過在該平臺的實訓(xùn)教學(xué)可以提高教學(xué)效率，加強教學(xué)交流，讓學(xué)生從橫向上掌握每門課程的理論基礎(chǔ)及快速開發(fā)電路設(shè)計，從縱向上讓學(xué)生在這些課程學(xué)習(xí)的過程中理解它們之間的關(guān)聯(lián)與區(qū)別，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，并借助工程的實踐項目培養(yǎng)學(xué)生從工程性角度，以工程性思維，發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新實踐意識，幫助學(xué)生在畢業(yè)前初步具備應(yīng)用電子設(shè)計技術(shù)進行設(shè)備維護、電路改進及相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用創(chuàng)新的能力。

二、全開放資源式電子實訓(xùn)平臺的特點與使用

目前高職電子院校實訓(xùn)教學(xué)平臺大致：萬用板、實驗箱、開發(fā)板、實驗柜、仿真軟件。雖然這些實訓(xùn)教學(xué)平臺各有特色，若能夠合理利用可以達到不錯的學(xué)習(xí)效果，但是這些實訓(xùn)平臺的弊端在教師實施教學(xué)的過程中也日益明顯。作為90后的大學(xué)生，針對他們共同的聲色犬馬的特點，我們非常有必要去研究一種既能夠提升學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生從此喜歡上電子設(shè)計，又能讓學(xué)生快速入門掌握電子電路設(shè)計、分析、調(diào)試等企業(yè)所需要的電子技能的一種實訓(xùn)教學(xué)平臺。這恰恰符合學(xué)校教學(xué)的根本目標:培養(yǎng)學(xué)生的優(yōu)秀學(xué)習(xí)習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，帶領(lǐng)學(xué)生進入知識的大門，為學(xué)生未來的進一步學(xué)習(xí)提供基礎(chǔ)保障。

(一)、全開放資源電子實訓(xùn)平臺的結(jié)構(gòu)

全開放資源電子實訓(xùn)平臺包括硬件平臺和軟件平臺，硬件平臺設(shè)計與集成了適合各類電子課程的實訓(xùn)平臺，其結(jié)構(gòu)包括底座、電池盒接線端子、電源模塊、單片機模塊、電子元件與傳感器模塊插接平臺，軟件平臺設(shè)計了單片機課程相關(guān)程序模塊，其硬件平臺如圖所示:

圖1 全開放資源式實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)

其中平臺上電源模塊輸入電壓為9V-12V直流電源，輸出為5V與12V，自帶電源開關(guān)，采用AMS1117轉(zhuǎn)5V穩(wěn)壓芯片輸出5V電源為單片機模塊供電，集成USB接口方便與電腦連接，可直接為外圍電路提供5V電源。模塊將5V與12V電源通過排針引出，并帶有反接保護二極管和短路保護自恢復(fù)保險。其原理圖如圖所示:

圖2 電源模塊電路

單片機模塊采用教學(xué)常用單片機芯片STC12C5A60S2，為了節(jié)省空間，控制器采用貼片式設(shè)計體積更小，集成了單片機最小系統(tǒng)與CH430USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動下載芯片，學(xué)生無需連接專用USB仿真下載器，直接將USB電源線插入筆記本即可完成程序下載。其驅(qū)動部分原理圖如圖3所示:

圖3 程序下載驅(qū)動模塊電路

(二) 實訓(xùn)平臺的特點

該實訓(xùn)平臺結(jié)構(gòu)簡單，美觀大方，成本低廉，維護方便，電子元器件全程無需焊接，全部使用插接式元件，可重復(fù)使用性強，導(dǎo)線全部為雙頭插針式彩虹線，電路連接安全方便，修改電路高效靈活，示波器調(diào)試簡單可靠，非常適合高職院校學(xué)生初學(xué)者學(xué)習(xí)電路設(shè)計制作、實驗使用。對于大型電路實驗時，只需將多個平臺拼接即可實現(xiàn)平臺的擴展。平臺幾乎可以完成電子技術(shù)、模擬電子、數(shù)字電子、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)等相關(guān)電子類課程的理論教學(xué)、隨堂實驗、綜合實訓(xùn)與平時考核等教學(xué)內(nèi)容，具有極強的通用性。平臺體積小巧，學(xué)生也可在背包里隨身攜帶將實驗平臺帶出課堂隨時隨地學(xué)習(xí)使用，實現(xiàn)口袋式實驗，碎片化學(xué)習(xí)，進一步擴大了學(xué)生的學(xué)習(xí)空間。

(三) 實訓(xùn)平臺的使用

全資源開放實訓(xùn)平臺全程無需焊接，在進行相關(guān)電子類課程實驗時，通過實訓(xùn)平臺本身的5連孔連通電氣連接特點，按照實驗電路原理圖，準備好實驗所需電子元器件，然后盡量按照原理圖元件的布局，自行將電阻、電容、電感、LED、各類芯片或傳感器模塊插入平臺上的標準2.54mm間距插孔，再利用雙頭插針式彩紅線或者硬質(zhì)面包線連接好相關(guān)電子元器件，在學(xué)生連線的過程中即可完成相關(guān)電子元器件的使用和整個電路結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)。其中單片機課程實驗時，由于平臺已集成了單片機模塊和CH430驅(qū)動模塊，而且4組IO口所有引腳已通過4種不同顏色的硬質(zhì)面包線引出并固定于開發(fā)平臺上以方便學(xué)生快速區(qū)分引腳，因此學(xué)生無需焊接單片機最小系統(tǒng)和連接USB程序下載器，實驗時只要將需要連接的引腳或外圍電路按照硬質(zhì)面包線顏色利用軟質(zhì)雙頭插針彩虹線或硬質(zhì)面包線飛線接入元器件，再以軟件平臺的程序模塊為基礎(chǔ)修改相關(guān)參數(shù)后，將一條USB數(shù)據(jù)線接入電腦即可完成整個電路的接線與程序的下載，簡單而實用。經(jīng)筆者實驗即使是較為龐大復(fù)雜的電路，如果認真熟練的話1個小時足可以完成整個電路的實驗。

三、全開放資源實訓(xùn)教學(xué)平臺的應(yīng)用

全開放資源實訓(xùn)平臺課程覆蓋性強，幾乎可以涵蓋高職院校所有電子類課程，在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，是學(xué)生學(xué)習(xí)電子課程入門的有效輔助工具。

(一) 理論教學(xué)的應(yīng)用

借助全開放資源實訓(xùn)平臺小巧可隨身攜帶特點，在進行電子類理論課程教學(xué)時，可將實訓(xùn)平臺帶入課堂，教師在理論知識傳授過程中可隨時搭建實驗電路，邊講邊做，邊做邊教，實現(xiàn)“學(xué)中做，做中學(xué)”理實一體化教學(xué)，及時將抽象問題具體化、將枯燥的理論趣味化，使學(xué)生學(xué)以致用實時將理性知識上升為感性認識，加深學(xué)生對理論知識的理解與鞏固。筆者曾將該平臺應(yīng)用于機械、自動化等班級電工電子課程的理論教學(xué)中，實踐發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生表示對這種實訓(xùn)平臺的相關(guān)實驗產(chǎn)生了濃厚的興趣，積極參與課堂教學(xué)，自主思考問題，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，實踐證明這種平臺在理論課教學(xué)中取得了較好的教學(xué)效果。

(二) 實踐教學(xué)的應(yīng)用

以往的電子類課程實訓(xùn)教學(xué)多以焊接電路板、實驗箱開發(fā)板、仿真軟件這三種實訓(xùn)教學(xué)平臺為主，這些平臺固然有著各自的優(yōu)點，但其缺陷也比較明顯，在長期的實踐教學(xué)過程中筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在焊接電路板過程中，普遍有較大的心理負擔(dān)，生怕電烙鐵加熱時間長過熱導(dǎo)致電阻式絲短路，有較大的安全隱患；實驗箱開發(fā)板硬件固化嚴重、接線過于簡單，幾乎沒有過多的接線就可以輕松完成實驗，學(xué)生普遍感覺“吃不飽”，大多只能驗證實驗現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生無法真正的對底層驅(qū)動電路加以分析理解；仿真軟件盡管接線便捷元件齊全，但仿真程度過強，與實際應(yīng)用脫節(jié)嚴重，不能完全代替實物。對此，全開放資源式電子實訓(xùn)平臺在實踐教學(xué)應(yīng)用中很好的解決了以上電子實訓(xùn)平臺的問題。學(xué)生不必擔(dān)心電烙鐵燒毀短路、維修、元件拆卸麻煩、燙手等問題，學(xué)生可利用彩虹線按照原理圖或自己的思路自由搭接電路，為學(xué)生提供了全開放資源式實驗環(huán)境，開拓了學(xué)生的思維空間，提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識。學(xué)生通過自己或團隊的努力成功的完成了實驗元件的選擇、檢測、原理圖的識圖、實驗電路的搭建、調(diào)試、運行等一系列工作，極大的增強了學(xué)生進一步學(xué)習(xí)的自信心，這種心理上的慰藉對于初學(xué)者來說是非常重要的。不僅如此這種平臺對學(xué)生良好的電子實訓(xùn)習(xí)慣的養(yǎng)成也具有一定的促進作用，盡管平臺可實現(xiàn)無焊接實驗，但其缺陷是元件接觸不良，劇烈振動容易造成元件松動斷路，因此最終的電路元件要落實焊接在PCB板上，以固定元器件。實驗電路首先通過在該平臺的驗證、實驗得到正確的現(xiàn)象后，學(xué)生即可進一步放心大膽的完成PCB板的制作和焊接了，使學(xué)生逐步養(yǎng)成先在平臺上實驗-PCB板制作-焊接元件-調(diào)試-運行這種優(yōu)良的電子實訓(xùn)習(xí)慣，不僅培養(yǎng)了學(xué)生認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，同時有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維結(jié)構(gòu)和能力。

四、結(jié)束語

全開發(fā)資源實訓(xùn)平臺融合了當(dāng)前各類電子開發(fā)平臺的優(yōu)點，取長補短，具有體積小、無需焊接、全部使用軟質(zhì)或硬質(zhì)插針式彩虹線自由連接電路，學(xué)生可快速開發(fā)電路周期短。通過精心設(shè)計對應(yīng)開發(fā)平臺學(xué)生感興趣的實訓(xùn)內(nèi)容，使學(xué)生每完成一個實訓(xùn)項目都能獲得一定的成就感，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心。學(xué)生在連接電路的同時了解硬件電路的底層設(shè)計，加深學(xué)生對電路的原理理解和編寫驅(qū)動程序的能力。進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓更多的學(xué)生喜歡電子，勇于創(chuàng)新，實現(xiàn)社會、企業(yè)對電子行業(yè)創(chuàng)新人才的需求。并為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計、電子設(shè)計大賽提供實用創(chuàng)新性設(shè)計平臺以及實訓(xùn)環(huán)境。

[1]寧武.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽基本技能指導(dǎo)[M].北京：電子工業(yè)出版社.2009.

[2]楊欣.電子設(shè)計從零開始[M].北京:清華大學(xué)出版社.2005.

[3]金國華.單片機課程實踐教學(xué)模式的改革與構(gòu)建[J].實驗科學(xué)與技術(shù).2015.