劉建成，徐 偉

(南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 南京 210044)

2017年5月國(guó)家主席習(xí)近平主持的中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第三十五次會(huì)議通過《關(guān)于深化教育體制機(jī)制改革的意見》，提出了“注重培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)發(fā)展、創(chuàng)新性思維、適應(yīng)時(shí)代要求的關(guān)鍵能力”。如何培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，有實(shí)踐創(chuàng)新能力，善于學(xué)習(xí)和思考的人才是高校探究人才培養(yǎng)模式的重要課題，前人在此方面做了大量探索。其中，使用綜合類課程提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力成為重要措施[1-4]。

電子類專業(yè)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的改革思路主要有以下幾類：

1)引入項(xiàng)目管理思想，以提高學(xué)生實(shí)踐能力為主。將已有課程進(jìn)行理論與實(shí)踐的整合，分學(xué)期進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)習(xí)[5-6]；

2)以啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新為主，引入基于問題的學(xué)習(xí)。在教學(xué)方法、教學(xué)手段和考核中引入問題學(xué)習(xí)模式，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力[7-9]；

3)問題導(dǎo)向型課程學(xué)習(xí)方式[10-12]，在教學(xué)中碰到問題，及時(shí)處理問題。

本文介紹的技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)探索兼顧了實(shí)踐能力培養(yǎng)和理論創(chuàng)新，是多年實(shí)踐教學(xué)改革過程中提煉出來的教學(xué)方法。

1 技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)方法

南京信息工程大學(xué)的電子信息工程專業(yè)近十年發(fā)展非常迅速，在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽方面，由2011年全國(guó)排名200名左右，躍升為2015年的全國(guó)第20位、2017年的全國(guó)第30位。成績(jī)的取得離不開教師和學(xué)生的努力，同時(shí)，也得益于恰當(dāng)?shù)膶?shí)踐教學(xué)方法。下面對(duì)學(xué)校綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中采用的技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)原則和實(shí)施方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.1 技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)原則

實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)決定實(shí)踐教學(xué)的原則和方法，下面分析技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施原則。

1)實(shí)踐路徑選擇不影響實(shí)驗(yàn)成績(jī)。

技術(shù)路徑多樣化實(shí)踐教學(xué)的關(guān)鍵是提供多種實(shí)現(xiàn)路徑。學(xué)生可以任意選擇其中的一種路徑進(jìn)行實(shí)習(xí)，實(shí)驗(yàn)成績(jī)與實(shí)踐路徑選擇無關(guān)。保障學(xué)生能夠自主、無政策導(dǎo)向的選擇技術(shù)方案。在“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下，信息技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，不同技術(shù)有不同的優(yōu)點(diǎn)和適用領(lǐng)域。如果根據(jù)教師喜好，傳授學(xué)生某一類技術(shù)而忽視其他技術(shù)，不符合“互聯(lián)網(wǎng)+”的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，也不利于學(xué)生思考和判斷能力的提升。

2)實(shí)踐路徑選擇需要有理論支撐。

選擇任何一種實(shí)驗(yàn)路徑，學(xué)生均需要提供該路徑的技術(shù)選擇依據(jù)。即該路徑與其他路徑相比，在時(shí)間復(fù)雜度、算法復(fù)雜度、成本等方面的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)、適用性、支撐理論等。學(xué)生通過對(duì)支撐理論的思考，完成了理論與實(shí)踐的融合，使其充分認(rèn)識(shí)到理論的重要性，為其終身學(xué)習(xí)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3)實(shí)驗(yàn)考核秉承公開、透明、及時(shí)的原則。

采用這一原則目的主要是培養(yǎng)學(xué)生的社交習(xí)慣，減少各種尋租行為發(fā)生的可能性，及時(shí)完成對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與反饋工作。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行公開評(píng)價(jià)，能夠使學(xué)生了解到不同技術(shù)路徑實(shí)現(xiàn)的方式以及可能存在的問題，使學(xué)生今后碰到類似問題時(shí)，可以有多種選擇。

堅(jiān)持以上原則，可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)，有實(shí)踐創(chuàng)新能力，善于學(xué)習(xí)和思考的高素質(zhì)復(fù)合型人才。

1.2 實(shí)施方法

采取技術(shù)路經(jīng)多樣化的實(shí)踐教學(xué)方法與學(xué)校的支持密不可分，學(xué)校建立了3個(gè)全開放實(shí)驗(yàn)室提供軟硬件支撐。學(xué)院在電子類專業(yè)三年級(jí)學(xué)生中開設(shè)綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐課程，采用技術(shù)路經(jīng)多樣化的實(shí)踐教學(xué)方法，該方法包括以下幾個(gè)方面：

1)項(xiàng)目技術(shù)路經(jīng)提示。

本科生階段一般以知識(shí)學(xué)習(xí)為主，在有限的時(shí)間內(nèi)，為了避免學(xué)生在技術(shù)路經(jīng)選擇上浪費(fèi)過多時(shí)間，教師會(huì)給出幾條可行的技術(shù)路線。建設(shè)優(yōu)秀的實(shí)踐項(xiàng)目是專業(yè)課程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。學(xué)院組織專家論證設(shè)計(jì)了一批具有一定的綜合性、創(chuàng)新性和系統(tǒng)性的實(shí)踐項(xiàng)目，并給出多條實(shí)現(xiàn)路徑。新增項(xiàng)目需要經(jīng)過專家論證方可進(jìn)入項(xiàng)目庫(kù)。項(xiàng)目的來源主要有：電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽命題和大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化，如程控信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)、數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)等；教師的科研項(xiàng)目和科研成果的轉(zhuǎn)化，如簡(jiǎn)易氣象參數(shù)測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)；本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)化，如多點(diǎn)溫度測(cè)量?jī)x。

2)學(xué)生對(duì)所選擇的技術(shù)路經(jīng)進(jìn)行理論分析和實(shí)踐。

學(xué)生完成該課程需要經(jīng)過三個(gè)階段：首先分析項(xiàng)目技術(shù)難點(diǎn)，學(xué)習(xí)補(bǔ)充知識(shí)，尋找實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)途徑；其次搭建研究、實(shí)踐環(huán)境條件，通過系統(tǒng)規(guī)劃、電路設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化、實(shí)物搭接調(diào)試完成項(xiàng)目；最后撰寫總結(jié)報(bào)告及答辯。

3)師生共同評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)中，師生關(guān)系更像是企業(yè)和投資人的關(guān)系。學(xué)生需要闡述理論、展示實(shí)驗(yàn)成果，說服教師給予更高的評(píng)價(jià)。在結(jié)果分析、答辯、評(píng)講及交流過程中，教師可以綜合評(píng)價(jià)學(xué)生的科研潛力，以便于進(jìn)一步培養(yǎng)。例如，建議其參加電子設(shè)計(jì)大賽、參與到教師課題組中和報(bào)考研究生等。

2 實(shí)踐項(xiàng)目案例-程控信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

本教學(xué)項(xiàng)目案例要求設(shè)計(jì)并制作程控信號(hào)發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波信號(hào)幅度和頻率的步進(jìn)控制，輸出信號(hào)的頻率和幅度均采用鍵盤輸入控制，并在液晶上實(shí)時(shí)顯示。該案例需要學(xué)生查閱資料，掌握新知識(shí)、新技術(shù)，選擇合適的新器件。完成該項(xiàng)目需要應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)、DDS原理與控制、LCD12864液晶顯示、運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)、程控放大器設(shè)計(jì)、衰減電路設(shè)計(jì)、幅度檢測(cè)以及電壓的閉環(huán)輸出控制，同時(shí)還需輔以Multisim和Altium Designer才能完成該項(xiàng)目。該項(xiàng)目案例來源于全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的賽題。

2.1 參數(shù)要求

利用單片機(jī)控制DDS模塊輸出信號(hào)的頻率，利用衰減電路及程控放大電路調(diào)理輸出電壓幅度。同時(shí)利用AGC對(duì)輸出電壓實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以提高輸出電壓的精度。具體功能及參數(shù)要求如下。

1)正弦波輸出頻率范圍：10Hz～1MHz；

2)具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)值可通過鍵盤設(shè)定；

3)輸出電壓幅度：在50Ω負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值范圍為0.01V≤Vopp≤4.00V；

4)能顯示輸出信號(hào)的頻率、步進(jìn)值和幅度；

5)輸出幅度通過鍵盤輸入：誤差小于2mV。

2.2 實(shí)踐方案

程控信號(hào)發(fā)生器的參考框圖如圖1所示，各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)參考方案如表1所示，學(xué)生根據(jù)自身掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)選擇不同的實(shí)現(xiàn)方法。

圖1 程控信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)框圖

序號(hào)功能模塊實(shí)現(xiàn)功能實(shí)驗(yàn)方案1單片機(jī)主控制器STC12C52、MSP430F169、STM32單片機(jī)2DDS模塊信號(hào)產(chǎn)生AD9834、AD9850、AD98513減法電路去掉DDS輸出信號(hào)中直流分量差分電路、同相加法、反向加法4衰減電路將減法電路輸出信號(hào)分檔衰減繼電器衰減,電子開關(guān)衰減如LMH65745程控放大由單片機(jī)DA實(shí)現(xiàn)程控放大芯片采用AD603、VCA810、VCA820等6信號(hào)調(diào)理將單片機(jī)DA輸出調(diào)整為合適的電壓控制程控放大器減法電路、同相加法、反向加法7輸出電路為負(fù)載提供較大的輸出電流芯片采用BUF634、THS3091、THS3096等8幅度檢測(cè)將輸出電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓采用LTC1966、AD637等專用幅度檢測(cè)集成芯片或采用分立元器件構(gòu)成9顯示模塊顯示輸出電壓、輸出頻率等參數(shù)采用LCD1206、LCD12864或數(shù)碼管等顯示

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)選定后查閱相關(guān)資料，經(jīng)過方案論證和仿真后，方可進(jìn)行實(shí)物制作。如幅度檢測(cè)可以采用專用集成電路LTC1966、AD637和分立元件實(shí)現(xiàn)。

1)方案一 ——采用專用集成電路LTC1966實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)。

LTC1966采用ΔΣ計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RMS至DC轉(zhuǎn)換，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器相比具有應(yīng)用簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度更高和功耗更低。該芯片可以采用單端輸入或差動(dòng)輸入信號(hào)，輸入信號(hào)帶寬為800kHz(-3dB),轉(zhuǎn)換誤差為±1.6kHz左右。實(shí)現(xiàn)參考電路如圖2所示。

圖2 LTC1966實(shí)現(xiàn)RMS至DC轉(zhuǎn)換電路

2)方案二——采用專用集成電路AD637實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)。

AD637是AD公司RMS-DC產(chǎn)品中精度最高、帶寬最寬的交直流轉(zhuǎn)換電路，對(duì)于1VRMS的信號(hào)，它的3dB帶寬為8MHz，它能計(jì)算任何復(fù)雜波形的真有效值。實(shí)現(xiàn)參考電路如圖3所示。

圖3 AD637實(shí)現(xiàn)RMS至DC轉(zhuǎn)換電路

3)方案三——采用分立元件實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)。

采用分立元件實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)電路如圖4所示。U1運(yùn)放構(gòu)成減法電路將輸入信號(hào)抬高1V;D1、C1構(gòu)成峰值檢測(cè)電路；Q1為C1放電回路，其導(dǎo)通時(shí)間由V1控制，V1為占空比1‰的脈沖波信號(hào)源，頻率為1Hz。

圖4 分立元件實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)電路

上述3種方案均可實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)，LTC1966構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是頻率高于200kHz時(shí)存在較大誤差，需要通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正；AD637構(gòu)成的電路精度較高，頻率也能滿足要求，但是在幅度較小時(shí)，存在一定誤差，需要通過單片機(jī)進(jìn)行幅度修正；采用分立元件構(gòu)成的電路比較復(fù)雜，但是通用性較強(qiáng)，性價(jià)比較高。上述三種電路幅頻特性曲線如圖5所示，I/O特性曲線如圖6所示。

圖5 Vi=1 Vpk時(shí)的幅頻特性曲線

圖6 頻率f=1 kHz時(shí)I/O特性曲線

近三年選擇LTC1966實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)的學(xué)生占22%，選擇AD637實(shí)現(xiàn)RMS至DC轉(zhuǎn)換電路的占36%，選擇分立元件實(shí)現(xiàn)幅度檢測(cè)的學(xué)生占42%。圖7為學(xué)生課程設(shè)計(jì)作品圖。

圖7 學(xué)生課程設(shè)計(jì)作品圖

3 教學(xué)效果

學(xué)校電子類專業(yè)自2103年采用項(xiàng)目教學(xué)法進(jìn)行綜合電子設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法以來，取得了很好的效果。

1)通過綜合電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生的綜合素質(zhì)得到了提高。通過完成一個(gè)以工程項(xiàng)目為背景的電子系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)與實(shí)踐、創(chuàng)新思維的能力，并達(dá)到提高學(xué)生的知識(shí)綜合運(yùn)用能力、表達(dá)能力、寫作能力。

2)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽成績(jī)顯著提高。課程設(shè)計(jì)采用分組合作教學(xué)的方式，不同學(xué)生在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同方向上得到了深入的訓(xùn)練，在電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中將不同能力的3名學(xué)生組隊(duì)，競(jìng)賽成績(jī)得到顯著提高。表2為2013年以來取得的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽成績(jī)。學(xué)生參賽獲獎(jiǎng)比例均在95%以上。

表2 2013年以來取得的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽成績(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

我校電子信息工程國(guó)家級(jí)特色專業(yè)和江蘇省電子信息工程品牌專業(yè)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)證明，在綜合電子設(shè)計(jì)課程中采用路徑多樣化的教學(xué)法已取得了良好的效果。在整個(gè)教學(xué)過程中，不僅提高了學(xué)生專業(yè)技能和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且培養(yǎng)了其分析問題、解決問題的能力，為學(xué)生的后續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。