陳 安 曾思明 劉銀萍

廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部 廣東廣州 510006

廣東工業(yè)大學(xué)電工電子實驗中心從2014年開始，在“盡早綜合運(yùn)用知識、盡早接觸工程實際、盡早開展探索研究”的思想指導(dǎo)下[1,2]，打破傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，在工程教育理念下采用EEPC-CDIO教育教學(xué)模式，對電子信息類卓越工程師班、實踐能力提高班、創(chuàng)新班實踐課程進(jìn)行教學(xué)改革，構(gòu)建一套完整的“強(qiáng)化基礎(chǔ)、重視綜合、提高能力、課外學(xué)習(xí)、不斷創(chuàng)新”的創(chuàng)新實驗教學(xué)新模式，優(yōu)化實驗內(nèi)容。新體系對激發(fā)學(xué)生實驗興趣，提高學(xué)生實踐能力，促進(jìn)實驗教學(xué)改革以及共享優(yōu)質(zhì)實驗教學(xué)資源起到重要作用[3,4]。

1 電工電子實踐課程體系的構(gòu)建

2014年下半年，電工電子實驗中心基本形成了全新的電工電子實踐課程體系，課程體系如圖1所示。本體系由實驗知識方法、模擬電路設(shè)計、數(shù)字電路設(shè)計、綜合系統(tǒng)設(shè)計、課外研學(xué)實踐五個教學(xué)模塊組成。其中，課程體系強(qiáng)調(diào)知識從淺入深、由點到面綜合貫通；實驗內(nèi)容從工程的實際應(yīng)用出發(fā)，從元器件選擇、儀器操作、簡單電路結(jié)構(gòu)設(shè)計、復(fù)雜電路設(shè)計到綜合電路設(shè)計循序漸進(jìn)[5,6]。

圖1 電工電子實踐課程體系

實驗項目的優(yōu)化設(shè)計是電工電子課程體系中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。按照OBE工程認(rèn)證要求[8,9]，編寫了新教材《電工與電子技術(shù)實驗教程》，制訂了新的教學(xué)大綱，設(shè)計開發(fā)了一批新的實驗項目，每個實驗項目分三個層次：基礎(chǔ)型、提高型和開拓型，并把每個實驗項目分配到不同的教學(xué)模塊中。

模塊一：以常用電工電子儀器操作、元器件識別及參數(shù)測量及電容電壓充放電等實驗為載體，重在培養(yǎng)學(xué)生的基本工程素質(zhì)、基本實驗技能、基本分析和處理問題的能力[10]。在《一階動態(tài)電路響應(yīng)的分析與仿真》實驗中，學(xué)生運(yùn)用Multisim 12.0軟件及數(shù)字示波器，根據(jù)觀察一階動態(tài)RC電路全響應(yīng)變化的規(guī)律，測算時間常數(shù)；通過自主選擇不同的參數(shù)，邊觀察邊分析，可以得到積分電路、微分電路或者三角波。每個學(xué)生選擇的參數(shù)不同，測量的結(jié)果也不同，要求學(xué)生在實驗中嘗試分析不同的參數(shù)產(chǎn)生不同實驗現(xiàn)象的原因，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。

模塊二：模擬電路設(shè)計模塊設(shè)置了單元電路實驗和綜合小系統(tǒng)項目。每個單元實驗都有教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)及思考分析，涵蓋不同課程的多個知識點，單元電路實驗做完后，把它們綜合起來形成一個小系統(tǒng)項目。例如，波形發(fā)生電路是一個典型的綜合型模擬電路實驗，在基礎(chǔ)實驗部分，要求學(xué)生通過遲滯比較電路及積分電路先產(chǎn)生方波、三角波；三角波再通過二階濾波電路產(chǎn)生正弦波；更高層次上，要求學(xué)生通過模擬電路所學(xué)知識，實現(xiàn)三種波形相互生成。如圖2所示。

學(xué)生收到設(shè)計要求后，自主查閱資料，提出設(shè)計方案，并對方案進(jìn)行仿真設(shè)計，直到調(diào)試出最終結(jié)果。學(xué)生提出的參考方案如圖3所示。

圖2 波形發(fā)生電路要求

圖3 波形發(fā)生電路設(shè)計方案

在整個波形發(fā)生電路設(shè)計過程中，融合了模擬電路的多個單元電路，方案靈活，電路模塊可以任意組合，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，如圖4所示。

圖4 多個單元電路融合

在學(xué)習(xí)模擬電路的過程中，很多學(xué)生覺得模擬電路理論性強(qiáng)，理解起來抽象、枯燥、不直觀，如果能將模擬電路知識綜合運(yùn)用到實際產(chǎn)品中，理解起來就會容易一些。例如，波形發(fā)生電路設(shè)計完成后，部分學(xué)生思考能不能把波形發(fā)生電路的單元電路及模電各分散的知識點(三極管放大電路、運(yùn)放電路、功率放大電路等)綜合串接到一個產(chǎn)品中，根據(jù)學(xué)生的想法，設(shè)計了小系統(tǒng)音頻功率放大電路，設(shè)計要求如圖5所示。

圖5 音頻放大電路設(shè)計要求

根據(jù)要求，給學(xué)生提供了一個項目實現(xiàn)的基本方案，供學(xué)生參考，學(xué)生也可以根據(jù)自己所掌握的知識提出自己的方案，學(xué)生設(shè)計的無線功放電路設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6 無線功放電路設(shè)計框圖

這個項目有音樂/聲音，有無線知識與玩相結(jié)合的技術(shù)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。知識點全面綜合，包括三極管放大電路、紅外發(fā)射與接收、有源濾波、功率放大等。每一個模塊知識點是相對獨(dú)立的，可以根據(jù)課程的進(jìn)度，分塊分步做，學(xué)生可以根據(jù)自己的能力逐步提高難度；實驗案例涉及模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電路理論等多門課程的知識與技術(shù)方法，實現(xiàn)了跨課程知識融合；實驗案例與實際生活緊密相連，具有現(xiàn)實的工程意義；實驗案例的實施方案及其實現(xiàn)方法具有多樣性；實驗案例中的傳輸距離、傳輸效率和傳輸功率的提高具有挑戰(zhàn)性。

模塊三：從數(shù)字電路基本特性開始，由組合邏輯到時序邏輯電路、再到FPGA數(shù)字系統(tǒng)綜合設(shè)計，實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜、單元到系統(tǒng)的循序漸進(jìn)過程。其中，LED數(shù)碼管驅(qū)動顯示、數(shù)字頻率計電路設(shè)計、交通燈設(shè)計等設(shè)計項目綜合了組合邏輯、時序邏輯、開關(guān)陣列等多種設(shè)計方法，實現(xiàn)了多知識點的融合。

模塊四：綜合前面所學(xué)的電路、模擬電路、數(shù)字電路知識，加上單片機(jī)、FPGA等綜合應(yīng)用設(shè)計一個綜合系統(tǒng)。以溫度控制系統(tǒng)為例，如圖7所示，學(xué)生在項目實踐中需經(jīng)歷“項目需求分析、知識學(xué)習(xí)補(bǔ)充、理論推導(dǎo)計算、實現(xiàn)方法選擇、電路設(shè)計仿真、實驗步驟設(shè)計、參數(shù)測試方案、實驗總結(jié)分析”的過程，通過不斷改進(jìn)和調(diào)試，做出產(chǎn)品。

圖7 學(xué)生制作的溫度控制系統(tǒng)

模塊五：課外研學(xué)是電工電子實踐教學(xué)體系的一個重要組成部分。學(xué)生可以自己申報項目，也可以選擇教師提出的課題，經(jīng)過評審立項后可獲得一定的經(jīng)費(fèi)支持。在課外研學(xué)過程中，學(xué)生圍繞問題開展自主學(xué)習(xí)和研究，不僅能夠有助于學(xué)生融會貫通課程內(nèi)容，構(gòu)建復(fù)合型知識結(jié)構(gòu)體系，對培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力成效明顯。

通過幾年的實踐發(fā)現(xiàn)，實驗項目在內(nèi)容選擇上應(yīng)側(cè)重于學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活和工程實踐中可能遇到的問題和現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)習(xí)與實踐的結(jié)合；要加強(qiáng)實驗室建設(shè)的硬件建設(shè)，加大實驗室的開放，給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的環(huán)境；在課程配置上，開設(shè)電子競賽的系列培訓(xùn)選修課程，如常用電子電路的設(shè)計、常用傳感器應(yīng)用電路設(shè)計、常用單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計等課程，分層次遞進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。

2 教學(xué)效果

通過幾年的實踐，學(xué)生制作出開關(guān)電源、DDS信號源、智能溫控系統(tǒng)、智能尋跡小車、光耦參數(shù)特性測試儀、雙向DC/DC變換器等實物作品，并在此基礎(chǔ)上積極申報大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目，很多學(xué)生獲得立項，其中“基于微控器的光耦參數(shù)特性測試儀”“純電動汽車復(fù)合電源的雙向DC/DC變換器”等項目獲得省級立項，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，主動參與的熱情非常高。在整個學(xué)習(xí)期間，學(xué)生經(jīng)常中午和晚上都泡在實驗室里，有時候為了調(diào)試一個程序很晚才回寢室，當(dāng)其作品能夠達(dá)到預(yù)期功能后，學(xué)生對自己的成果感到非常自豪。

學(xué)生在國家、省、校各類比賽中共獲獎60余項，其中在第十一屆“博創(chuàng)杯”全國大學(xué)生嵌入式設(shè)計大賽中獲特等獎并被授權(quán)一項實用新型專利：一種可穿戴的跌倒報警多功能引導(dǎo)裝置；在全國電子設(shè)計大賽中獲得國家二等獎，在全國電子設(shè)計大賽中獲得省級一等獎、二等獎及校級獎勵多項；基于微控器的光耦參數(shù)特性測試儀實物制作完成后，在第六屆“挑戰(zhàn)杯”廣東工業(yè)大學(xué)課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲得二等獎，并且論文《微控器下的光耦參數(shù)特性測試儀的設(shè)計》在《電子制作》雜志上發(fā)表。

3 關(guān)于提高學(xué)生主動實踐能力的思考

3.1 改善實驗條件 激發(fā)學(xué)生的實踐興趣

興趣是激發(fā)創(chuàng)造的動力源泉，學(xué)習(xí)一門技術(shù)或設(shè)計一個電路首先需要培養(yǎng)興趣，需要構(gòu)建一個良好的環(huán)境。培養(yǎng)興趣需要具體的措施，在實踐中，通過整合有效資源，建立相關(guān)配套制度，為學(xué)生主動實踐提供必要的條件。

3.2 從細(xì)微處入手 狠抓學(xué)生基本功的實踐

隨著計算機(jī)的發(fā)展和軟件仿真的流行，為實踐教學(xué)提供了很多便利條件，但也有一個事實不容忽視，那就是隨著大量仿真軟件的使用，或多或少影響了學(xué)生很多基本功的訓(xùn)練，減少了許多必要的動手機(jī)會，培養(yǎng)了許多“紙上談兵”的人才。教師有必要深入到學(xué)生當(dāng)中，從細(xì)微處入手，深入地了解學(xué)生的真實水平，既不能否定學(xué)生的能力，也不能高估學(xué)生的水平，對癥下藥，有步驟有條理地引導(dǎo)學(xué)生實踐。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生自主研學(xué) 增強(qiáng)協(xié)作精神

教師通過研學(xué)方法、案例分析、任務(wù)要求、考核規(guī)則的引導(dǎo)，使學(xué)生進(jìn)入自主研學(xué)的各個場景，成為實踐的主角，養(yǎng)成研究探索習(xí)慣，讓學(xué)生自主選題設(shè)計任務(wù)要求、自主設(shè)計實現(xiàn)方案與進(jìn)程、自主選擇研究軟硬件平臺、自主構(gòu)思展示實踐成果。一個人的精力和能力畢竟是有限的，沒有協(xié)作就難以形成氣候，一人為木，眾人成林，只有“眾人拾柴”才有“火焰高”的局面。應(yīng)鼓勵學(xué)生多參與科技競賽，在競賽的大環(huán)境中培養(yǎng)和磨煉自己，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神。

4 結(jié)語

人才培養(yǎng)是一項系統(tǒng)化工程，在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，培養(yǎng)具有扎實的理論基礎(chǔ)、能夠應(yīng)用科學(xué)技術(shù)解決工程實踐問題的應(yīng)用創(chuàng)新型人才，實踐環(huán)節(jié)尤為重要；以“引導(dǎo)入門—基礎(chǔ)系列—專題研究—科學(xué)研究”為導(dǎo)向的循序漸進(jìn)的創(chuàng)新實驗教學(xué)新體系的建立，有效培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、信息分析綜合能力、工程意識、動手能力和團(tuán)隊合作精神。新教學(xué)方法的實施，使得教師的教學(xué)能力、水平也獲得較大進(jìn)步，通過教學(xué)、教研促進(jìn)科研，教師的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)得到增強(qiáng)。