注重學生個性發揮的綜合設計實驗改革

王育紅，沈為民，余向東，龔華平，徐蘇楠

(中國計量學院光學與電子科技學院，浙江杭州 310018)

“光電電路綜合設計”是一門大型綜合設計課程，主要內容是設計制作一套含有光電發射電路和光電接收電路的電路板，實現特定的功能。學生須用電腦輔助設計軟件設計出詳細的電子線路圖和印刷電路圖，安裝調試電路板，對裝置的性能進行測試并做評估分析，寫出總結報告。與其它類似的實踐課程一樣［1］，本課程在改革之前也存在設計課題少、學生設計方案雷同、設計制作的熱情不高及完成的作品缺少個性化等問題。我們通過教學改革，豐富了設計課題，通過學生自主選題、提出方案并設計制作，在發揮學生個性化設計方面卓有成效。

1 豐富設計課題

最初的設計課題來源于科研項目，作為一個例子，在光纖溫度傳感器中光信號受溫度調制，光信號的變化反映了溫度的變化。這個變化的光信號若要傳輸，就需要光信號的發射和接收處理電路，包括為光源提供調制電源，光電轉換及信號放大和鎖相環相關降噪等電路。就光電傳感器而言，不管是壓力傳感、溫度傳感和位移傳感等，對光電電路的要求是類似的。所以，光電傳輸電路的設計課程具有代表性，對學生是合適的。但是，由于傳輸對準確性和穩定性都有一定要求。為降低噪聲須將發射的光波信號調制成一定頻率的方波，接收電路只對這種頻率的方波信號作響應，整個系統較復雜，所以要完成課題的設計制作也不容易。設計課題的單一性限制了學生個性發揮，制約了教學質量的提高。

實際上，這一設計課題的應用領域十分廣泛，完全可以推出多個專題以適應各類學生的需求，讓每位學生得到最大收獲。我們經過充分討論，明確了如下教學目標:熟悉發光管、光電管等基本光電器件的性能和使用方法，掌握光電發射電路和光電接收電路的基本構建方法，能用電腦輔助設計軟件設計相應的電子線路圖和印刷電路圖，并能實際制作和調試電路板。在明確教學目標的基礎上，擴大選題范圍，確定了如表1所示的四類專題，每類專題還可以有不同的設計項目。

表1 “光電電路綜合設計”的設計專題

表中同一專題的不同設計項目可為不同能力的學生的選題提供方便，因為有的設計項目門檻較低，有的較高。例如光電脈沖計數電路專題中，流動人數統計系統只需模數混合電路即可實現，分別將光發射和光接收單元固定在模擬入口的相對兩側。有人通過時發生遮擋光接收端信號隨即變化，將此信號放大整形后形成的脈沖信號送入計數系統即可實現流動人數統計功能;直流電機測速系統相比就復雜些，可以結合單片機去實現，電機風葉轉動產生的信號由光接收端經放大整形后形成脈沖信號，送入頻率測量系統來實現直流電機測速功能，為此實現還需要直流電機的驅動和調速電路。

我們鼓勵任課教師提出新的設計課題，這樣除了上述四個專題及其設計項目外，還有任課教師的保留題目供學生選擇。但對于教師自已提出的題目，必須事先經過課程組審查以及完成示范作品的制作，以保證設計題目的合理性和可行性。另外，學生在課程教學開始時也可提出自己感興趣的設計題目，經指導教師審核通過后也可進入設計階段。

2 開放設計內容與實現方法

開放式課程設計體現在多個方面。首先是設計內容的開放，學生通常應按規定的設計任務和目標完成設計工作，但學生要求改變設計任務，只要有道理也是允許的。例如，學生選擇“流動人數統計”這個項目，要求的測試對象是人，但有的學生提出測試對象改為生產線上的產品，也是可行的。其次是實現條件的開放，通常學生的設計方案須符合限定條件，特別是元器件涉及到經費問題和采購問題。第三是實驗時間的開放，如果學生因實驗連續性需要提出要晚上開放，則可通過預約進行安排［3］。現以專題為載體的綜合設計采用如下思路。

(1)教師布置設計任務—設計任務要在課程教學開始就布置給學生，教師提出各專題的設計任務、目標要求和主要技術指標，以便學生在設計中帶著問題找答案，能有足夠的時間去消化和進行構思，獨立完成設計方案;

(2)學生選題并進行自主設計—學生選擇感興趣的專題進行預設計，制定初步設計方案，然后討論、修改設計方案，教師給予必要的啟發和引導，最后學生依據確定的方案進行設計制作和調試［4］;

(3)階段性檢查和情況記錄—教師充分了解學生情況，對不同程度的學生，在設計中對難度與進度可以做適當的調整，促使學生認真完成每一個步驟，以保證完成基本教學要求的設計任務，同時也可幫助教師充分了解學生，為準確、全面、客觀地評價學生提供依據［5］;

(4)設計評價—教師將學生設計報告和圖紙收齊進行批閱。學生自述設計完成的作品優缺點，以便教師能有針對性地提問，為最后綜合設計評分獲取更多的依據。

3 正確定位教師的指導作用

教師在專題設置時，就充分考慮到學生的個體差異，劃分不同的難度系數，以適應不同層次的學生需要［6］。例如，在光電脈沖計數專題中，學生設計方案時光電傳感器的選擇可以有多種形式，可以采用透射式光耦，也可采用反射式光耦等等;在流動人數統計系統中，有的學生提出統計進出房間的絕對人數，教師則可啟發其設計一個加減可逆的計數電路去實現。

教師在指導過程中，應當鼓勵學生提出自己的觀點和看法，啟發和引導學生往正確的方向發展。例如在光電脈沖計數專題直流電機測速系統中，有的學生對直流電機的調速設計方法不清楚，教師應啟發引導學生通過脈寬調制方式或電阻降壓方式實現。最后，讓學生進入實際制作與調試。教師的啟發和引導作用既能保證學生完成設計任務，又能培養學生分析問題解決問題的能力，幫助學生掌握正確的設計思想和設計方法，培養學生學習自主性和獨立思考、敢于創新探索的精神。

4 多方位提供設計素材

設計性實驗中存在的一個誤區是，為要體現設計性，就要讓學生自已去找資料，不需要實驗指導書，或只要簡單地把設計內容、目標和條件等交待清楚就行了。實際上，學生的知識基礎、能力水平存在較大差異，學習的主動性也不盡相同，相當多的學生在設計之初都會遇到困難，有些甚至不知如何下手。

“光電電路綜合設計”涉及的知識點很多，包括“電路分析基礎”、“模擬電路”、“數字電路”、“光電信息物理基礎”、“工程光學”和“光電技術”等多門課程知識，所以有必要編寫較為詳細的實驗指導書。指導書對各專題及設計項目給出了設計內容、目標要求和主要設計指標，同時還會介紹一些背景知識，如光電器件的性能指標、應用電路和工作原理等。這些背景知識既包含相關課程的知識總結，也有許多實用電路。

我們為“光電電路綜合設計”建立了課程網站，更多的資料都可放在課程網站中。如儀器設備的特點、功能介紹、安裝使用和操作方法;還有元器件的內部參數、外形特征、典型應用和工程實踐中光電電路應用的實際案例。網站上不僅有豐富的資料供學生瀏覽，還可介紹查找資料的方法和途徑。同時，還開辟了專題討論區和教師在線答疑專欄，為開放式課程教學順利展開提供保證。

5 結語

本文從豐富設計課題、開放設計內容和實現方法、重新定位教師指導作用和多方位提供設計素材等方面，對綜合課程設計進行了探索和改革。經過幾年的教學實踐證明，學生通過自己的努力來完成課程設計，深化了他們對課程的興趣，有利于全面提高他們的實踐技能。

［1］ 康娟，李晨霞，陳亮，等.工科院校電子設計制作類課程設計改革［J］.南京，電氣電子教學學報，2008，30(2):8-9

［2］ 汪春梅，楊敏，倪繼鋒，等.利用開放性“數字信號處理”課程設計培養學生的創新精神［J］.上海，實驗室研究與探索，2010，29(11):122-124

［3］ 吳曉，堵俊，羌予踐，等.電氣專業課程綜合性和設計性實驗教學改革與實踐［J］.上海，實驗室研究與探索，2009，8(28):124-125，144

［4］ 元澤懷.開放式設計性綜合實驗課程教學的改革與實踐［J］.上海，實驗室研究與探索，2009，11(28):120-122

［5］ 李敏，陳國定，張貴軍，等.專業課程設計教學的項目管理模式探索與實踐［J］.北京，實驗技術與管理，2010，11(27):182-185

［6］ 林嶸，康其桔，侯曉霞，等.課程設計教學模式探索［J］.上海，實驗室研究與探索，2005，24:389-393