國際班電子電路學實驗教學的研究與實踐

劉蘊紅+王林+陳希有

摘要：國際班電子電路學實驗建設的主要內(nèi)容為基礎實驗、EDA仿真實驗、創(chuàng)新及開放性實驗、實驗教材以及實驗資源平臺建設等五個方面。旨在鞏固和加深學生對電工電子學的基本知識的理解，通過循序漸進的實驗層次設計，培養(yǎng)了學生的實驗技能，加強了學生獨立分析、綜合設計以及創(chuàng)新應用的能力。實驗教材注重加強實踐、培養(yǎng)興趣和積極創(chuàng)新的理念，還增加了新器件和EDA仿真軟件的使用方法介紹。在學中用、在用中學，進一步提高了學生的語言的綜合運用能力。

關鍵詞：電子電路學;實驗建設;教材建設

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）22-0231-02

在國際班電子電路學實驗教學的實踐過程中，根據(jù)國外原版教材的特點并結合現(xiàn)有的實驗設備，建設了6個小時的基礎實驗、12個小時的EDA實驗、6個小時的創(chuàng)新開放實驗。實驗分為基礎驗證型、思維訓練型、研究型、設計型等四個層次。在實驗教學中引入最先進的電子器件的應用、各類電路的設計方法和最新電路設計手段，開闊同學們的視野，強化同學們的工程概念，并給出多種設計制作的題目供同學們練習，鼓勵學生用不同的方案實現(xiàn)，鍛煉學生的思維的廣闊性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。借鑒國外優(yōu)秀實驗教材，編寫全英文的實驗教材。在建設實驗教材的基礎上又進行了實驗資源平臺的建設，通過實驗操作和實驗現(xiàn)象分析等錄像資源為學生的全英文學習和實踐提供了難得的實驗環(huán)境。

一、基礎實驗建設

根據(jù)國外教材的特點和教學內(nèi)容進行整合，設計6學時的基礎實驗，幫助學生了解實驗設備原理、使用方法、實驗的設計原理、實驗操作方法。基礎性實驗，包括儀器使用、電路、電子部分實驗。實驗的內(nèi)容應該對教材的內(nèi)容加以整合，將電子和電路實驗融為一體，將電阻器件和網(wǎng)絡、電路分析方法、動態(tài)電路、一階和二階電路的動態(tài)分析、集成運算放大器、直流電源以及模擬和數(shù)字電路及其應用等方面的關鍵實驗內(nèi)容進行整合，設計出6個學時的基礎實驗，實驗類型分為驗證性。建設的關鍵要考慮，第一層次基礎性實驗階段，學生對理論的知識還處于被動接收階段，通過設計思考題，讓學生進行思考和實踐，從而掌握知識的內(nèi)涵。

二、EDA實驗建設

根據(jù)課程教材的需要減少了部分驗證性實驗，被刪減的驗證性實驗項目通過EDA實驗進行仿真和驗證，此外，實物實驗無法覆蓋全部內(nèi)容，而EDA實驗耗時少，簡單易于實現(xiàn)，可以覆蓋更多的內(nèi)容，仿真及設計實驗主要介紹虛擬實驗項目的設計方法，幫助學生更好地理解課堂教學內(nèi)容，仿真軟件采用Multisim、LabVIEW、Elvis，引進EDA技術三步措施是：課堂講一部分EDA基礎知識，之后學生上機做EDA仿真實驗，首先是驗證性的實驗，然后是思維訓練型實驗，最后安排EDA研究和設計實驗。

EDA實驗建設分以下四個層次：

1.基礎驗證型。基礎實驗主要針對實物實驗中被刪減的驗證型實驗，例如實物實驗無法覆蓋的實驗內(nèi)容，可以利用EDA實驗完成，因為EDA實驗耗時少。在模擬電路部分，由于課程學時的限制，減少的分立元件的內(nèi)容，可以利用仿真實驗的方法來強化學生靜態(tài)和動態(tài)分析的概念。實驗主要內(nèi)容有：（1）直流電路實驗（具體的實驗還包括基爾霍夫定律、疊加原理、戴維寧定理等實驗）;（2）一階電路瞬態(tài)響應;（3）交流電路;（4）放大電路;（5）運算放大器;（6）脈沖波型的產(chǎn)生與變換;（7）組合邏輯電路實驗;（8）時序邏輯電路實驗。

2.思維訓練型。思維訓練型實驗的目的是逐漸培養(yǎng)學生的邏輯思維過程。故障排除是電子電路課程教育的重要部分之一，在學習理論知識的同時，培養(yǎng)學生進行故障排除和解決黑盒問題的技巧，進而提高學生解決實際問題的能力。注意問題的設計要循序漸進，由淺入深。故障排除問題主要是使用EDA創(chuàng)建電路，使它包含您自己定義的錯誤或是在程序中提供的錯誤。可以通過設置密碼防止學生直接訪問它們。通過創(chuàng)建并鎖定子電路也可以隱藏錯誤。您可以使用說明框指導學生隔離錯誤。這樣學生就可以使用提供的元器件和電源修正錯誤。黑盒問題要求學生們選擇并適當?shù)卣{(diào)整測試儀器、解釋讀數(shù)、應用基本理論，最重要的是進行各種思考和問題解決。可以通過創(chuàng)建與鎖定子電路制作出新的問題。原始文件設置教師密碼保護，學生可以將原始文件下載、解答問題，將他們的解答寫入說明框中，再反饋給教師。教師的工作主要是編制開放性的原始文件、設計故障電路以及設計黑盒問題。

3.研究型實驗。所謂研究型實驗是指教師指定選題，讓學生經(jīng)過仿真實驗，從數(shù)據(jù)分析或者現(xiàn)象中引出結論。研究型實驗所針對的實驗類型：第一，由于受實驗儀器的限制，無法對組合邏輯電路的競爭冒險進行硬件實驗驗證，主要是邏輯門的傳輸延遲時間極短，現(xiàn)有的示波器很難觀測暫短出現(xiàn)的冒險信號;第二，解決了觸發(fā)器的工作波形無法用電子實驗儀器進行分析驗證的問題。第三，主要研究新器件的特性、元件的建模與分析過程。研究型實驗的主要選題有：（1）組合邏輯電路競爭冒險仿真分析;（2）時序邏輯電路中RS觸發(fā)器仿真分析;（3）變?nèi)荻O管特性分析與仿真;（4）熱敏電阻模型建立及仿真應用;（5）功率因數(shù)提高研究;（6）憶阻器。

4.EDA設計型實驗。EDA設計型實驗也可以稱之為小設計，是通過選擇一個具體應用電路進行設計，讓學生掌握電路的設計方法，提高對所學電路理論的應用能力，從而培養(yǎng)學生分析和解決實際問題的能力。設計課題的注意事項：（1）要明確目的，最好是包含某個重要的知識點，而這個知識點是比較抽象或者比較難理解的;（2）課題的設計要有利于學生進行發(fā)散性思維，舉一反三，靈活運用理論知識和實驗技能，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識;（3）教師要引導學生對實驗進行總結，這部分通常被忽略。

設計型實驗的主要內(nèi)容有如下：（1）雙向流動彩燈控制器的設計;（2）電壓檢測電路設計與仿真;（3）八音階電子琴的設計與仿真;（4）智能搶答器的設計與實現(xiàn);（5）四人表決電路設計;（6）光控路燈自控電路或簡易調(diào)光燈電路。學生可以在這些設計項目中選擇一個自己感興趣的內(nèi)容進行設計，也可以經(jīng)教師同意進行自選題目設計。endprint

三、遠程及創(chuàng)新實驗建設

從2011年開始，我們設計了一個基于ELVIS的可切換的遠程系統(tǒng)平臺。該平臺將相關的信號通過模擬開關技術擴展成六路信號，并通過串口與PC機通信控制六塊實驗板之間的切換。上位機通過LabVIEW編程制作便于人機交互的圖形操作界面，該系統(tǒng)成功地拓展了實驗資源，具有視頻反饋，實現(xiàn)了遠程實驗的操作和監(jiān)控。目前，需要在遠程實驗的系統(tǒng)平臺上進行具體實驗的設計，以滿足國際班電子電路學遠程實驗的要求。根據(jù)國外的教材的內(nèi)容，需要在系統(tǒng)平臺上開發(fā)的相應實驗有8個學時的實驗：（1）半導體器件實驗;（2）儀器使用實驗（示波器和信號發(fā)生器）;（3）基本運算放大器實驗;（4）放大器綜合應用實驗;（5）555電路實驗;（6）瞬態(tài)響應實驗;（7）交流電路實驗;（8）電源實驗。此外還需要開發(fā)的是課堂及課后的演示實驗。創(chuàng)新開放性實驗為綜合設計實驗。針對具體的設計任務，介紹電路的設計方法、基本電路單元的運用、系統(tǒng)參數(shù)的測試以及電路的整體調(diào)試等。擬開設的開放性實驗項目有電源設計、搶答器、節(jié)日彩燈、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電子鳥電路、雙密碼電鎖電路、簡單的電子報警器電路、觸摸開關電路等。學生可以在其中選擇一個設計項目進行設計。教師可以為同學們介紹當今最先進的電子器件的應用、各類電路的設計方法和最新電路設計手段，開闊同學們的視野，強化同學們的工程概念，并給出多種設計制作的題目供同學們練習。在電子設計競賽的啟發(fā)下，我們主張在實驗的實際設計制作環(huán)節(jié)中，可以仿照競賽的要求將同學分組，共同完成實驗電路設計、制作與調(diào)試，并寫出詳細總結報告。在制作電路的訓練過程中，鼓勵學生用不同的方案實現(xiàn)，鍛煉學生的思維的廣闊性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

四、實驗教材建設

進一步研究分析相關的國外優(yōu)秀教材，編寫全英文的實驗教材。教材的特點應突出注重動手、加強實踐、培養(yǎng)興趣和積極創(chuàng)新的理念，教材還應該增加新器件和EDA仿真軟件的使用方法介紹。實驗類型分為驗證性、綜合性和設計性等三個層次。在教學內(nèi)容上，電子與電路學實驗將電子和電路實驗融為一體，內(nèi)容按三個層次編寫：（1）基礎性實驗，包括儀器使用、電路、電子部分實驗;（2）仿真及設計實驗，介紹EDA實驗項目的設計方法，進行輔助實驗教學，仿真軟件采用Multisim、LabVIEW、Elvis等;（3）綜合設計實驗，針對具體的設計任務，介紹電路的設計方法、基本電路單元的運用、系統(tǒng)參數(shù)的測試、電路的整體調(diào)試等。

五、實驗課程資源平臺建設

實驗資源平臺建設包括：（1）實驗教學文件資源，包括：實驗大綱、實驗內(nèi)容、和實驗要求等;（2）錄像資源，包括：英文實驗操作錄像、EDA實驗操作講解、基礎實驗步驟、遠程實驗操作步驟和實驗現(xiàn)象分析等錄像資源;（3）在線實驗預習檢測，引入MIT自行編制的虛擬實驗軟件以及在線練習，學生在課前和課后可以隨時通過遠程實驗和虛擬實驗強化概念。學生在做實驗的過程中，通過動手操作，很容易就掌握了相關的專業(yè)詞匯，不自覺地突破了語言的障礙，實驗資源貫穿于授課的全過程，為學生的全英文學習和實踐提供了難得的實驗環(huán)境，在學中用、在用中學，進一步提高了學生的語言的綜合運用能力。

通過電子電路學實驗課程的學習，不僅使學生掌握電工電子技術方面的實驗方法，獲得電氣工程技術方面的基本實驗技能，了解電工電子技術的發(fā)展及其在各方面的應用。而且為后續(xù)課程的學習以及從事相關的工程技術工作打下必要的基礎。同時拓寬學生的學術視野和國際視野，培養(yǎng)具有獨立分析、綜合設計以及創(chuàng)新應用能力的國際化人才。endprint