綜合性多功能實驗室建設的探索與實踐

馬　雷, 金錫哲, 李　軍, 杜　鴻

(大連大學 物理科學與技術學院, 遼寧 大連　116022)

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綜合性多功能實驗室建設的探索與實踐

馬雷, 金錫哲, 李軍, 杜鴻

(大連大學 物理科學與技術學院, 遼寧 大連116022)

針對我國高等學校實驗室建設和管理多以面向課程的單一功能實驗室為主要結構形式的問題,闡述了介入EDA技術的綜合性多功能實驗室建設方案和軟、硬件資源的構成。實踐證明綜合性多功能實驗室的建設,一方面可以有效地促進常規實驗教學內容和模式的優化以及設備綜合利用率的提高；另一方面,軟、硬件的綜合保障了實驗室服務的諸多功能,在課程設計、學科競賽賽前培訓、學生畢業設計等開放環節的教學實踐中,體現了其價值和意義。

綜合性多功能； 實驗室建設； EDA

自1870年美國麻省理工學院教授皮克林(Edward Charles Pickering)首創班級集體實驗教學模式以來,得到廣泛的認同和采納[1]。目前,我國高等學校實驗室建設和管理仍然多以這種面向課程的單一功能實驗室為主要結構形式,其主要作用是為再現某些科學現象中的定理、定律、工作原理及特性而設定的專項實驗方法訓練和實驗技能訓練,多為驗證性的基礎實驗[2]。這種模式往往弱化了實驗的探索性及不確定性,表現在給出實驗設計方案和步驟、簡化實驗條件、選用實驗設備“傻瓜化”等,其代價就是使實驗教學活動逐漸偏離了科學實驗的宗旨,還造成了實驗室房間浪費和設備利用率的低下[3],同時也常常將一個原本綜合的科學問題人為地割裂到幾個單一的實驗室里研究。問題的孤立和設備、器件的分散,直接阻礙了師生的研究和學習,而實驗室面向課程單一的服務功能,也制約了學生創新精神和探索研究能力的培養。所以,根據專業實踐教學課程特點及其相互聯系,調研比對市場設備產品基本功能和拓展功能的實際情況,規劃建設知識、技能綜合,兼有多種服務功能的實驗室,讓實驗教學回歸本源,對于探索我國高等學校實驗室建設和實驗教學改革都有著重要的意義。

1　綜合性多功能實驗室的建設方案

本專業實驗室建設規劃首先要把握光電信息科學與工程專業特點:針對光信息和現代學科交叉的發展趨勢,突出加強基礎理論學習和專業實驗技能訓練,使學生畢業后能夠在光電信息工程、光電傳感技術、光電信號檢測與處理技術、光電子工程、控制技術及光電系統集成等領域的企事業從事研究、設計、開發、應用等工作,有助于培養具有創新精神和實踐能力的復合型人才。而模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎、微機原理與接口技術是該專業連續3個學期開設的必修課程(各自開設了16學時的實驗教學環節),在現代光電信息技術應用領域它們又是密不可分的有機部分。所以,單門課程實驗學時少而又相互融合關聯,使得這種規劃成為可行。

實驗室建設規劃還要兼顧功能拓展和資源共享,根據教育部(教高[2007]1號文件)關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見,推進高等學校在教學內容、課程體系、實踐環節等方面進行人才培養模式的綜合改革,以倡導啟發式教學和研究性學習為核心,探索教學理念、培養模式和管理機制的全方位創新[4-5]。設置和提高綜合性、設計性實驗的開設比例,是促進實驗教學體系改革的有效舉措。

綜合性實驗是實驗內容涉及課程的綜合知識或與課程相關課程知識的實驗,旨在培養學生綜合運用所學的理論知識、實驗方法和實驗技能,分析問題、解決問題的能力[6]；設計性實驗是給定實驗目的要求和實驗條件,由學生獨立設計實驗方案并加以實現的實驗,旨在培養學生的創新能力、組織管理能力、自主實驗能力和解決實際問題的能力[7]。所以,在實驗室規劃時,要綜合考慮實驗室硬件環境和儀器設備的功能拓展,滿足綜合性、設計性實驗的開設要求,并逐步建立開放的實驗環境,滿足大學生創新活動、學科競賽、課程設計以及畢業設計等多方位的功能需求。

實驗室建設規劃還依賴于儀器設備的選擇和配套,如果簡單地將儀器設備拼湊在一起,不僅存在電氣指標吻合及售后維護的困難等問題,更重要的是違背了綜合實驗室建設規劃的初衷。根據實驗用房和資金的實際情況,經過反復的方案比對和市場調研,最終確定了以上海某教學設備有限公司提供的HY-3000D為基本實驗平臺,每個實驗臺配置微型計算機,添加部分儀器設備和元器件,再安裝基于EDA(electronic design automation)技術的Multisim、PROTEL 、MAX+plus II等軟件系統后,將基于電子元器件、儀器設備的真實實驗和基于EDA平臺融合應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的虛擬仿真實驗有機地結合起來[8],從而豐富多功能實驗室功能,有效地促進學生綜合知識的學習和技能的掌握。

2　多功能實驗室的軟、硬件建設

經過全方位的市場調研和產品比對,我們選擇了上海某教學設備有限公司提供的HY-3000D型模擬電子技術、數字電子技術、微機接口及微機應用綜合實驗室設備,該設備綜合了各學校講課及實驗教師的意見,增加了系統的開發能力和靈活性。為提高學生獨立思維和動手能力,并針對對計算機硬件要求較高的專業,提供了開放的實驗平臺并新增加了微機控制實驗,使學習更加深入完整。系統實現了專業基礎課(模擬電子技術、數字電子技術、微機原理與接口技術)實驗教學、課程設計和畢業設計(微機應用)的三合一,隨設備還提供了相應的實驗指導書。

實驗室面積80 m2,系統包括1個教師演示臺、15個學生實驗操作臺,整合面板包含模擬電路、數字電路、微機接口3個模塊,提供統一的儀表、信號源、開關及數碼顯示等單元。實驗臺面配有實驗所需的電阻、電位器、電感線圈、變壓器、晶體管、集成電路、邏輯電平開關、邏輯電平指示傳感器、直流電機、步進電機等元件盒。隨機還配有數字萬用表、指針式萬用表、電烙鐵以及常用工具箱。

為了滿足綜合性多功能實驗室的規劃要求,根據綜合性、設計性實驗和實驗室開放的需要,經過多名專業教師和實驗技術人員的調研和討論,確定了每個實驗臺添加的設備:數字示波器、毫伏表,增購綜合性、設計性實驗所需的晶體管和集成電路以及連接線纜等。微型計算機除了廠家提供的微機接口實驗軟件,還安裝了模擬電子技術基礎和數字電子技術基礎理論課教材所使用的Multisim、PROTEL、 MAX+plus II等EDA軟件[9],其中,Multisim適用于模擬/數字電路的設計和仿真分析工作；MAX+plus II提供豐富的FPGA/CPLD開發集成環境；PROTEL則是集電子電路繪制、制版于一身的綜合軟件。

3　綜合性多功能實驗室建設的探索實踐

3.1發揮綜合性多功能優勢,優化常規實驗教學

首先,結合綜合性多功能實驗室的軟、硬件優勢,優化完成常規實驗教學的實驗指導書。根據光電信息科學與工程專業的教學計劃,模擬電子技術基礎實驗共16學時,第5學期前10周實施完成；數字電子技術基礎實驗共16學時,第6學期前10周實施完成；微機原理與接口技術實驗共16學時,第6學期第11周開始。實驗指導教師要在符合實驗教學大綱的前提下,根據不同層次學生的學習興趣和學習能力,對每個實驗項目的內容增加提高和拓展的要求[10],鼓勵部分學生完成,并在成績評定中有所體現。目前,按照多層次實驗教學目標的要求修訂了模擬電路15個基礎實驗、數字電路19個基礎實驗以及微機接口8個基礎實驗的實驗指導書,并共享給學生。在教學實踐中,實驗指導教師力求突出學生的主體地位,倡導因材施教,根據學生的學習能力和學習需要,按照不同層次的教學目標開展教學實踐。

基本層次的教學目標:掌握模擬電子技術和數字電子技術實驗的基礎知識和基本的實驗技能,熟悉常用電子元器件、模擬、數字集成電路的性能測試和使用方法。

提高層次的教學目標:通過實驗學習,熟悉電子技術實驗的基本知識及進行電子技術實驗的一般規則,熟悉常用電子元器件、集成電路的功能和性能測試方法以及使用方法,初步具有排除電路的簡單故障和解決實驗中遇到的實際問題的能力。

拓展層次的教學目標:對于少數學習興趣濃厚、預習充分的學生,借助綜合實驗室的軟硬件優勢,通過設置思考題目的方式,鼓勵和幫助他們設計實驗內容并完成實驗,提高學生的創新意識和科學研究能力。

以“單管共發射極放大電路分析”實驗內容的多分層實驗教學為例:每位學生根據自己的學習目標選擇實驗內容,在實驗過程中教師根據學生選擇的內容來進行指導,實現在學生群體中進行多層次教學的目的。表1 是“單管共發射極放大電路分析”實驗指導書對實驗內容要求進行的多層次教學設計。

表1　“單管共發射極放大電路分析”的多層次教學設計

在符合實驗預習要求的前提下,學生既可以直接開展實物實驗,也可以對提高、拓展的實驗內容先進行軟件仿真和電路測試調整,再進行實物實驗驗證。

綜合性多功能實驗室的建設也促進了實驗室隊伍的建設。這些基礎實驗分別由實驗技術人員配合實驗指導教師來實現,實驗室配備了具有豐富經驗的高級工程師作為專職實驗技術人員,實驗指導教師在修訂實驗指導書及實驗課教學的多層次備課、授課過程中,投入了大量的時間和精力,根據課堂操作和實驗報告的反饋,及時修正完善教學內容,提高了個人的業務水平,為實現實驗室的建設管理目標提供了保障。相比單一功能的實驗室,設備利用率得到了有效的提高。

3.2積極實施實驗室開放,充分發揮綜合實驗室功能

作為綜合實驗室建設的重要目標,通過高年級課程設計、學科競賽賽前培訓、畢業設計等形式充分發揮綜合實驗室的功能,有助于學生將多方面的知識和技能綜合起來解決相對復雜的問題[11]。

實驗室開放,對實驗指導教師提出了更高的要求。在教學實踐中,一方面,教師除了要掌握儀器設備的性能、基本原理、操作方法,正確指導學生進行操作并解釋和處理實驗過程出現的問題及情況外,還要規范實驗室管理、實驗前要部署預習實驗、實驗結束后檢查和校驗所用儀器,并檢查學生的實驗記錄、儀器使用記錄本等情況,培養學生養成良好的實驗習慣和態度；另一方面,為了科學地指導學生進行綜合性、設計性實驗,教師要善于把握本專業及相關專業的國內外新知識和新動態,及時進行知識更新,并提煉轉化為實驗題目。通過這種實驗,全面培養學生的科學作風,提高其發現問題、解決問題的綜合能力,促進知識的學習掌握和實踐技能的提高[12]。

光電信息科學與工程專業綜合性多功能實驗室在保障常規實驗教學的前提下,積極創造條件開放實驗室,在課程設計、學科競賽賽前培訓、學生畢業設計等方面充分發揮實驗室的功能。

例如,光電信息科學與工程專業第7學期的課程設計的一些題目,都需要綜合的知識和技能。 “光敏電阻特性分析與應用設計”,在特性測試和分析時是以模擬電路為主,而在應用設計一個照度測量系統時,包括光電感應、數字脈沖驅動和數值測量3個部分,學生可以很自然地把它們作為一個整體來完成,而無需刻意割裂模擬、數字和接口技術。學生先使用MAX+plus II完成電路的整體虛擬仿真與測試,再將3部分電路在HY3000平臺上用元件搭建測試對比。

又如,實驗室還在學生畢業設計的過程中向全院畢業生開放,許多與電子線路、光電檢測及接口電路等技術相關選題的學生進入實驗室,或搭建實際電路,或采用虛擬仿真,有效地促進了學生畢業設計的實踐性比例。例如,應用物理11級的一名學生在做“智能交通信號燈控制電路的設計研究”畢業設計題目時,在實驗室首先利用Multisim實現了交通信號燈控制電路的虛擬仿真,經過分析改進,利用實驗元器件完成了電路搭建和調試。其畢業設計在答辯中得到了一致認可并被認定為學校優秀畢業論文。

再如,學校組織學生參加全國大學生物理實驗競賽時,也在實驗室進行了賽前的電子電路基礎培訓,帶隊指導教師帶領參賽隊員進行了電路板設計軟件Protel的使用、焊接技術訓練、電路板設計與制作工藝,示波器、信號源等常用測試儀器的使用,常用集成電路的應用與測試等賽前培訓,為學生后期的獲獎奠定了良好的電子技術知識、技能基礎。

4　結語

光電信息科學與工程專業電子技術及微機接口綜合性多功能實驗室的建設,立足具有創新精神和實踐能力復合型人才的培養目標,針對傳統皮克林式實驗教學模式存在的問題,以深入教學研究和市場調研為基礎,滿足了模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎及微機原理與接口技術等幾門關聯課程實驗教學和實驗室開放的多方需要。綜合性多功能實驗室的建設及教學實踐證明:實驗室軟、硬件的綜合性建設,實現了儀器設備的整合共用和EDA技術的兼顧互補,可以有效地促進常規實驗教學的教學內容和教學模式的優化,有利于提高綜合性、設計性實驗的開設比例,有利于設備綜合利用率的提高；實驗室建設的多功能性符合實驗室的開放,在課程設計、學科競賽賽前培訓、學生畢業設計等各種實踐教學環節中,更加充分地體現了綜合實驗室的優勢。

References)

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[4] 朱娟娟.實驗教學的改革建議與見解[J].中國現代教育裝備,2008(8):89-90.

[5] 教育部.關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見:教高[2007]1號[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_734/200703/20038.html.

[6] 張小林,周美華,李茂康,等.綜合性、設計性實驗教學改革探索與實踐[J].實驗技術與管理,2007,24(7):94-96.

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[12] 竇新華,謝鴻,王華麗,等.開放式實驗室的建設與發展[J].合肥工業大學學報,2010,24(2):121-123.

Exploration and practice on construction of a comprehensive multifunctional laboratory

Ma Lei, Jin Lei, Li Jun, Du Hong

(School of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian 116622, China)

For solving the main problem nowadays in colleges and universitie of China, which the laboratory is constructed only for the function of a course, this article interprets the plan of introducing EDA technique in constructing the general multifunctional laboratory and the constitution of software and hardware resources. It is proved that the construction of the general multifunctional laboratory for electric technique and computer connector is helpful. On one hand, it can effectively improve the optimization of conventional experiment teaching contents and teaching pattern, and increase the general apparatus utilization rate. On the other hand, the combination of software and hardware can guarantee the multifunction in service of a laboratory, and show its value and significance in many open education practices, including course design, training before discipline competition, undergraduates’ graduation thesis, etc.

comprehensive multifunction; laboratory construction; EDA

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.059

2015- 09- 25修改日期：2015- 11- 08

2013年度大連大學教學改革項目

馬雷(1963—) ,男,遼寧大連,碩士,副教授,主要從事電子技術和微機原理與接口技術的教學和研究

金錫哲(1964—) ,男,遼寧大連,博士,教授,主要從事光電探測技術的教學和研究.

E-mail：malei@dlu.edu.cn

G482

A

1002-4956(2016)4- 0213- 04

實驗室建設與管理