通信電子電路實驗考試系統設計與應用

李星蓉，余 萍，韓東升，李 然，賈惠彬

（華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003）

通信電子電路是通信電子類專業的必修課程，是一門實踐性、應用性很強的專業基礎課。為了提高學生學習的主動性、創新意識以及實踐能力[1]，結合我校通信電子電路課程的教學實踐，先后在教學方法、教學內容、小班授課[2]等方面對該課程進行了多次改革。為解決學生在學習通信電子電路中遇到的難點，提出了基于形成性評價的通信電子電路教學研究，設計形成性評價教學活動[3]。目前，通信電子電路課程是我校的精品課程，并承擔著一項河北省教改項目——“基于案例探究式及創新能力培養的通信電子電路教學模式研究與實踐”。

通信電子電路實驗作為實踐教學環節，要求學生了解通信電子電路的基礎內容和最基本的通信電子電路分析和設計方法，熟悉典型實用電路，同時培養學生分析問題和解決問題的能力[4]，對提高學生的獨立研究能力有很大的幫助。許多高校在這方面開展了積極的探索，如西安電子科技大學以培養工程思維為教學目標，提出了通信類專業工程體驗實驗的教學內容和模式改革方式，用工程思維讓大一新生從感性上認識通信與信息系統及主要知識點的關系[5]；杭州電子科技大學開展了以基礎實驗為引導、軟件仿真為支撐、設計實驗為主導的教學內容改革和以自主實驗與合作實驗相結合的教學方法改革[6]；廣西民族師范學院針對目前通信電子電路實驗采用集成模塊電路，學生只知如何進行調試，不知電路的具體構成，缺乏對電路的設計環節等問題，提出將仿真電路實驗與實物電路實驗有機結合同步操作的教學模式[7]。我校針對通信電子電路實驗教學改革，提出基于“雙主原則”的通信電子電路實驗教學模式，對通信電子電路實驗教學過程中教師和學生的相輔相成的關系進行了深入探討，著重突出學生在實踐過程中的主體地位[8]，進行了團隊合作實驗教學探索[9]，以及基于能力培養和團隊協作的通信電子電路實驗考核模式研究[10]?？傮w來說，對通信電子電路實驗教學的研究主要還是基于教學方法、教學手段、教學內容等方面，而很少有提及實驗考試的實驗教學研究。

實驗教學離不開各種實驗裝置和實驗箱，但大量用于高等院校電子類課程實踐教學環節的電子電路實驗箱，均不同程度存在設計性和綜合性體現不足等問題[11]。以前，我校通信電子電路實驗室也存在儀器設備少、器材不夠完善等問題。學生只能分組完成一些特定電路的實驗。另外，由于受到實驗室條件的限制，無法對每名學生進行實驗操作考核，這樣就造成有些學生不是靠自己的能力完成實驗測試，而是依賴其他學生，最后的實驗成績不能真實反映學生的實驗能力。

在新的教學改革中，我們提出了案例式“通信電子電路”模塊化實驗方案設計與實踐方法[12]，將實驗教學分成了分模塊基礎實驗、系統性實驗以及實驗考試三個環節。在總結以前工作經驗的基礎上，與北京中科浩電公司聯合研制了ZK-GP4型通信電子電路實驗系統、ZK-GP4-KH型通信電子電路考試實驗系統（以下簡稱“學生考試機”）以及教師出題考試機。學生在完成基礎實驗和系統性實驗測試的情況下，參加單人單機實驗操作考試。

1 實驗考試系統設計與應用

通信電子電路實驗考試系統由學生考試機以及教師出題考試機兩部分組成，兩者之間采用2.4 GHz頻率進行無線通信。

1.1 學生考試機設計

學生考試機包括練習和考試兩個功能，當選擇“練習”功能的時候，由系統內置程序自動出題供學生平時練習使用。當選擇“考試”功能的時候，由教師出題考試機隨機出題供學生正式考試使用。

學生考試機是一個完整的幅度調制解調收發系統，分為控制功能電路區、LC本地振蕩器電路區、基極調幅與丙類功放電路區、小信號調諧放大器電路區、二極管檢波電路區、混頻輸出電路區、中頻放大器功能電路區共7個功能模塊?？刂乒δ茈娐穮^由液晶顯示、無線通信模塊、蜂鳴器、電源指示、控制功能鍵等組成（見圖1）。

圖1 學生考試機

學生考試機可以針對不同電路功能模塊設置故障點，在各功能區都設計了繼電器，通過控制繼電器動作設置故障點。在振蕩電路區域，振蕩頻率正常為8.8 MHz。在此區域設置了“振蕩器不起振”“振蕩頻率偏移”兩個題目。在基極調幅與丙類功放電路區，放大器諧振頻率為6.3 MHz。在此區域設有“放大器靜態工作點偏置故障”“選頻回路諧振故障”“信號匹配發射故障”三個題目。在小信號調諧放大器電路區，放大器諧振頻率為6.3 MHz，通頻帶約為500 kHz，矩形系數約為1.25。在此區域設有“放大器靜態工作點偏置故障”“有載、空載品質因數性能故障”“諧振耦合程度故障”三個題目。在二極管檢波電路區，輸入信號為調幅波信號，載波頻率為2.5 MHz，調制深度為 40%左右。在此區域設有“惰性失真”“負峰切割失真”二個題目。在混頻輸出電路區，本振信號為8.8 MHz，射頻信號為6.3 MHz。在此區域設有“本振信號輸入故障”“射頻信號輸入故障”“混頻信號輸出故障”三個題目。在中頻放大電路區，輸入信號2.5 MHz，每級的放大倍數為5～10倍。在此區域設有“放大器偏置故障”“前級放大器故障”“后級放大器故障”三個題目等。總計可以設置16個故障點。

在每個故障點旁邊設計一個開關，如果學生通過測試判斷出該位置是故障點，則按一下這個開關確認即可。如果判斷正確則此處的電路故障被排除恢復正常，同時記錄操作一次，正確操作一次，故障總數減1；如果判斷錯誤，則這次操作屬于誤操作，將計入總操作次數，而不計入正確操作次數，故障總數不變。誤操作將會影響到學生最后的考試成績，誤操作次數越多成績越差。學生答題結束后按“提交試卷”結束考試，同時系統停止計時。

1.2 教師出題考試機設計

教師出題考試機（見圖2）可以編輯考題以及設置考試時間并發送到學生考試機上。在考試前，教師出題考試機給學生考試機下發考試題目（題目是遙控學生考試機中相關電路的繼電器發生動作，從而產生故障）并設置考試時間（見圖 2(b)）。教師出題考試機可以對16個故障點任意組合，根據學生在基礎實驗和系統實驗中的操作情況，一般給每名學生設置2～4個故障，考試時長設為30 min，學生考試機在接收到考題后，學生按下開始考試按鈕進入考試狀態，系統開始倒計時，時間用盡則不能再進行操作，考試自動終止。開始考試后，教師出題考試機可以實時監測學生考試機的考試狀態，包括每臺學生考試機的考試剩余時間、總操作次數、正確操作次數、出題時設置的總故障個數等，如圖2(c)所示。這樣方便在考試過程中對誤操作次數過多的學生及時提出警告。在學生考試結束后，教師出題考試機根據學生操作情況，給出一個參考成績。

圖2 教師出題考試機

由于有了考試題目和考試操作時間的約束，學生在排除電路中的故障時，就要盡量做到又快又準。這就對學生分析電路的能力提出了較高的要求，從而要求每名學生在做基礎性實驗的時候必須認真操作，熟練操作每臺儀器設備，熟悉每個電路模塊各個測試點的波形、頻譜、幅度等參數，不能再像以前那樣依賴同伴。

2 學生實驗考核評價

對于基礎性電路實驗，學生需要根據教師下發的實驗任務書內容設計實驗方案，注明需要用到的器件和儀器，制定實驗步驟。在實驗方案中需要標明實驗測試點，預測各信號測試點的波形、頻譜、幅值等參數。在完成以上實驗預習的基礎上進行實驗測試，記錄實驗中出現的問題，分析電路故障及解決辦法并完成實驗報告，這部分成績將占總成績的20%。

對于系統性電路實驗，學生根據實驗任務書要求選擇ZK-GP4型通信電子電路實驗系統中的分模塊電路搭建幅度調制解調整機系統和頻率調制解調整機系統，并對整機系統各相關指標進行測試，對無線信號收發優劣狀況、信號質量、通信距離等給出結論并完成實驗報告，這部分成績將占總成績的20%。

除了基礎性實驗和系統性實驗外，對學生的實驗成績評定還要依據最終的實驗考試結果。學生考試結束后，在教師出題考試機的監測屏幕上可看到每臺學生考試機有幾個故障需排除、總操作次數、正確次數、剩余時間、參考成績等信息，實驗考試占總成績的 60%。最后將這三個成績綜合起來給出學生最終的實驗成績。

3 結語

通過對我校2015級、2016級和2017級三屆學生的學、教、考分離式實驗教學方法的實施，其成效明顯。學生從以往按給定實驗步驟機械地做實驗變為主動預習實驗內容并設計實驗方案，自主學習意識得到提高。學生通過實驗操作并對實驗結果進行分析，加深了對課程內容的理解，提高了學生將課堂理論應用到實際高頻硬件電路設計與測試的能力。實驗操作考試機制的改革激發了學生的實驗興趣，提高了學生獨立操作儀器的能力，學生的實驗考試成績也更加公平合理，更能反映學生的真實水平。