基于工程教育專業認證的電子技術實驗教學改革實踐

吳昌東,陳永強,江 樺

(1.西華大學 電氣與電子信息學院,四川 成都 610039；2.西南交通大學 峨眉校區計算機與通信工程系,四川 峨眉 614202)

我國工程教育專業認證的一般標準中明確提出工程教育專業的畢業生應具備專業基本理論知識、創新態度和意識、反映當代工程實踐對工程師素質的基本要求。工程教育專業認證作為提升工程人才培養質量的有效途徑[1],要突出綜合性、實踐性、創新性,并將工程實踐與素質教育結合起來,培養學生的創新能力及綜合素質[2]。目前,西華大學正在對電氣工程及其自動化專業進行工程教育專業認證,以此為契機,采用國際化標準,積極培養具有工程實踐能力的大學生,努力提高學生的創新精神與實踐能力,使學生能夠在校內進行工程能力訓練,進一步提高人才培養質量。

1 電子技術實驗存在的問題

電子技術課程實驗是電氣信息類學生的一門重要專業實驗課,是培養學生動手能力、工程素質和創新意識的重要途徑。目前,西華大學的電子技術實驗主要存在以下幾點問題:

(1) 實驗內容和實驗設備單一,更新慢。傳統實驗模式陳舊、老套,內容枯燥乏味[3],涉及知識面窄,更新慢,基本保持數十年不變,缺乏時代性及先進性。教學內容及教學方式單調[4],缺乏啟發性。教師教學積極性不高,學生學習興趣及積極性不高,實驗效果不理想。

(2) 理論與實際聯系不緊密。大多數實驗仍然是驗證性實驗,缺少與實際工程背景相關聯的實驗。理論與實際脫節,學生缺乏現代工程設計思想和方法[5],無法將理論運用于實際,無法提高學生處理實際工程項目的能力。學生應用專業知識能力不強,后續發展潛力不足[1]。

(3) 缺少綜合性及創新性實驗。各個實驗之間相對獨立,聯系不緊密,沒有形成有效的系統性、綜合性實驗。此外,實驗教師課前就將實驗器材準備完好,大多數實驗只需根據已擬定好的實驗步驟進行操作、測試就能夠完成實驗[6],實驗功能固定,無法進行系統擴展[7]。實驗創新實踐空間受限,與工程教育認證標準不一致[8]。

(4) 實驗開放性不足。傳統教學方法理論與實驗分開進行,學生在教室學習理論知識,在實驗室進行實驗。學生在實驗課內做完實驗,就沒機會再次進行相關實驗,實踐機會少。實驗時間、實驗室、實驗內容都是固定的,不具備開放性。

針對傳統實驗教學的不足,以工程教育專業認證為契機,與時俱進,引導學生積極探索未知世界[8]。增加反映本專業前沿發展的相關新技術內容,增加融基礎、實用、前沿于一體的實驗內容[9],增加案例性、實踐性、討論式實驗[10],將實驗內容從課內向課外延伸。開放實驗室,以實際項目為背景,開設一些獨立的開放性、自主性及創新性實驗,讓學生從實際需求出發,進行大膽的實驗設計與創新,培養學生的工程意識,最大限度地調動學生積極性。通過實驗,讓學生不僅掌握電子技術實驗的基本內容,并通過開放實驗教學內容及形式,提高學生邏輯思維能力、獨立思考能力及動手實踐能力。

2 實驗教學設計

經典實驗內容應該繼承與發展,在合理化驗證性實驗基礎上,增加突出自主創新設計性實驗[11]。利用現代信息技術和多元化立體教學資源,運用計算機輔助實驗手段,以傳統基礎電路為模型,通過逐步改進傳統電路提高學生優化電路能力,從而提高學生設計電路能力。此外,針對實際案例,設置能夠反映當代工程實踐的提高性實驗,學以致用,逐步提高學生學習積極性,培養創新型人才。

2.1 驗證及改進型實驗

傳統教學實驗大多數以驗證性為主,缺少對電路的改進。本實驗以功率放大電路為例,利用Tina Pro軟件對電路仿真,發現傳統電路不足并加以改進,逐步提高學生發現問題并解決問題的能力。

功率放大電路是一種以輸出較大功率為目的的放大電路。按照功率管導通角不同,可分為甲類、乙類、甲乙類、丙類等類型。Tina Pro是一款優秀的教學及學習軟件,主要用于模擬、數字以及混合模式仿真分析[12-13],將其作為學習輔助工具,能直觀形象地觀察功率放大電路仿真結果。

圖1(a)為甲類功率放大電路。為了對比輸入輸出波形,將輸入電壓vi與輸出電壓vo顯示在同一坐標軸中。

圖1 甲類功率放大電路及其仿真

已經證明,甲類功率放大電路,輸出功率小,靜態功率大,效率較低[14-15]。為了提高功率放大電路的效率,采用圖2(a)所示乙類互補功率放大電路。

三極管發射結存在正向導通死區電壓,在正負半周交替過零處會出現交越失真。為了克服交越失真,在T1、T2基極間串聯2個二極管D1、D2,以提供三極管導通所需偏置電壓,電路如圖3(a)所示。圖3(b)仿真結果表明該電路能有效消除交越失真。

圖2 乙類雙電源互補對稱功率放大電路及仿真圖

圖3 甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路及仿真圖

圖3(a)消除了交越失真,但T1、T2間的電壓和D1、D2間的電壓均易受環境因素影響,而且三極管與二極管的電壓變化率不同,從而電壓跟隨效果不理想,這對于某些測試電路是不利的。圖4(a)電路采用三極管T3、T4代替D1、D2,利用三極管T1與T2間、T3與T4間的電壓受環境變化的影響相同而易做到匹配,不僅很好地消除了交越失真,而且具有很好的電壓跟隨效果。

圖4(a)雖然很好地克服了交越失真并具有電壓跟隨效果,但T1、T2的基極間的偏置電壓不便于調整。如何改進電路來調節偏置電壓？若是單電源供電,電路結構該如何改變？仿真結果又會怎樣？對于這一系列問題,可以讓學生利用Tina Pro軟件進行設計及仿真練習,以便更好地培養學生邏輯思維能力及優化電路能力。

第一，控制好工程的具體施工質量，各項施工內容應當滿足規范的要求，橋梁墩臺豎直方向高度偏差要控制在橋梁墩臺高度的2%以內，上限應當控制在2cm以內。由此可見，正常施工期間，平臺滑升1m，就可以對墩臺中心進行一次校正。若平臺滑升期間發生了偏扭，施工人員應當查明引起問題的主要原因，并且要糾正問題。糾正過程中，使用的方法一般出現偏扭一側的千斤頂相對提升3cm后，再逐步糾正，再該過程中，每次糾正量不宜過大，避免發生彎曲。

2.2 拓展性及開放性實驗

設置拓展性及開放性實驗,應用現代工程工具和信息技術對實際問題進行分析、研究和驗證來培養學生解決實際問題的能力。學生之間可相互討論,在團隊協作中發揮特長,培養團隊協作意識。本實驗結合生活實例,以錄制語音并觀察其信號、頻譜和設計八路呼叫器為例進行電路設計,目的是提高學生學習熱情,讓學生將理論與實際相結合,并熟練運用相關軟件設計電路,提高設計實用電路能力。

2.2.1 實驗1:錄制語音,觀察其波形及頻譜

操作步驟:

(1) 使用手機錄制語音信息,并保存為語音文件；

(2) 利用Bigasoft M4A Converter軟件修改語音文件格式為WAV格式文件；

(3) 在Tina Pro軟件中建立圖5電路模型；

(4) 在信號源中導入“我的聲音”信號(見圖6)；

圖4 改進型甲乙類雙電源互補對稱功率放大電路及仿真

圖5 測試聲音信號模型

圖6 導入聲音信號界面

圖7 聲音信號波形

(6) 選中信號,單擊右鍵,選擇“Frequency Spectrum”獲取聲音頻譜(見圖8)。

圖8 聲音信號頻譜

學生通過觀察、分析自己的聲音及其他學生的聲音信號及頻譜的異同,對該實驗建立了極大的興趣,紛紛采集動物聲音、音樂等實際信號進行仿真及分析,實驗效果很好。由于該實驗與每位學生都息息相關,對于提高學生學習熱情及積極性具有重要意義。

2.2.2 實驗2:設計呼叫器

為了提高服務響應速度,呼叫器應運而生,其廣泛應用于醫院、養老院、超市、企業、賓館、銀行及政府辦公大樓等場合。為了讓實驗更具開放性,學生可通過查閱資料和討論,根據實際需要設計多路呼叫器。

圖9八路呼叫器中,CD4532為編碼器,若S0—S7中有人按下按鍵,則I0—I7中相對應的輸入端為低電平,通過CD4532編碼后,Q2、Q1、Q0輸出對應的三位二進制碼。74HC138是譯碼器,由Q2、Q1、Q0作為其輸入端A、B、C的輸入。74HC138輸出低電平有效,當其輸出端有一個為低電平時,對應的發光二極管發光,從而確定是哪路信號有請求。

圖9 八路呼叫器

除了設計八路呼叫器,還可以設計十六路、三十二路等呼叫器,同時可根據實際需要增加一些智能化、人性化功能,體現實驗的開放性及創新性。

將生活實例應用于實踐,在綜合運用相關知識的基礎上設計應用型電路。通過分析、解決實際問題并得出有效結論來提高學生創新實踐能力。通過對實驗方法的改革,學生學習及實驗的熱情有了明顯提高,學生積極參加國家職業資格考試,多人次參加電子技術相關競賽并獲獎,學生開發電路的能力有所提高,畢業設計質量也明顯提高。

3 結語

當前,學校正在積極開展工程教育專業認證。為了更加積極有效地支持專業認證工作,培養創新型人才,對電子技術基礎實驗進行了改革。通過利用Tina Pro軟件對電路進行設計與仿真分析,提出電路改進方案。同時,將理論運用于實際,設計與生活實例相關的電路。實踐表明,通過實驗改革,學生將理論應用于實際,學以致用,不僅有利于學生掌握理論知識,還能提高學生的創新實踐能力,教學質量也得到進一步提高,這與工程教育專業認證目標相一致。

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