袁小平, 陳 燁, 陳世海, 倪亞南, 牛小玲, 蔡 麗, 毛會(huì)瓊
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)
傳統(tǒng)的模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)、集成電路分析與設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了固定的場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)儀器以及輔助器材,學(xué)生能夠真實(shí)地操作各種儀器、連接線路、排除故障,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解,從而深入理解理論知識(shí)[1-2]。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到諸如器件偏差、電磁干擾、接線錯(cuò)誤、設(shè)備故障等因素的干擾,使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離理論值或者數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,因此需要對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,甚至對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正[3-4]。在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中,學(xué)生能對(duì)各種造成干擾的因素有深刻的認(rèn)識(shí),同時(shí)也能加深數(shù)據(jù)處理和數(shù)值分析的能力,因此,傳統(tǒng)類的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室有很多優(yōu)勢(shì)[5-6]。
然而,傳統(tǒng)的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室卻也有一些缺點(diǎn)。許多設(shè)備需要高額的購(gòu)買費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,有些還需要很多的安全保障設(shè)施,此外,受到人力、財(cái)力的制約,實(shí)驗(yàn)室也只能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)開放,很大程度上制約了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)。為了解決這樣的問(wèn)題,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)(EDA,electronic design automation)應(yīng)運(yùn)而生。EDA技術(shù)借助計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速度快的特點(diǎn),可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評(píng)估、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作[7-9]。
盡管以EDA技術(shù)為代表的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室從一定程度上緩解了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)室的需要,也在學(xué)生能力培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用,但其缺乏真實(shí)性和交互性[10-13]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)各有優(yōu)勢(shì),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,充分利用虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各自優(yōu)勢(shì),虛實(shí)結(jié)合,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),對(duì)提高學(xué)生從事科研、創(chuàng)新和實(shí)際工作的能力具有重要意義。
緊緊圍繞高等學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo),依托國(guó)家級(jí)電工電子教學(xué)實(shí)驗(yàn)示范中心開設(shè)大平臺(tái)“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)”和微電子方向的“集成電路設(shè)計(jì)”等課程,按照課程建設(shè)與人才培養(yǎng)目標(biāo)相結(jié)合、教學(xué)與科研相結(jié)合、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的原則,構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力為主線,建立基礎(chǔ)驗(yàn)證性、綜合設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新研究性的多層次、多模塊的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新教學(xué)體系。體系如圖1所示。

圖1 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新課程體系
現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展促使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在電子設(shè)計(jì)與創(chuàng)新實(shí)踐中的應(yīng)用。學(xué)生通過(guò)利用EWB、Mulitisim、Protues、LabVIEW等EDA軟件直接完成電路的功能設(shè)計(jì)、性能分析、時(shí)序測(cè)試、程序編制和調(diào)試等。對(duì)較復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),要求學(xué)生對(duì)所設(shè)計(jì)的電路、相關(guān)算法先進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,得到正確結(jié)果后再進(jìn)行硬件調(diào)試。通過(guò)“虛實(shí)結(jié)合”“軟硬兼施”等多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段,通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作服務(wù)器進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn),著力培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用電子技術(shù)的綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐技能。
數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)開放式運(yùn)行,該開放式網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)包括課程管理、Proteus學(xué)習(xí)、課程實(shí)驗(yàn)、作品展示、通知/公告、輔助學(xué)習(xí)、用戶管理等模塊。其中,課程實(shí)驗(yàn)?zāi)K可以添加或查看實(shí)驗(yàn)。該課程采用虛實(shí)結(jié)合,首先要求學(xué)生設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,在實(shí)驗(yàn)室中先在Proteus軟件中仿真通過(guò),然后在實(shí)驗(yàn)箱上用芯片驗(yàn)證仿真結(jié)果,最后上傳到Proteus電子設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),具體界面如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)開放式管理系統(tǒng)

圖3 作品查看界面
在電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中,采用Proteus軟件可以實(shí)現(xiàn)模、數(shù)混合電路、單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的仿真。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成單片機(jī)實(shí)驗(yàn)的局域網(wǎng)、校園網(wǎng),學(xué)生可以不受時(shí)間、地點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制,教師可以在網(wǎng)上和學(xué)生交流、輔導(dǎo)。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有低成本(一萬(wàn)多種元器件和各種多功能虛擬儀器)、易于維護(hù)、易于管理等特點(diǎn),具有先進(jìn)性和創(chuàng)新性。該仿真軟件內(nèi)置的豐富資源為學(xué)生的綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究奠定了基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中,教師特別強(qiáng)調(diào)在實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)上要采取軟件仿真與硬件實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,同時(shí)強(qiáng)調(diào)軟件仿真的局限性,軟件仿真不能代替硬件實(shí)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生有機(jī)結(jié)合軟件仿真與硬件實(shí)踐。
基于我校電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),學(xué)生可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)完成相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn),包括虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)測(cè)控實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容,可以遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在開始進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)時(shí),客戶端可以通過(guò)界面上的一些基本操作來(lái)完成實(shí)驗(yàn),如在進(jìn)行光敏電阻的測(cè)量時(shí),只需點(diǎn)擊“測(cè)量電阻”便可進(jìn)行光敏電阻阻值的測(cè)量,遠(yuǎn)程服務(wù)端光照的改變都會(huì)影響測(cè)得的光敏電阻的阻值,而這一變化都會(huì)反映在遠(yuǎn)程客戶端。系統(tǒng)登陸界面以及實(shí)驗(yàn)相關(guān)界面如圖4 、圖5所示。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)登陸界面

圖5 光敏電阻實(shí)驗(yàn)界面
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真可以看出,基于電子技術(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的動(dòng)手實(shí)踐,不僅能幫助學(xué)生將課堂理論知識(shí)與實(shí)際更好地結(jié)合,而且有利于對(duì)學(xué)生工程概念興趣的培養(yǎng),讓學(xué)生有更多的機(jī)會(huì)實(shí)踐并體驗(yàn)真實(shí)的電路和硬件。
“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”分別為江蘇省優(yōu)秀課程、校級(jí)精品課程,積極推行開放式、啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式等多種形式的教學(xué)方法, 先后有6 項(xiàng)課題獲得了“校課程建設(shè)與教學(xué)改革項(xiàng)目”立項(xiàng)。
其中,“模擬電子技術(shù)”是我院開設(shè)歷史最長(zhǎng)的課程之一,課程面向我院所有本科生,每年第2學(xué)期開設(shè),課程為專業(yè)基礎(chǔ)課,平均每年面向600名本科生開課。模擬電子技術(shù)于2004年獲江蘇省二類優(yōu)秀課程,“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”于2007年被評(píng)為校級(jí)精品課程。課程建設(shè)小組成員多次獲得過(guò)校級(jí)、院級(jí)的教學(xué)成果獎(jiǎng)和優(yōu)秀教學(xué)質(zhì)量獎(jiǎng)。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)針對(duì)本科教學(xué)模式及方法進(jìn)行積極探索,發(fā)表了一批教學(xué)教育論文。各成員注重將科研成果融入教學(xué),并積極參與開展大學(xué)生課外科技活動(dòng),取得了優(yōu)異成績(jī)。教師是辦學(xué)的主體,是決定人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵。在主講教師隊(duì)伍建設(shè)中,嚴(yán)把資格關(guān)、控制上崗關(guān)、做好考評(píng)關(guān),要求教授、副教授必須講授本科課程。把是否給本科生授課且教學(xué)效果好作為教師晉升高一級(jí)職務(wù)的條件之一。教師具有較豐富的教學(xué)和科研經(jīng)驗(yàn),教學(xué)中注意引用優(yōu)秀英文原版教材,將最新的研究成果應(yīng)用于教學(xué),及時(shí)反映學(xué)科前沿的新知識(shí)和新信息,充分體現(xiàn)教學(xué)的先進(jìn)性和創(chuàng)造性,保證了本科教學(xué)質(zhì)量的提高。
“數(shù)字電子技術(shù)”課程是我校電子系列課程的主干課程之一,是電子信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)本科學(xué)生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)的基本理論及數(shù)字邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法,培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)際技能,為后續(xù)多門專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。學(xué)生通過(guò)本門課程的學(xué)習(xí),可以掌握數(shù)字電子技術(shù)理論知識(shí)、提高數(shù)字電子電路設(shè)計(jì)能力,增強(qiáng)動(dòng)手實(shí)踐能力。課程內(nèi)容主要包括數(shù)字邏輯基礎(chǔ)、邏輯門電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、脈沖信號(hào)產(chǎn)生與整形、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件和模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換這幾大部分。“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)”課程作為電子信息工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)工程等專業(yè)本科學(xué)生必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課,對(duì)我校電子信息類人才的培養(yǎng)具有重要意義。
鼓勵(lì)教師編寫高質(zhì)量反映技術(shù)特征的特色教材,共有2本教材正式出版,其中的《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)教程》被評(píng)為 “十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材(2008年)、“江蘇省精品教材”(2011年)、 “江蘇省重點(diǎn)立項(xiàng)資助教材”(2014年),《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》2015年獲“江蘇省重點(diǎn)立項(xiàng)資助教材”。
《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)教程》主要包括概述、通用型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、典型設(shè)計(jì)舉例、電子綜合設(shè)計(jì)抗干擾技術(shù)、AHDL語(yǔ)言及其應(yīng)用、VHDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介、單片機(jī)C51開發(fā)與應(yīng)用、器件常用下載技術(shù)、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的常用接口技術(shù)、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐等內(nèi)容,適用于電類、信息類等專業(yè)學(xué)生使用,并可作為電路設(shè)計(jì)工程師的參考書籍。
《數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教程》以目前使用的主流數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)內(nèi)容為主線,按章節(jié)編寫了4章共24個(gè)數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。教材簡(jiǎn)明易懂,可操作性強(qiáng),可作為電氣信息類、計(jì)算機(jī)類、自動(dòng)化類、電氣類等本科專業(yè)學(xué)生的數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、EDA實(shí)訓(xùn)課題等實(shí)踐教學(xué)教材,也可作為從事電子技術(shù)開發(fā)的工程人員以及廣大愛好者的參考書。
教師及時(shí)將科研成果應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,先后研制了電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱(模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn))及數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),滿足電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程的需要,共研制教學(xué)儀器設(shè)備150余件套,“基于模塊化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)”的技術(shù)含量代表先進(jìn)技術(shù)方向,先后獲得校級(jí)自制儀器一等獎(jiǎng),獲得第三屆全國(guó)自制儀器設(shè)備二等獎(jiǎng)。該平臺(tái)的研制為電子設(shè)計(jì)與創(chuàng)新奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。
教師通過(guò)開展綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新研究性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)開發(fā)典型實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例,電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)案例、電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例分別獲得全國(guó)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例評(píng)比一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。
其中,首屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)案例比賽三等獎(jiǎng)作品“脈沖電磁發(fā)生器”是一個(gè)利用電路理論、模擬或者數(shù)字電子技術(shù)解決工程實(shí)際問(wèn)題的典型案例,需要運(yùn)用三角波產(chǎn)生電路、單門限電壓比較器電路、LC電路、三極管電流放大電路、固態(tài)繼電器等相關(guān)知識(shí)。脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器可用于醫(yī)療電子、礦物加工等領(lǐng)域。第二屆全國(guó)實(shí)驗(yàn)案例比賽一等獎(jiǎng)作品“多路搶答器”是數(shù)字電路的一個(gè)典型案例,它綜合運(yùn)用了組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路的知識(shí),采用SSI、MSI邏輯芯片完成傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,或者通過(guò)使用PLD,采用HDL語(yǔ)言編程,在EDA系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)不僅要具備硬件電路的連接與調(diào)試、硬件電路故障排除的能力,還需要具備較強(qiáng)的程序編寫能力和分析解決問(wèn)題的能力。
經(jīng)過(guò)10多年的教學(xué)實(shí)踐和理論探索,構(gòu)建了具有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和信息與工程控制學(xué)院特色的虛實(shí)結(jié)合的電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新課程體系,培養(yǎng)了一批具有電子設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力、具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才,提升了我院大學(xué)生在就業(yè)、考研、未來(lái)職業(yè)發(fā)展等方面的空間,形成了廣泛的社會(huì)效應(yīng)和豐碩的學(xué)生成果。主要表現(xiàn)在:
(1) 社會(huì)影響較大。隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,極大地促進(jìn)了EDA技術(shù)的發(fā)展,1999年,袁小平作為電工電子實(shí)驗(yàn)中心副主任,以與臺(tái)灣最大的教學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)商掌宇公司合作為契機(jī),及時(shí)跟蹤現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的最新成果,引進(jìn)、消化、吸收虛擬電子設(shè)計(jì)工作臺(tái)(簡(jiǎn)稱EWB)、復(fù)雜可編程邏輯器件開發(fā)等世界前沿的EDA技術(shù),開發(fā)了用于超大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件學(xué)習(xí)與科研的一系列實(shí)驗(yàn)箱,編寫了《電路模擬仿真平臺(tái)》講義、編著了《復(fù)雜可編程邏輯器件應(yīng)用與開發(fā)》教材,面向全校開設(shè)了“電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)”選修課。此外,依托中心先后連續(xù)3年舉辦了4屆全國(guó)高校EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)培訓(xùn)班、研討會(huì),對(duì)參加培訓(xùn)的近百所全國(guó)高校的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革發(fā)揮了重要的作用。多次面向高校師生、企業(yè)技術(shù)骨干舉辦SOPC新技術(shù)培訓(xùn)班,對(duì)蘇北乃至淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)的高校EDA技術(shù)的發(fā)展與推廣起到了推波助瀾的作用。編寫的《電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)教程》先后被國(guó)內(nèi)十幾所高校應(yīng)用。
(2) 學(xué)生成果豐碩。1999年來(lái),課程組負(fù)責(zé)人一直負(fù)責(zé)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的組織、指導(dǎo)工作,并取得了優(yōu)異的成績(jī)。近10年來(lái),指導(dǎo)學(xué)生參加科研訓(xùn)練計(jì)劃和大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目28項(xiàng),發(fā)表教學(xué)研究論文40多篇,獲全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽獲省市級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)28項(xiàng),其中,“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng),全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)10項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)16項(xiàng)。每年有大批學(xué)生被“211工程”“985工程”高校錄取攻讀碩士、博士研究生,大批學(xué)生進(jìn)入國(guó)內(nèi)知名企業(yè)從事技術(shù)工作。
(3)學(xué)生受益面廣。該成果是在教師邊研究邊實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)、逐漸成熟的,先后在國(guó)家級(jí)特色專業(yè)的申報(bào)、國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的驗(yàn)收、江蘇省品牌專業(yè)申報(bào)中起到了增色添彩的作用。該成果先后于2012—2015年面向電氣信息類專業(yè)學(xué)生開設(shè)平臺(tái)課程“模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”“電子技術(shù)綜合設(shè)計(jì)”等實(shí)踐課程,面向電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開設(shè)“集成電路設(shè)計(jì)”。所開發(fā)的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源轉(zhuǎn)化為非電類課程的教學(xué)資源,面向全校學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新研究、實(shí)驗(yàn)室開放、學(xué)科競(jìng)賽的培訓(xùn),每年受益學(xué)生多達(dá)800人,使電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等項(xiàng)目成為我院乃至我校的品牌與特色。