基于進(jìn)階式創(chuàng)新教育的電子線路實(shí)驗(yàn)案例研究

張姍姍 信海輝 張雅楠

（1.大連海事大學(xué) 遼寧·大連 116026；2.大連科技學(xué)院 遼寧·大連 116052）

隨著我國(guó)科技水平的飛速提升，需要大量具有創(chuàng)新意識(shí)以及實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。2021年是我國(guó)實(shí)施“十四五”規(guī)劃的第一年，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新培養(yǎng)，對(duì)推動(dòng)創(chuàng)新高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。高校需做好深化教育教學(xué)綜合改革工作，將創(chuàng)新教育融入人才培養(yǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，大力推動(dòng)高等教育高質(zhì)量發(fā)展，以適應(yīng)全球化及中國(guó)經(jīng)濟(jì)新形勢(shì)的需求。

我校信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院承擔(dān)了電子信息類專業(yè)的教學(xué)，電工電子國(guó)家級(jí)示范實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心負(fù)責(zé)基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，通過多次教學(xué)改革，開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，探索并建立適合不同知識(shí)儲(chǔ)備的學(xué)生的進(jìn)階式的教學(xué)模式，倡導(dǎo)以學(xué)生為主體的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)教學(xué)與改革，將創(chuàng)新思想良好的植入日常教學(xué)中。

實(shí)驗(yàn)中心教師學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)的CDIO設(shè)計(jì)理念，將課程抽象分為幾個(gè)子任務(wù)，將相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)點(diǎn)、創(chuàng)新教育融合一體，形成本實(shí)驗(yàn)案例，參加全國(guó)高校電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例競(jìng)賽，并獲得北部賽區(qū)二等獎(jiǎng)。實(shí)驗(yàn)案例讓學(xué)生通過進(jìn)階式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成綜合設(shè)計(jì)，將所學(xué)知識(shí)融合聯(lián)系的應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，選擇學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，取得事半功倍的效果。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求

作為電子線路課程設(shè)計(jì)這門課的多個(gè)備選題目之一，本實(shí)驗(yàn)案例的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的七音電子琴發(fā)聲裝置，實(shí)現(xiàn)音樂C大調(diào)中不同音節(jié)聲音的播放，同時(shí)需要完成對(duì)應(yīng)不同音調(diào)的電壓顯示、指示燈顯示等功能。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分層次以階梯式遞增進(jìn)行要求：

（1）基本要求，利用555芯片或LM324芯片、LM386芯片，實(shí)現(xiàn)按下不同的琴鍵，能夠發(fā)出C調(diào)的七個(gè)基本音節(jié)，通過喇叭播放出來，輸出頻率與各音節(jié)相符，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)音量的調(diào)節(jié)功能。這是基本的功能要求，所用知識(shí)都在前期的單元實(shí)驗(yàn)中有所涉及，學(xué)生只需綜合運(yùn)用即可完成。

（2）進(jìn)階要求，通過頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，將不同音節(jié)的頻率值，用直流電壓值的形式顯示出來。參考使用芯片LM331。首次接觸LM331芯片，學(xué)生需要自學(xué)查找資料，學(xué)習(xí)芯片的使用并實(shí)現(xiàn)功能。

（3）擴(kuò)展設(shè)計(jì)，將不同的音節(jié)，用發(fā)光二極管燈柱的形式顯示出來?！癲ou”顯示一個(gè)燈，“re”顯示兩個(gè)燈，以此類推，“si”顯示七個(gè)燈。引入創(chuàng)新思維教育，鼓勵(lì)學(xué)生以更多的方式來展示音節(jié)。

在此實(shí)驗(yàn)案例中，實(shí)現(xiàn)分層次進(jìn)階式教學(xué)。通過按鍵鍵盤，激發(fā)產(chǎn)生不同頻率的震蕩線路，產(chǎn)生方波信號(hào)，并通過功率放大模塊利用喇叭進(jìn)行播放。同時(shí)信號(hào)經(jīng)過頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊，以電壓的形式顯示出不同的音節(jié)對(duì)應(yīng)的電壓值。通過顯示模塊，用不同的方式來顯示不同的聲音音調(diào)。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了模擬電子技術(shù)中的振蕩電路，頻率電壓變換電路，運(yùn)算放大器、電壓比較器、功率放大器等知識(shí)內(nèi)容?？梢岳?LM324或者 555芯片構(gòu)成振蕩電路，LM386完成功率放大功能，實(shí)現(xiàn)聲音的輸出。涉及電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真軟件的應(yīng)用、數(shù)據(jù)的測(cè)量及分析等相關(guān)知識(shí)與技術(shù)方法。是模擬電子技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)生活和工程實(shí)際問題的典型案例。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中每一個(gè)模塊功能的實(shí)現(xiàn)，可以有多種方案進(jìn)行選擇。以其中的某一種為例來闡述實(shí)驗(yàn)的可行性。

2.1 多諧振蕩電路

由于RC振蕩電路一般用來產(chǎn)生1Hz～1MHz范圍內(nèi)的低頻信號(hào)；而LC振蕩電路一般用來產(chǎn)生1MHz以上的高頻信號(hào)，對(duì)于要產(chǎn)生的 C調(diào)的 8個(gè)音階范圍為264Hz～528Hz，我們可以指導(dǎo)學(xué)生選擇RC振蕩電路。

2.2 功率放大部分

功率放大級(jí)的作用是把信號(hào)進(jìn)行功率放大，提供不失真的功率信號(hào)，要求功率放大器輸出功率盡可能大，輸出非線性失真盡可能小。集成功放塊的種類很多，本設(shè)計(jì)參考采用的集成功放塊型號(hào)為L(zhǎng)M386。

2.3 頻率電壓變換模塊

可以使用555芯片實(shí)現(xiàn)頻率電壓轉(zhuǎn)換。隨著輸入信號(hào)達(dá)到比較電平，放電晶體管的打開與閉合給電容充電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)頻率電壓轉(zhuǎn)換。但使用該方法頻率電壓轉(zhuǎn)換的精度受到頻率與溫度的影響，在給定的范圍內(nèi)可能存在較大誤差，故一般不采用。

對(duì)應(yīng)不同的音節(jié)產(chǎn)生了頻率不同方波信號(hào)，可以使用LM331芯片的頻率電壓轉(zhuǎn)換功能。進(jìn)入LM331及其外圍組成的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路后，輸出為對(duì)應(yīng)的電壓值。為了方便，可以將輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)與音節(jié)的頻率值相互對(duì)應(yīng)。264Hz對(duì)應(yīng)的是2.64V.

圖2：LM331外圍電路結(jié)構(gòu)圖

2.4 顯示模塊

可視化的音調(diào)顯示多種多樣，可以選用發(fā)光二極管燈柱的形式進(jìn)行直觀顯示。音調(diào)越高，轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)值越大，點(diǎn)亮發(fā)光二極管的個(gè)數(shù)也越多。可以采用三極管來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，也可以使用運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，來驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。

學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)室提供的儀器來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，也可以自己拿孔板焊接，優(yōu)化電路。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)做好記錄，進(jìn)一步進(jìn)行分析總結(jié)，訓(xùn)練學(xué)生的工程素養(yǎng)。

3 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)施

在整個(gè)教學(xué)過程中將知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值塑造三者深度融合，依托雨課堂和豐富的在線教學(xué)資源，開展課前、課上、課后無縫銜接的理論教學(xué)，著重實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授。在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)室，開展虛與實(shí)、線上與線下、課內(nèi)與課外相結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)，著重實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)。并且堅(jiān)持把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，將思政教育與在線教學(xué)密切結(jié)合，做到“思政課程”和“課程思政”在線教學(xué)資源建設(shè)兩手抓，并尤其注重挖掘課程中的“海味”思政元素，從而將教書與育人有機(jī)統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造。

圖3：教學(xué)實(shí)施總體圖

課前通過雨課堂小測(cè)試，對(duì)學(xué)生的已有基礎(chǔ)知識(shí)掌握情況進(jìn)行摸底。并根據(jù)實(shí)際情況總結(jié)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行一次整體的網(wǎng)絡(luò)授課。期間將課程設(shè)計(jì)的基本要求、所用儀器的使用、題目的要求發(fā)送給學(xué)生。學(xué)生可以根據(jù)自己分配到的題目要求，查閱資料，了解產(chǎn)生不同頻率的方法、頻率-電壓的轉(zhuǎn)換方式、電壓顯示的不同途徑，設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)方案，并對(duì)各方案進(jìn)行分析，選擇合適的方案。確定原理圖。

要想使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有深入的理解，需要學(xué)生主動(dòng)融入教學(xué)過程中，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生要主動(dòng)參與進(jìn)來。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，分析各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)技術(shù)指標(biāo)。

最后在模擬電路教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱上，使用面包板連接實(shí)物，進(jìn)行整體調(diào)試。對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，注意元件的有效使用。要求學(xué)生根據(jù)性能指標(biāo)要求，自行設(shè)計(jì)測(cè)試方法，測(cè)試基本功能中不同的音節(jié)對(duì)應(yīng)的頻率值，同時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值，燈柱的顯示情況等。記錄測(cè)試結(jié)果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的考評(píng)與成效

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一樣，實(shí)驗(yàn)的考評(píng)要從預(yù)習(xí)、仿真、實(shí)物連接、調(diào)試檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾個(gè)方面進(jìn)行。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不同的是，我們引入多種評(píng)判手段，利用雨課堂的實(shí)時(shí)測(cè)試題對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)程度進(jìn)行考核；以工程認(rèn)證為依托，對(duì)不同的層次不同的階段設(shè)置規(guī)范化的評(píng)判準(zhǔn)則；以學(xué)生為主，將評(píng)價(jià)回歸學(xué)生，通過類似答辯的形式，展示自己的成果，由其他同學(xué)進(jìn)行評(píng)分。綜合各方面的實(shí)施過程，對(duì)學(xué)生的課程完成過程進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過近兩年的進(jìn)階式創(chuàng)新教學(xué)實(shí)施，多方面取得了良好的成效。

圖4：學(xué)生成果實(shí)物圖

不同層次的學(xué)生，通過進(jìn)階式的教學(xué)，各自取得了適用于不同知識(shí)水平的學(xué)習(xí)成果。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較枯燥，改革后結(jié)合生活實(shí)際的實(shí)驗(yàn)案例，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。開放性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維，將普通的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增添了趣味性和個(gè)性化。

考核評(píng)價(jià)方面，更加細(xì)化了不同層次的評(píng)分準(zhǔn)則。對(duì)不同知識(shí)儲(chǔ)備的學(xué)生，通過進(jìn)階式教學(xué)，為評(píng)分提供了多方面的依據(jù)，雨課堂的測(cè)試，同學(xué)之間的互評(píng)，多方面多角度的給出學(xué)生的成績(jī)，使得最終的評(píng)分更公平，更能體現(xiàn)學(xué)生的真實(shí)能力。

教師在積極進(jìn)行教學(xué)改革，參加實(shí)驗(yàn)案例競(jìng)賽的過程中，由教到學(xué)，擴(kuò)展視野，在展示已有成果的同時(shí)也向其他優(yōu)秀的參賽案例學(xué)習(xí)，并應(yīng)用到接下來的教學(xué)改革中。教師的知識(shí)儲(chǔ)備更加豐富，專業(yè)技能和技術(shù)水平也得到提高。

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)過程中，選擇和設(shè)計(jì)出具有目的明確、客觀真實(shí)、創(chuàng)新性強(qiáng)、結(jié)果多元化、實(shí)現(xiàn)過程分層進(jìn)階等特點(diǎn)的案例。通過實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求、教學(xué)方法和教學(xué)模式設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)、研究發(fā)現(xiàn)、掌握實(shí)驗(yàn)知識(shí)方法與技能，綜合運(yùn)用知識(shí)、接觸工程實(shí)際、開展進(jìn)階式探索研究，提高教學(xué)效果。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中牢固樹立并落實(shí)“學(xué)生中心”的教育理念，通過三位一體、三元融合的在線教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)踐，最終實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式從“以教為主”向“以學(xué)為主”轉(zhuǎn)變，教學(xué)空間從以課堂教學(xué)為主向線上、線下相結(jié)合轉(zhuǎn)變，教學(xué)資源供給從“以教定學(xué)”向“以學(xué)定教”轉(zhuǎn)變，教學(xué)評(píng)價(jià)從結(jié)果性評(píng)價(jià)向形成性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)變，完成進(jìn)階式創(chuàng)新教學(xué)的轉(zhuǎn)換。

以賽促教，創(chuàng)新促學(xué)，針對(duì)不同層次的學(xué)生進(jìn)階式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，保持好學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)還可以帶動(dòng)教師的教學(xué)積極性，豐富課堂內(nèi)容，促進(jìn)電子線路實(shí)驗(yàn)的良好改革。