设计性实验项目建设的探索与实践

电子技术综合性、设计性实验项目建设的探索与实践

陈学英　习友宝

（电子科技大学电子工程学院　成都　610054）

摘要：本文阐述了电子技术综合性、设计性实验项目的界定、内容的建设、实施过程的建设。文中实验项目建设的探讨是根据多年指导电子技术综合性、设计性实验的过程中的一点体会。本着循序渐进、由浅入深的思想指导实验项目的建设与过程的实施，从设计的初步感性到深入研究，培养了学生浓厚的实验兴趣，也有利于激发他们的创新意识，完善教学目的和效果，同时为创新人才的培养提供坚实的基础。

关键词：综合性实验项目　设计性实验项目　项目内容　项目实施

一、引言

实践教学是培养具有创新精神和实际能力的高级专门人才的重要环节，是实现人才知识、能力、素质协调发展的重要途径和手段。提高学生的实践能力和创新能力，基础知识的掌握非常重要，但基础知识的灵活应用就更为重要，电子技术综合性、设计性实验项目的建设则是电子技术基础知识灵活应用的实验平台。综合性实验项目的建设主要注重培养学生对基础知识和基本实验技能的综合运用能力，为设计性实验的开展奠定基础；设计性实验项目的建设重点在于，培养学生科学思维及提出问题、分析问题和解决问题的能力。在电子技术实验课程体系中，工程训练、验证型的基础实验和综合性、设计性实验各具不可代替的作用，前者有助于理解和巩固基本知识和基本理论，训练和掌握基本技能；后者有助于培养学生综合的电路设计和调试能力，为以后的课程学习和科研工作打下良好的基础，是培养创新型人才的基石之路。由于综合性、设计性实验实现难度大、电路复杂、故障率高，学生上手困难，开始做实验畏难情绪很大，因此如何提高此类实验的教学效果，激发学生的实验兴趣，其实验项目的开发与建设尤为重要，它包含了实验项目的确定，过程的实施等内容，是我们指导综合性、设计性实验教学过程所关心的问题和追求的目标。下面就这方面的内容作些探讨，本着通过实验室对综合性、设计性实验项目的建设和开发的探索与实践，达到预期的教学目的。

二、电子技术综合性、设计性实验项目的界定

1．电子技术综合性实验

综合性实验项目是指实验内容涉及本课程知识的综合或与本课程相关的多门课程知识的综合应用实验（比如模拟电路相关的综合性实验，数字电路相关的综合性实验等）。一般而言，综合性实验项目的综合特征除了实验内容的综合性以外，还应体现在实验方法的多元性、实验手段的多样性，对学生的知识、能力和素质的综合培养。

● 实验内容的综合性：实验内容的综合性是综合性实验的重要特征，旨在培养学生对知识的综合能力和对综合知识的应用能力。对基础课而言，实验内容一般为涉及本课程的知识综合或系列课程知识综合，而专业课则常常涉及相关课程或多门课程的综合知识（比如单片机应用电路的实验，要涉及数字电路、模拟电路、计算机原理、单片机原理等相关知识的综合应用）。即能将一门课程中两个及两个以上的知识点有机结合，或者能将两门或两门以上课程的知识点有机结合的实验可认定为综合性实验。

● 实验方法与手段的多元性：即在同一个实验中，综合运用两种或两种以上的实验方法与手段完成实验任务的要求（比如流水灯的控制电路，既可以用基于基本IC器件实现，也可用基于单片机的编程控制实现，也可用基于可编程的VHDL语言实现），采用不同的设计手段与方法，可以培养学生运用不同的思维方式综合分析问题、解决问题、掌握不同的实验技能。

● 人才培养的综合性：通过实验内容、方法、手段的综合运用，达到能力、素质的综合培养。

综合性实验可以在一门课程的一个循环之后开设，也可以在几门课程之后安排一次有一定规模的、时间较长的实验。

2．电子技术设计性实验

设计性实验是指给定实验目的要求和实验条件，在教师的指导下由学生自行设计实验方案，选择实验方法和实验仪器，拟定实验步骤，加以实现并对实验结果进行分析处理的实验。

设计性实验可以采取如下形式：

● 教师给定题目，学生自定实验方案、实验步骤、自选（或自行设计、制作）仪器设备并独立完成。

● 学生自定题目，并独立完成从查阅资料、拟定实验方案到完成实验的全过程。

设计性实验在教师指导下可以是学生单人、也可以由学生组成小组或团队协同合作完成。小组或团队协同完成时，应由教师明确其在小组或团队内的分工，尽量使每个学生受到全面的训练。设计性实验一般可在学生常规或综合性实验训练的基础上，经历了一个由浅入深的过程之后开设。

三、电子技术综合性、设计性实验项目内容的建设

电子技术综合性、设计性实验项目由于题目实现的难度大、电路复杂、学生畏难情绪高，因此实验项目的安排应循序渐进、由易到难，该部分可由三个层次分别实现。

1．装配和调试性的综合性、设计性实验项目的建设

该部分的实验项目，给出电路图、参数及印制板，学生进行对已给电路的原理图和印制板图的绘制，同时进行电路板器件的装配和电路系统的调试。这部分的实验项目最好具有趣味性和实用性。实现的方式是纯硬件电路，比如收音机、对讲机、数字钟、遥控门铃、楼道灯声光控开关等。该部分实验目的主要在于增强学生对器件、电路的感性认识，同时对电路实现的装配过程有些基本了解。同时最好要求学生学习绘制电路的工具软件——Protel，绘制已给实验项目的电路图和PCB图。通过这部分实验项目的建设，拉近学生对身边电子产品与实现方式的距离，揭开电子产品功能的神秘性，增强电路实验的好奇性。这部分实验项目的建设，需要配备实验场地、实验仪器设备与工具。比如要有电脑平台的工作房间（电脑内设实验项目的要求、项目的工作原理图，相关工具软件、多媒体课件等），同时还需具有印制板元器件装配平台的工作房间（内放与焊接相关的工具如，烙铁、镊子、焊锡、焊剂、元器件包，用于测试的仪器仪表，如万用表、电源及实验项目中其他相关的专用仪器等）。该部分的实验课程可开设在大学一年级上期或下期进行。

2．基础课程相关知识的综合性、设计性实验项目的建设

本科学生在一年级的下学期和二年级的上学期开始进行专业基础课程的理论学习，由于电子技术类的基础课程很大部分需要实验演示来增强学生的理解，如果在此基础之上再开设一些综合性、设计性的实验项目则可增强这些理论知识的应用，达到学以致用的目的。所以这部分的实验是在紧密跟随课程知识的验证性实验基础之上进行的，一般可以在验证性实验之后拓展2～3个这样的实验项目，放在本课程结束之后一个学期末进行。关于此类综合性、设计性实验，其项目的确定一般依据课程的内容而设。与电子技术基础课程相关的综合性、设计性实验项目可参见表1。基础课程的综合性、设计性实验项目的开设可以增强学生对比较复杂电路原理的理解和设计，使学生学会分析问题、解决问题的方法，是装配和调试性的综合性、设计性实验项目在理论上的升华和提高，该类实验项目的建设需要配备用于运行仿真软件的计算机，用于电路测试的信号源、电源、示波器、万用表，用于搭建电路的工具包、元件包、面包板及导线等。该部分的实验课程可开在大学二年级上期和下期进行。

3．专业技术设计的综合性、设计性实验项目的建设

微机原理接口与单片机控制系统、数字信号处理、嵌入式系统、可编程技术等相关课程的实验项目是基于基础课程之上的具有特定设计平台和开发系统的专业技术性实验。这类课程的实验是基础课程的理论知识与专业设计手段的有机结合与综合应用。该类实验项目最好需要在相关开发平台上进行。比如有关单片机控制系统类的实验需要单片机技术实验平台，数字信号处理方面的实验需要DSP技术实验平台，嵌入式系统方面的实验需要嵌入式系统实验平台，可编程技术方面的实验需要EDA技术实验平台。这些新技术设计手段是目前电子技术领域相关高科技产品与高科技技术发展所需求的主流设计与应用，因此熟练掌握和灵活应用这些新技术设计手段，是培养电子技术类创新人才的必经之路。利用这些新技术设计手段实现的综合性、设计性实验项目可参见表2。

表1　基础课程相关知识的综合性、设计性实验项目

表2　专业技术设计的综合性、设计性实验项目

这类实验项目的建设，实验室除必配的计算机和相应的开发平台外，还可配备一些测试仪器如带频率测试的信号发生器，数字万用表，示波器等。该部分的实验课程可开在大学三年级上、下期或四年级上期。

四、电子技术综合性、设计性实验项目实施过程的建设

1．实验项目模块化、层次化设计

电子技术综合性、设计性实验一般难度大、原理复杂、控制电路多，理解相对比较困难。该类实验项目的实施过程最好采用逐个模块递进的方式进行，即对实验项目的原理进行模块化分解，教师实验前的讲解和学生进行电路的分析和设计阶段，应采取由上到下的分析和设计，将一个复杂的电路分解为几个相对简单、独立的模块，这样有利于学生掌握复杂电路分析和设计，而这些相对简单、独立的模块往往设计和调试比较简单。学生实验过程则也遵循从简单模块到复杂模块依次递进的方式进行逐个模块的设计，最后进行各模块的系统连接和系统总调。比如“基于可编程设计的数字频率计”实验项目，其模块结构如图1所示，该模块先做计数显示电路比较容易理解，教学过程中可先安排学生做八位十进制计数器的静态显示功能，再做八位十进制计数器的动态显示功能，然后再做计数脉冲形成电路（放大整形），计数所需闸门脉冲控制信号产生电路（时基T产生电路）。每个模块设计调试完成之后，再把它们按原理连接起来，进行系统的联调，直到实现八位频率计的功能。

图1　基于可编程设计的数字频率计实验项目组成结构

2．实验项目设计手段与方法多元化设计

电子技术综合性与设计性实验，很多实验项目都可以用多种方法设计实现。即在同一个实验中，综合运用两种或两种以上的实验方法与手段完成实验任务的要求，常见的有纯硬件的电路设计，基于VHDL的可编程芯片设计，基于单片机、嵌入式的控制编程设计等。特别是目前市场发展的SOPC技术嵌入了单片机、DSP和EDA为一体的技术，很多实验均可在SOPC芯片上统一完成。比如对于多路智力抢答器，其原理框图如图2所示。

图2　多路智力抢答器组成框图

对于该实验项目的实现既可以用单片机控制，也可用可编程芯片设计，还可用基于基本IC器件的纯硬件电路实现。这类的实验题目很多，比如表2中的EDA技术部分、单片机控制部分的实验项目几乎都可交叉实现，也可采用纯硬件方式实现。如果时间许可，最好能让学生采用一个题目多种方法实现的要求。采用不同的设计手段与方法，可以培养学生运用不同的思维方式综合分析问题、解决问题、掌握不同的实验技能。

总之，电子技术综合性实验、设计性实验不仅是学生进入电子系统设计的入门，同时也是发现人才的基地。老师不仅是讲好课堂知识同时还要善于引导和开发学生的潜在能力，提高他们的设计动手兴趣和分析问题、解决问题的能力，同时在该过程中还要善于发现人才、引导人才，为优秀人才提供后备的实验场地和条件，有利的激发他们的创新意识，完善教学目的和效果。达到全面培养学生综合电子设计技能、计算机应用能力以及严谨科学态度、团结协作、创新精神、工程素质等综合素质的能力。

参考文献

[1] 王勇. 电子线路综合性、设计性实验教学方法探讨. 电气电子教学学报，2003，（3）：95-97.

[2] 周先春. 电子信息类综合性、设计性和创新性实验的研究. 江苏广播电视大学学报，2006，（6）：75-78.

[3] 周立功，等. ARM嵌入式系统实验教程. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 方之稹，等. 电气实验技术与测量[M]. 北京：中国计量出版社，2003.