通過綜合性設計性實驗提高學生動手能力

齊臣杰+王宏偉+王小妮+殷樹娟+于梅

摘要：本文探討了普通地方院校通過綜合性設計性實驗提高大學生的動手能力，培養應用型人才。把實驗學時由原來的8個學時，增加到20個學時。在實驗項目的選擇上，讓學生自己進行設計、裝配和調試。難度由原來的單一功能電路模塊，改為微小系統，稱為綜合性和設計性實驗。方法上放棄了原來試驗箱的做法，從而大大提高了學生動手能力。

關鍵詞：綜合性；設計性；實驗；動手能力

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0222-02

一、引言

目前，國內的高校都在不同程度上存在著學生動手能力差，創新能力欠缺，在系統性和綜合性方面薄弱的問題。為了改善這種狀況，很多學校都投入了一定的人力物力，以此來有效開展這方面的改革與探索。華中科技大學龔軍、羅杰等人，積極探索了電子線路綜合設計實驗的開放式教學實踐，提出從系統設計能力，多角度思考問題，解決實際問題能力三方面來提高學生的動手能力。中國科技大學李輝、戴蓓倩、楊基海利用Lattice半導體公司開發的高密度系統可編程ispLSI邏輯器件，在電子電路教學實驗中，提高現有電子電路教學實驗水平。從教學改革的文獻中可以看出，很多學校認識到綜合性實驗的重要性。深深感到當代大學生必須有較強的動手能力，還要有創新的思想和相關的技能。實踐教學在各類課程中應占有重要的地位，因此要提高實驗教學的質量，使學生主動參與，并更多地安排設計性、開放性的實驗，從而提高學生興趣，不斷開展實踐教學的改革。目前，已經取得了很好的效果。這些探索大都是“211”型大學，而對于普通的地方院校，本文探討通過綜合性設計性實驗，提高學生動手能力問題。

二、研究背景

北京信息科技大學屬于地方普通高校，其發展目標定位是：努力建設在電子信息、現代制造與光機電一體化、知識管理與技術經濟等領域特色鮮明，立足北京、面向全國，培養應用型人才為主，教學科研協調發展的高水平大學。也就是說培養的是應用型人才，而不是研究型人才。而想要培養應用型人才，就必須大大提高學生的動手能力。

首先，先分析我校的實驗方法。大學開設的實驗課程，有相當多的實驗課采用實驗箱。采用試驗箱的優點是便于管理，讓實驗更加規范。但是帶來的后果是學生很難提高實際動手能力。在學期實驗中，我們改用面包版，通過一學期的實踐，我們發現，用面包版學生可以按照設計電路進行連接，如果電路沒有問題，實驗就會很順利。如果輸出結果與預期的不同，同學就幾乎查找不出毛病所在，基本上依靠老師才能判定故障并調試成功。這一方面反映出學生理論的不扎實，對電路基本原理不熟悉。另一方面，也反應出學生對一些基本的電路調試手段沒有掌握。幾乎所有的學生檢查電路僅僅是檢查電路連接是否有錯誤，而不是利用示波器觀察關鍵節點的波形。

再分析我校的實驗項目。絕大部分是某單一功能模塊的實驗，各個實驗相互獨立，缺少聯系，更缺少綜合性。這使得學生只見樹木不見森林，缺乏系統能力，缺少綜合能力。對于比較復雜的電路，就感到無所適從。此外對電路的性能指標也很少關注，這對以后從事產品研發很不利。

學生動手能力差，在畢業設計中，可以非常明顯地表現出來。通過觀察畢業論文，如果題目要求從事硬件電路的研發，結果發現很少有人能夠全部完成硬件電路的技術指標。在電路的設計和調試中，一旦遇到問題，學生能夠獨立解決的人數很少，而是主要靠教師來指導。這說明學生在實際動手能力方面還很欠缺。

另一方面，現在學生應聘的面試中，提問最多的是，你曾經做過什么項目？因此，學生深深感受到自己動手能力差，迫切希望能夠有機會參加一些項目，提高自己的動手能力。正因為如此，學生需要在這方面加強動手能力的訓練，特別是硬件電路的訓練。

這種狀況，不但我們學校存在，其他兄弟院校也同樣不同程度存在此類問題。

三、實施措施

為了提高學生的動手能力，我們在《IC芯片及應用》課程中進行改革。《IC芯片及應用》是繼《模擬電路》、《通信電路》、《數字電路》、《單片機》之后的一門硬件電路的課程。采用集成電路模塊完成一種或多種功能模塊，也可以是微系統。模擬系統的內容多于數字系統，因此學生普遍反應課程難，學習興趣低。原來該門課程為48學時，其中實驗8學時，講授40學時。為此，我們對本課程進行如下改革：總學時不變，為48學時，但是，講授調整為28學時，實驗20學時，實驗比重大大提高。

實驗項目也進行很大的改變。具體思路如下：（1）《IC芯片及應用》實驗以綜合性實驗、設計性實驗、和研究性為主；以微系統為主。例如信息采集系統，包括傳感器、放大模塊、AD、DA模塊，顯示模塊；電源系統，包括變壓，整流、濾波，穩壓、功放、電源保護等；數字頻率合成；數字時鐘；含有自動增益控制的放大模塊。（2）不同于基礎電子學實驗，綜合性系統實驗的硬件環境一般都不是簡單的儀器集成，而是需要自己動手去選擇和設計專門的試驗模塊和微系統。學生自己設計、制作與調試電路，拋棄試驗箱的辦法。（3）閱讀原始英文IC模塊說明書。

第一個層次是驗證性實驗，這部分內容通常采用試驗箱，并且在數電和模電中做得較多，因此在本課程《IC芯片及應用》中，這部分內容基本不再重做。第二層次是提高性實驗。學生根據實驗內容及要求，選定電路，并進行調試。這部分內容安排一定的實驗學時，目的在于發現學生對基本技能的掌握中不足的地方，并指導學生改進，為后面綜合設計性實驗打下堅實的基礎，這部分學時占30%；第三個層次是綜合性設計性實驗。一個題目中將包含若干模塊，實現一種微系統的功能。教師提出題目、實驗內容及技術指標，學生自己設計電路，選擇元器件參數值，安裝調試電路，實驗在面包板上進行。這樣做既體現了循序漸進，又有利于能力的培養和因材施教。整個內容覆蓋了模擬電路、數字電路、通信電路、單片機或嵌入式系統等內容。這部分學時占50%；第四部分為研究性實驗，注重實際應用和創新。考慮到我校的實際情況，創新對學生有較大的困難，因此我們重點在于了解實際的工程問題。這部分學時占20%。endprint

對于研究性實驗，以某個工程項目為對象，整個實驗包括若干模塊，例如主控制模塊單片機最小系統、電源模塊、輸人模塊、輸出模塊、顯示模塊等。這幾部分把常用的模電、數電，信號處理、射頻電路，以及單片機等知識點綜合起來。由于研究型實驗難度較大，需要較長的時間，我們把研究型實驗放在課程設計中進行，用三周的時間完成。課程設計的內容是：溫度傳感器檢測出環境溫度，通過無線芯片，發送給上位機，上位機把溫度顯示出來，單片機控制上位機和下位機通訊。目前采用的是點對點通訊，以后逐步發展，采用其他協議通信。

具體方法是：通過本課題，開發出驗證性實驗1個，由學生選做1個；提高性實驗4個，由學生選做3個；綜合性實驗4個，由學生選做3個；研究型實驗2個，由學生選做1個。具體實驗電路如下。

儀器用放大電路，要求輸入阻抗高，輸出阻抗低，溫漂小。

遲滯電壓比較器，控制電路常用，給定窗口電壓，自己設計電路。

電壓頻率變換器，與射頻相結合，了解電路線性范圍，注意選型。

函數信號發生器，了解頻率穩定性，電路后面接緩沖隔離放大器，了解負載的影響。

集成有源濾波器，了解系統的穩定性，衰減特性，輸入輸出阻抗問題。

集成穩壓電源，把變壓、整流、濾波、穩壓結合在一起，注意元器件的功耗。

電子門鈴，應用性電路，注意電路發音的美學。

多功能彩燈，應用性電路。

數字石英鐘，綜合性子系統，把振蕩、分頻，校正，譯碼，顯示等綜合在一起。

FM收音機，應用性電路。

集成音頻放大器，應用性電路。

溫度傳感器通信子系統。綜合性子系統。

四、結果與討論

通過本實驗課程的改革，可以培養學生如下能力：（1）系統設計能力。在綜合設計實驗以前，學生都是接觸單元電路的實驗，對電路設計沒有系統的理解。本綜合設計實驗要求學生從系統角度思考，設計總體方案并寫出實施過程及手段，目的是讓學生從理論課的學習思維模式中走出來，從提出分析、設計、實現到測試并完成的全過程來認識一個實際工程問題。（2）多角度思考問題能力。圍繞一個實驗主題，通過運用多種技術解決一個小型而完整的電子系統。為學生提供多方面的設計案例，開闊了學生的視野，豐富了學生的知識面，培養了學生多角度思考問題的能力。（3）解決實際問題能力。依照實驗設定的框架，學生既有可參考的原型，又能自主添加新功能和嘗試新方法，能增強對實驗的信心和興趣。不同層次的學生都可以找到各自的切入點和深入的方向，其解決實際問題的能力和創新意識無疑將得到鍛煉。

參考文獻：

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