從第二屆全國電工電子基礎課實驗競賽談創新實驗設計

何 俊， 房靈芝， 張 華， 蔡劍鋒， 何忠文

(南昌大學 a. 信息工程學院； b. 教務處， 江西 南昌 330031)

?

從第二屆全國電工電子基礎課實驗競賽談創新實驗設計

何 俊a， 房靈芝a， 張 華b， 蔡劍鋒a， 何忠文a

(南昌大學 a. 信息工程學院； b. 教務處， 江西 南昌 330031)

針對大學生創新能力培養這個教改研究熱點問題，教育部電工電子基礎課程教學指導委員會、國家級實驗教學示范中心聯席會舉辦了全國電工電子基礎課教師創新實驗設計競賽。本文以部分獲獎項目為例，以大學生創新能力培養為目標，對創新型實驗項目應該具備的課題背景工程性、知識的綜合性、實現方法的多樣性要素進行了詳細分析，為電工電子學科高校教師提供了一個創新實驗的設計思路。

電工電子； 創新實驗； 實驗設計

0 引 言

一流教師隊伍建設是大學生創新能力培養的關鍵[1]，現有研究卻很少從如何提高教師創新能力這個角度去探討大學生創新能力的培養。2014年教育部電工電子基礎課程教學指導委員會、國家級實驗教學示范中心聯席會舉辦了首屆全國電工電子基礎課實驗競賽[2]，競賽共分為六組，分別為電路及信號系統、數字電路及數字系統、模擬電子電路及高頻電路、電子電路綜合、電子系統以及高職高專。旨在通過競賽提高教師創新實驗設計水平、激發教師創新精神、為培養學生創新能力提供更好實驗項目。現對第二屆全國電工電子基礎課實驗競賽范本進行分析，從教師創新能力培養的新角度，研究電工電子學科教師創新實驗的設計思路，為提高大學生的創新能力奠定堅實的基礎。

1 電工電子學科教師的創新能力現狀

近年，實驗教學在國內各高校越來越受到重視[3-6]，南昌大學從2014年開始將電工電子基礎實驗獨立設課，其中規定綜合設計性的創新實驗不低于總內容的30%，并另外開設了創新學分課程。開展創新實驗項目旨在探索并建立以問題和課題為核心的教學模式，倡導以學生為主體的創新性實驗教學改革，與傳統實驗教學相比，創新實驗教學存在以下優勢[7]:① 有利于繼承和發展書本理論知識，一方面學生通過實驗驗證、理解理論教學的內容，另一方面通過創新實驗獲得實驗技能的基本訓練，培養了實踐動手能力。② 有利于激發學生學習的積極性和自主性。學生通過獨立設計、觀察、記錄、數據處理、歸納分析等，探索新的發現，以獲得研究成果，同時得到科研能力的訓練。

教師的素質直接關系到大學生創新能力的培養[8-9]，作為大學生的指導教師，除了要求為人師表具有良好的職業道德之外，更重要的是在科研方面，具有扎實的理論功底和豐富的工程實踐經驗，具備解決實踐工程問題的能力，才能受到學生的真心尊重和愛戴，樹立在學生中的威信[10]。有兩種類型的教師容易受到學生歡迎:① 高水平的教師，因為他們能夠站在學科的最前沿，緊跟學科發展的最新方向，這些教師一般具有博士學位，在本學科進行了深入研究，他們開闊的眼界、淵博的知識容易激發起大學生的求知欲望。但也有部分青年博士，和社會聯系脫節，缺乏工程實踐經驗，動手能力比較差。② 學歷不高卻具有豐富實踐經驗的教師也容易受到學生的歡迎，因為他們具有豐富的工程實踐經驗，動手能力強，能講解學生從課本上學不到的知識，但這部分教師由于憑借的是自己的經驗積累，遇到理論性較強的問題時顯得力不從心。因此，對電工電子學科高校教師而言，首先需要努力學習新知識，跟蹤本學科的最新研究動態。同時需要深入社會，通過實際工程，一方面鍛煉了自己的實踐動手能力，充實了自己的知識結構，另一方面將所學知識轉化為了實實在在的生產力。全國電工電子基礎課實驗競賽為電工電子學科的高校教師提高創新實驗設計能力提供了一個很好的平臺。

2 電工電子學科創新實驗設計思想

對首屆全國電工電子基礎課實驗競賽獲得一等獎的實驗項目分析后，我們認為一個好的創新實驗項目應該具備以下三個基本要素：項目背景的工程性、知識的綜合性、實現手段的多樣性。

2.1 創新實驗項目的工程背景性

電工電子學科比較貼近日常生活，選擇具有實際工程應用背景的實驗項目容易引起學生的興趣，激起他們解決實踐問題的求知欲望[11-12]。2014年獲得一等獎的實驗項目如“基于單片機的導盲機器人小車設計”、“簡易國旗自動升降裝置的設計與實現”、“心電信號檢測系統的設計、焊接及調試”，均以實際應用為亮點，不僅吸引評委的眼球，更能抓住學生的好奇心?！盎趩纹瑱C的導盲機器人小車設計”實驗項目見圖1，作者教師采用國際先進的CDIO設計理念，結合當今教育形成新的EIPC-CDIO (Ethics、Integrity、Professionalism、cooperation- Conceive、Design、Implement、Operate)工程教育理念。基于該理念，將單片機課程抽象為幾個子任務，與其關聯學科、素質教育融合一體，形成本實驗案例。讓學生以主動的、實踐的，課程之間有機的聯系的方式學習工程。選擇學生感興趣的實驗項目容易取得事半功倍的效果。

圖1 導盲機器人小車

第二屆實驗競賽范本題目是“制作一個溫度的測量與控制電路”，要求如下：① 以帕爾貼溫控裝置為對象，設計一個能夠測量自然環境溫度(20～70℃)、測量精度不低于±1℃、以數字方式顯示的溫度計；② 對帕爾貼溫控裝置的溫度控制在指定的溫度值，溫度控制精度不低于±2℃，請自行設計溫度的設定方法；③ 提高溫度控制的抗外界干擾能力，當啟動溫控裝置上風扇時，仍然能夠將溫度控制在指定范圍內。

該項目以實際工程應用為背景，分別提出了三個技術層面上的要求，第一項測量溫度，第二項增加了實驗內容，要求控制溫度。最后一項提高了難度，將實際工程應用場合經常碰到的干擾因素考慮進來。實驗項目貼近實際案例一方面排除了學習理論知識的枯燥感，增加了學習的樂趣，另一方面真正鍛煉了大學生解決實際問題的能力。

2.2 創新實驗項目知識的綜合性

目前, 各高校主要將電工電子實驗教學內容分為驗證性實驗和綜合設計性實驗。驗證性實驗以基本技能訓練為主,以演示性、驗證性為主。綜合設計性實驗則要求學生綜合應用本門課程的多個章節的知識、甚至多門相關課程的知識進行的實驗, 目的是培養學生自主學習、系統分析、應用、綜合、設計與創新的能力。因此，為了提高學生創新能力，培養學生綜合運用所學基礎理論、專業知識的基本技能，增強學生發現、分析、解決實際工程問題的能力，創新型實驗內容應該盡量覆蓋學生課本理論知識，并盡量做到不同學科交叉，通過融合不同學科創新實驗的鍛煉，可提高大學生解決實際問題的能力[13-14]。

例如“基于單片機的導盲機器人小車設計”實驗項目，屬于《單片機原理及應用》課程。實驗中要求小車實時循跡，時刻采集信息，這就要涉及傳感器模塊以及單片機的I/O口知識，這與單片機結構章節相關。傳感器電路就涉及先修課程《電子技術》，包括傳感器選型、整形電路設計、抗干擾設計等知識。實驗中要求時刻控制左右電機運行，轉彎時左右電機轉速還需不同?？刂齐姍C肯定要用I/O口控制章節，這與D/A轉換內容章節相關，實際D/A轉換可用PWM占空比調節來實現。實驗中要求實時記錄行駛時間與里程，記錄時間，就要用定時器，這跟定時器章節相關，可設置定時器每隔一定時間中斷一次，用時間間隔乘以中斷次數就是小車行駛時間。定時器還有個名字叫計數器，如果能記錄車輪旋轉的圈數，然后用車輪周長乘以圈數就是行駛里程。實驗小車控制核心與單片機最小系統相對應。實驗還要求小車能實時報告轉彎等信息以發聲提醒盲人，語音模塊可采用流行的1700系列。在編程中還要用到C語言程序算法。這樣將實踐與課堂理論知識緊密結合，也將單片機課程與電子技術、C語言程序設計課程緊密結合，形成學科融合。

對于本屆實驗競賽范本“制作一個溫度的測量與控制電路”。在這個較為完整的工程項目實現過程中引導學生了解傳感器及檢測技術、信號放大、模數信號轉換、數據顯示、參數設定、反饋控制、PID控制及參數設定等相關知識與技術方法。并涉及測量儀器精度、線性度，硬件及軟件反饋，儀器設備標定及抗干擾等工程概念與方法。通過交叉學科知識培養學生的自主學習、系統分析、應用、綜合、設計與創新的能力。

2.3 創新實驗項目實現方法的多樣性

不同于傳統實驗項目，創新實驗教學以學生為主、指導教師為輔的啟發式、討論式、師生互動式的教學方法, 實現實驗教學活動由教向學的轉變, 實現教師地位由教向導的轉變, 使實驗教學活動真正建立在學生自主活動、主動探索的基礎上[15-16]，在多樣化的實現方案中進行對比、實驗，弄清每種方案的優劣，找出適合本實驗的最優方案。因此創新實驗應該具有實現方法多樣性的特點，在老師指導下, 引入科學研究方式, 引導學生進行主動探索, 它是學生體驗、理解和掌握科學研究方法、發展創新能力的一種有效途徑。

仍然以本屆實驗競賽范本制作一個溫度的測量與控制電路為例，首先將實驗設計內容分解為若干個模塊，見圖2。每個模塊又可有多個實現方案，要求學生比較評價每個實現方案的優劣，見圖3。

圖2 溫度測量與控制電路系統框圖

圖3 各子模塊的多個參考實現方案

(1) 對于溫度檢測模塊，可供選擇的傳感器有熱敏電阻、PT系列熱電阻，普通二極管，以熱敏二極管為核心的集成傳感器(如LM35、LM45)，基于絕對溫度電流源型AD590，數字式集成傳感器(LM75、DS18B20)等，學生在完成傳感器選型的同時也完成了對各種溫度傳感器的學習。

(2) 對于信號處理模塊，不同傳感器輸出信號形式(數字、模擬，電流、電壓)、信號幅度各異，與之相應的信號調理與控制電路也各不相同。選擇數字式集成傳感器時，宜采用單片機或在PLD器件中設計控制器，以串行總線的方式獲取溫度數據；在選擇AD590時，需要將1μA/°K的電流信號放大并轉換成電壓信號，并減去0℃時273.2 μA的基值；選用普通二極管作為溫度傳感器時，是利用其PN極電壓10 mV/℃的特性，在設計放大電路時需要減去600～700 mV的基值。讓學生了解到不同傳感器輸出信號的形式、幅度、驅動能力、有效范圍、線性度都存在很大的差異，后續的信號調理和放大電路也要根據信號的特征來設計。

(3) 對于信號轉換模塊，在將模擬信號轉化成數字量時，也可以采用常規的A/D轉換器、電壓—頻率(V/F)，或比較器等方式。實驗要求的精度并不高，主要取決于傳感器，溫度又是一個緩變信號，因此將模擬信號轉換為數字信號時可供選擇的方式較多，如常規的逐次逼近型8位ADC、雙積分型MC14433、ICL7106/07等都可以采用；也可以采用V/F轉換的方式，或采用由控制器輸出PWM波，經整流濾波后與溫度信號比較的方式。

(4) 對于顯示模塊，在溫度的數字顯示形式上，也有數碼管、字符型LCD等形式；可以借助于數字式電壓表顯示；也可以采用ICL7106/7107，將A/D轉換和數字顯示結合在一起；也可以將模擬信號通過一組比較器直接驅動燈柱顯示。在算法方面，溫度的控制算法可以采用PID，模糊控制以及各種智能控制算法。

通過以上分析，創新實驗方案實現方案多樣化，學生根據實驗原理能設計出數種實驗原理圖,全面掌握各種基本實驗方法, 熟知其各自特點、應用范圍和相互關系，并在實驗過程中熟悉相關儀器的結構、原理、性能、使用方法?？梢宰寣W生在掌握課本知識的基礎上開闊視野。在實驗完成后，可以組織學生以項目演講、答辯、評講的形式進行交流，了解不同解決方案及其特點，拓寬知識面。多經歷這種實驗學生進步快，收獲也大，容易激發學生的學習熱情。

3 結 語

本文以全國電工電子基礎課實驗競賽案例為背景，分析了創新型實驗項目應該具備的基本要素，并以實際案例詳述了如何將這些要素融入到創新實驗設計中。當然，創新實驗在實施過程中還有很多細節需要注意，例如創新實驗教學必須首先完成基本的驗證性等基礎實驗，實驗前必須進行知識講解、方法引導、背景解釋，使學生具有實驗所需的知識和技能, 然后再注重學生的創新意識和創新能力的培養。例如本文的溫控系統設計是一個比較完整的實踐工程，需要經歷學習研究、方案論證、系統設計、實現調試、測試標定、設計總結等過程。在實驗教學中，應在溫度測量的基本方法、不同傳感器輸出信號的形式、AD轉化的幾種基本方法、反饋控制算法等進行課前培訓，學生在掌握這些基本知識的基礎上才能具有進一步的創新能力。

[1] 蔡康榮,揭新明.高校實驗技術隊伍建設面臨的主要問題與對策[J].實驗室研究與探索，2012，31(8):420-422.

[2] 教育部.關于舉辦第二屆電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽(鼎陽杯)暨實驗教學演示會的通知(2015-02-15).[EB/OL]http://114.215.139.116/evaluation/home/login.action.

[3] 潘涌璋,唐啟紅,張秋明,等.大學生創新性實驗計劃項目管理模式探討[J].實驗技術與管理,2012，29(6):146 - 149.

[4] 厲旭云,梅汝煥,葉治國,等.高校實驗教學研究的發展及趨勢[J].實驗室研究與探索， 2014，33(3): 131-135.

[5] 李有志,馮家勛,張永成,等.形勢下實驗教學平臺和基地的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2012，31(8):103-106.

[6] 牛慶瑋,胡 偉,劉 臻,等.學生創新能力培養的實踐教學體系研究與實踐[J].中國大學學報，2011(10):70-73.

[7] 劉銀萍,彭 端,蔣力立.創新實驗教學與傳統實驗教學的比較[J].廣東工業大學學報(社會科學版)， 2010 (10):27-30.

[8] 劉元宗.教師創新素質的基本要求及培養[J].教育探索， 2006(9):116-118.

[9] 侯治水,李伯惟,周玉芝.創新教育與創新型大學教師的培養[J].宿州教育學院學報，2010(4):3-6.

[10] 李楊帆,朱曉東.科研訓練計劃與大學生創新能力培養[J].中國大學教育，2011(4):24-25.

[11] 周繼烈,錢 俊,唐 潔.大工程背景下高校工程訓練及工程訓練中心的建設[J].實驗技術與管理， 2012，29(8): 119- 121.

[12] 李國鋒,張世英,李 彬.論基于學科競賽的大學生創新能力培養模式[J].實驗技術與管理，2013，30(3):24-26.

[13] 劉繼忠,董增文.機械電子工程專業模塊跨課程實驗設置與教學模式研究[J].實驗技術與管理， 2014，31(10): 198-201.

[14] 王麗萍,張 潔,何士龍.大學生實踐創新能力培養模式[J].實驗室研究與探索，2012，31(10):313-315.

[15] 宋華軍,紀 鋼.電子信息創新實驗教學改革方法探索[J].中國科教創新導刊，2012(1):187-187.

[16] 劉夢琴,鄺代治,馮泳蘭,等.以創新能力培養為核心構建多元化實踐教學體系[J].實驗室研究與探索，2014，33(3):189-193.

Design of Innovation Experiment Based on the Second Session of the National Electrical and Electronic Basic Experiment Contest

HEJuna,FANGLin-zhia,ZHANGHuab,CAIJian-fenga,HEZhong-wena

(a. College of Information and engineering; b. Academic Affairs office, Nan Chang University,

Nanchang 330031, China)

In view of the teaching reform research to cultivate innovation abilities of college students, the Ministry of Education Joint Steering Committee, Electrical and Electronic Teaching Committee for the Basic Courses, the National Experimental Teaching Demonstration Center hosted the National Electrical and Electronic Innovation Experiment Design Competition. Taking some projects which have won at the competition as examples, some key factors are analyzed in this paper to be helpful to cultivating the innovational ability of college students. The innovative project should have engineering background, comprehensive, and diverse realization method, and can provide design ideas of innovation experiment for teachers of electrical and electronic disciplines in universities.

electrical and electronic; innovation experiment; design of innovation experiment

2015-03-29

國家自然科學基金資助項目 (61463034)；江西省重點教改課題資助(JXJG-14-1-4)

何 俊(1969-)，男，江西東鄉人，博士，副教授，電子教研室主任，研究方向為模式識別。

Tel.: 13807088635; E-mail:boxhejun@tom.com

TP 271.4

A

1006-7167(2016)02-0163-04