基于大學生電子設計競賽的電子技術課程教學改革探索

鄧云　盧善勇　李顯圣

【摘 要】本文針對電子技術課程理論與實踐結合偏少、知識的綜合應用偏少、知識陳舊等問題，提出結合大學生電子設計競賽的訓練和比賽模式，圍繞電路的設計與仿真、制作與調試、測量技術與數據分析等教學內容進行電子技術課程教學改革，切實提高學生技能水平、創新設計能力，提升教學效果。

【關鍵詞】電子設計競賽 電子技術課程 教學改革

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）03C-0022-03

全國大學生電子設計競賽是教育部主導的四大學科競賽項目之一，近年來越來越為高校所重視，在某種程度上已然成為電子專業課程教學改革實踐的新載體。電子設計競賽內容緊扣當前主流教學內容，注重理論與實踐相結合，充分展現了電路基礎知識教學與綜合運用能力、電路設計與制作調試能力、新技術和新器件的應用能力。為了配合全國電子設計競賽，廣西也舉辦了大學生電子設計競賽，偶數年為全國電子競賽，奇數年為廣西電子競賽，這兩個賽項形成交替循環，為大學生提供了一個良好的創新實踐能力提升平臺，也為電子技術課程教學內容及教學形式改革帶來了有效的促進作用。筆者總結多年來參加電子設計競賽所積累的經驗，探索基于大學生電子設計競賽進行電子技術教學改革。

一、電子技術課程的教學現狀

電子技術課程是電子類專業的技術基礎課，也是專業主干課程之一，包含模擬和數字兩個部分內容，具有較強的實踐性和理論性。在傳統的教學模式中，電子技術課程主要是以理論講授為主、驗證性實驗為輔，教學效果不理想，教學效率低下，具體表現在以下幾方面。

（一）理論與實踐結合偏少。傳統電子技術課程教學模式一般是圍繞理論知識結構展開，從電子元件內部結構到元件工作特性，再由分立元件構成基本電路，對元器件和電路的工程實際應用缺少介紹，使得電路理論與工程實踐脫節，學生普遍感覺被電子元器件所困，而不知道所學電路的實際用處，導致學生學習興趣下降，教學效果不理想。

（二）知識的綜合應用偏少。傳統教學內容注重單元模塊電路的講授，極少把各相關單元模塊結合起來應用，導致學生在分析簡單電路時相對比較容易理解，但要分析或者設計制作綜合應用電路時，常常會無從下手，不知如何從上至下系統性設計電路，也不知如何合理使用電子器件，更不會靈活調試電路。上述因素極大阻礙了學生創新意識的培養，制約了學生探索新知識的主動性和積極性。

（三）知識陳舊，鮮有新技術、新器件。當前科學技術日新月異，電子技術及新型電子器件發展更是迅猛。長期以來，電子技術的教材跟不上時代的發展步伐，許多教學內容與實際生產生活嚴重脫節，由于教學課時有限，實際教學經常局限在電路的基本原理和小規模集成電路的應用，幾乎很少涉及應用前沿新技術和大規模集成電路構建電子控制系統。

二、電子技術課程的教學改革

針對當前高職院校電子技術課程教學的現狀，結合大學生電子設計競賽的訓練和比賽模式，筆者對電子技術課程教學進行改革，切實提高高職學生的創新意識和設計制作能力。

（一）教學內容改革。重理論基礎，突出基本知識、技能的培養。在電子技術教學中，淡化元器件內部結構電路的分析，重點強化元器件功能和外圍應用電路，結合工程實踐案例或電子設計競賽中使用的新器件開展教學，通過學習典型電路掌握核心器件的應用方法，進而掌握電路工作原理。例如，利用7805穩壓芯片設計、制作手機充電器，利用555集成電路和LM358運放設計、制作呼吸燈電路，電子技術部分教學內容設計如表1所示，通過元器件的實際應用，使學生更加深刻理解元器件的特性、所需外圍電路和典型應用場合。

（二）教學方式改革。為了改善電子技術課程教學效果，切實提高學生技能水平，本文結合大學生電子設計競賽特點，圍繞電路的設計與仿真、制作與調試、測量技術與數據分析等教學模式進行深入研究探討。

1.電路設計與仿真。在電子技術教學過程中，采用Proteus仿真軟件為輔助教學平臺，進行電路設計、仿真、參數調整、效果演示等起到了較好的教學輔助作用，更加有利于幫助學生理解電路工作原理、縮短電路設計周期、提高電路設計效率。

以經典的555振蕩電路為例進行設計與仿真，電路原理圖如圖1所示，首先通過Proteus軟件繪圖編輯界面進行電路繪制；其次，根據理論基礎進行關鍵元件參數的計算，由振蕩頻率求出所需RC充放電時間，根據常規RC比值算出電阻與電容的取值范圍；再次，啟動Proteus仿真功能，調用示波器觀測555集成電路第3腳的輸出波形；最后，調整電路中影響充放電時間的電阻阻值，同步觀察輸出波形的變化，可以直觀、清晰地觀測到充放電的電阻阻值與輸出波形頻率成反比。透過簡單的電路設計、仿真，驗證自己的設計思路，學生能夠容易理解電路的工作原理，通過進一步調整元件參數，修正設計思路，實現更加完善的電路功能。經過如此反復的訓練，學生的電路思考能力才能得到加強，學生才能輕松設計單元模塊電路，有效地縮短電路原理與實踐結果之間的距離。

2.電路制作與調試。通過上述的電路設計與仿真，學生對電路工作原理已經有了一定了解，并且在Proteus軟件平臺上完成了仿真驗證，但是，根據以往教學工作經驗，對于大部分的高職學生來說，如果所學電路僅作設計和仿真是遠遠不夠的，只有經過實做、實測的電路，才能算是真正意義上的掌握。因此，硬件電路的制作與調試就顯得尤為重要，為了更加科學有效地完成電路的制作，需要學生在理解電路原理的基礎上進行元件的合理布局、焊接，以及電路的調試。

電路制作是圖紙到實物的轉換。電路制作需要根據電路工作原理考慮元器件的布局，首先需要從宏觀上考慮電路板的布局，一般遵循專業、行業默認習慣，比如，信號走向一般是左邊進右邊出，電源、地和信號端口需要在電路板的邊沿預留位置，布線優先照顧大電流所流經的回路，以及電路中的關鍵點電壓需要預留測試點以便后續的電路調試工作。

電路調試是理論指導實踐的具體表現。電路調試也是理論與實踐的結合體，只有掌握一定的電路基礎理論，才能有效地開展電路實驗，調試電路一般是遵循“先電源，后信號；先靜態，后動態”的指導原則。電路在上電時首先是要檢查電路的供電電源是否正常，然后再檢查電路的輸出信號、輸入信號是否正常；對于放大電路，需要先檢查電路的靜態工作點電壓是否正常，然后再檢查電路的交流放大能力。

以TDA2030功放電路為例，說明調試一個電路的具體步驟。TDA2030功放電路如圖2所示，當電源電壓為+20V，正相輸入端電壓為+10V，輸出端電壓為18.5V時，反相輸入端電壓為0V。測量結果表明運放的靜態工作異常，電路沒有工作在放大狀態，此現象的原因很有可能是反相輸入端與輸出端的反饋支路開路，或者是反相輸入端被直接接地。通過上述電路調試步驟的具體演示，可以幫助學生直觀認識運放的工作原理，深刻理解運放工作在放大狀態時，其正相輸入端與反相輸入端電壓相等的特征，在抓住此特征之后，也就掌握了功放電路調試的關鍵所在。經過電路的實踐調試，學生掌握正確解決問題的方法，通過對問題的分析、嘗試、反饋和總結等，激發學生對問題的思考，這一系列過程都會加深學生對電路工作原理的理解，幫助學生強化學習電路信心。

3.電路測量與數據分析。電路測量是培養學生使用儀器、儀表進行數據測量的能力。電路測量主要包括基本功能測量和技術指標測量，根據所測數據進行電路分析可以訓練學生分析歸納、調整電路的能力。以典型功放電路為例，需要測量的數據主要包括靜態直流輸出電壓、中頻信號放大倍數、最大不失真輸出功率、失真度、通頻帶和信噪比等性能指標，以上每一項性能指標都需要學生親手使用儀器、儀表測量，并且根據測量結果進行專業的數據分析。經過電路實踐測量和數據分析，學生可以更深入理解電路的工作原理。測量直流輸出電壓訓練訓練萬用表的使用，測量通頻帶、交流放大倍數訓練示波器和信號發生的使用，測量失真度訓練失真度測試儀的使用等，經過反復的訓練，學生使用儀器、儀表的技能得到加強，數據綜合分析能力得到有效提高。

4.以大學生電子設計競賽綜合測評為例，訓練學生綜合應用能力。綜合測評主要考查學生綜合分析、設計、制作、調試電路的能力，重點考查學生運用模擬電路和數字電路理論知識進行電路設計與制作的能力。

以2017年全國大學生電子設計競賽綜合測評為例，題目是設計一個復合信號發生器，要求采用兩片運放和一片74LS74數字芯片設計制作一個復合信號發生器，具體要求是：（下轉第49頁）（上接第23頁）首先設計制作一個方波產生器輸出方波，然后將方波四分頻后再與三角波同相疊加輸出一個復合信號，最后經濾波器輸出一個正弦波信號。經分析題目可知，首先使用一個運放設計一個RC振蕩電路，并且采用電位器調整充放電回路中電阻的阻值，即可實現精準輸出20kHz方波信號A頻率的要求；其次結合D觸發器的工作原理，采用74LS74雙D觸發器將方波信號A進行兩次分頻，即四次分頻，輸出一個5kHz的方波信號B；再將方波信號波B經過一個積分電路，采用一個運放設計一個反相積分電路，即可將方波信號B轉換5kHz的三角波信號C；為了實現信號疊加，需要一個運放設計一個同相加法器電路，即可實現信號B和C的疊加；最后采用一個運放設計一個有源低通濾波器，即可濾出疊加后的基波信號，也就是題目要求的5kHz的正弦波信號D。在完成理論電路設計的基礎上，通過Proteus軟件進行可行性仿真，然后根據仿真結果調整電路設計，并完成電路板的焊接、調試，最后逐一測量各路輸出信號的波形、頻率和幅值，若輸出信號頻率偏離設計要求，可以調整相應電位器進行微調，以滿足實際設計要求。

總之，結合大學生電子設計競賽開展電子技術課程教學改革探索，教學過程圍繞電路設計、仿真、制作展開，讓學生帶著目標任務進行電路分析、設計，并針對調試過程中出現的問題進行交流探討，可以明顯提高學生學習主動性和積極性。實踐教學表明，學生學會了從單元模塊電路到綜合電路的識圖技能，收獲了自主學習方法，掌握了電路設計及調試能力，提升了學生參與教學的熱情，教學效果良好，達到預期教學目標。

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【基金項目】廣西教育廳高校科研項目（2017KY0982）

【作者簡介】鄧 云（1983— ），男，廣西全州人，碩士，廣西職業技術學院計算機與電子信息工程系講師，研究方向：電子技術、計算機仿真技術教學與研究。

（責編 黎 原）