基于進階式創新教育的電子線路實驗案例研究

張姍姍 信海輝 張雅楠

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

隨著我國科技水平的飛速提升，需要大量具有創新意識以及實踐能力的高素質人才。2021年是我國實施“十四五”規劃的第一年，增強學生的創新培養，對推動創新高質量發展具有重要意義。高校需做好深化教育教學綜合改革工作，將創新教育融入人才培養各個環節，大力推動高等教育高質量發展，以適應全球化及中國經濟新形勢的需求。

我校信息科學技術學院承擔了電子信息類專業的教學，電工電子國家級示范實驗教學中心負責基礎課程的實驗教學內容，通過多次教學改革，開展創新實驗項目，探索并建立適合不同知識儲備的學生的進階式的教學模式，倡導以學生為主體的創新性實驗驗教學與改革，將創新思想良好的植入日常教學中。

實驗中心教師學習國際先進的CDIO設計理念，將課程抽象分為幾個子任務，將相互關聯的知識點、創新教育融合一體，形成本實驗案例，參加全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例競賽，并獲得北部賽區二等獎。實驗案例讓學生通過進階式的創新設計完成綜合設計，將所學知識融合聯系的應用到實踐當中，選擇學生感興趣的實驗項目，取得事半功倍的效果。

1 實驗項目的要求

作為電子線路課程設計這門課的多個備選題目之一，本實驗案例的主要任務是設計一個簡易的七音電子琴發聲裝置，實現音樂C大調中不同音節聲音的播放，同時需要完成對應不同音調的電壓顯示、指示燈顯示等功能。具體實驗內容分層次以階梯式遞增進行要求：

（1）基本要求，利用555芯片或LM324芯片、LM386芯片，實現按下不同的琴鍵，能夠發出C調的七個基本音節，通過喇叭播放出來，輸出頻率與各音節相符，同時可以實現音量的調節功能。這是基本的功能要求，所用知識都在前期的單元實驗中有所涉及，學生只需綜合運用即可完成。

（2）進階要求，通過頻率電壓轉換電路，將不同音節的頻率值，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，學生需要自學查找資料，學習芯片的使用并實現功能。

（3）擴展設計，將不同的音節，用發光二極管燈柱的形式顯示出來。“dou”顯示一個燈，“re”顯示兩個燈，以此類推，“si”顯示七個燈。引入創新思維教育，鼓勵學生以更多的方式來展示音節。

在此實驗案例中，實現分層次進階式教學。通過按鍵鍵盤，激發產生不同頻率的震蕩線路，產生方波信號，并通過功率放大模塊利用喇叭進行播放。同時信號經過頻率電壓轉換模塊，以電壓的形式顯示出不同的音節對應的電壓值。通過顯示模塊，用不同的方式來顯示不同的聲音音調。

圖1：系統結構圖

實驗內容涵蓋了模擬電子技術中的振蕩電路，頻率電壓變換電路，運算放大器、電壓比較器、功率放大器等知識內容。可以利用 LM324或者 555芯片構成振蕩電路，LM386完成功率放大功能，實現聲音的輸出。涉及電路的系統設計、仿真軟件的應用、數據的測量及分析等相關知識與技術方法。是模擬電子技術解決現實生活和工程實際問題的典型案例。

2 實驗項目的實現

實驗項目中每一個模塊功能的實現，可以有多種方案進行選擇。以其中的某一種為例來闡述實驗的可行性。

2.1 多諧振蕩電路

由于RC振蕩電路一般用來產生1Hz～1MHz范圍內的低頻信號；而LC振蕩電路一般用來產生1MHz以上的高頻信號，對于要產生的 C調的 8個音階范圍為264Hz～528Hz，我們可以指導學生選擇RC振蕩電路。

2.2 功率放大部分

功率放大級的作用是把信號進行功率放大，提供不失真的功率信號，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，本設計參考采用的集成功放塊型號為LM386。

2.3 頻率電壓變換模塊

可以使用555芯片實現頻率電壓轉換。隨著輸入信號達到比較電平，放電晶體管的打開與閉合給電容充電，進而實現頻率電壓轉換。但使用該方法頻率電壓轉換的精度受到頻率與溫度的影響，在給定的范圍內可能存在較大誤差，故一般不采用。

對應不同的音節產生了頻率不同方波信號，可以使用LM331芯片的頻率電壓轉換功能。進入LM331及其外圍組成的頻率電壓轉換電路后，輸出為對應的電壓值。為了方便，可以將輸出電壓標準與音節的頻率值相互對應。264Hz對應的是2.64V.

圖2：LM331外圍電路結構圖

2.4 顯示模塊

可視化的音調顯示多種多樣，可以選用發光二極管燈柱的形式進行直觀顯示。音調越高，轉換后的電壓數值越大，點亮發光二極管的個數也越多。可以采用三極管來驅動發光二極管，也可以使用運放構成電壓比較器，來驅動發光二極管。

學生使用實驗室提供的儀器來完成整個實驗，也可以自己拿孔板焊接，優化電路。通過對實驗過程中的數據做好記錄，進一步進行分析總結，訓練學生的工程素養。

3 實驗項目的教學實施

在整個教學過程中將知識傳授、能力培養、價值塑造三者深度融合，依托雨課堂和豐富的在線教學資源，開展課前、課上、課后無縫銜接的理論教學，著重實現知識傳授。在理論教學的基礎上，利用虛擬仿真實驗平臺、項目和實驗室，開展虛與實、線上與線下、課內與課外相結合的實踐教學，著重實現能力培養。并且堅持把思想政治教育貫穿人才培養體系，將思政教育與在線教學密切結合，做到“思政課程”和“課程思政”在線教學資源建設兩手抓，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統一，最終實現價值塑造。

圖3：教學實施總體圖

課前通過雨課堂小測試，對學生的已有基礎知識掌握情況進行摸底。并根據實際情況總結調整教學內容，進行一次整體的網絡授課。期間將課程設計的基本要求、所用儀器的使用、題目的要求發送給學生。學生可以根據自己分配到的題目要求，查閱資料，了解產生不同頻率的方法、頻率-電壓的轉換方式、電壓顯示的不同途徑，設計出多種實驗方案，并對各方案進行分析，選擇合適的方案。確定原理圖。

要想使學生對所學知識有深入的理解，需要學生主動融入教學過程中，在實驗教學環節，學生要主動參與進來。進入實驗室后，用Multisim仿真軟件對電路進行仿真，分析各種方案的優缺點，實現目標技術指標。

最后在模擬電路教學實驗箱上，使用面包板連接實物，進行整體調試。對電路進行調試時，注意元件的有效使用。要求學生根據性能指標要求，自行設計測試方法，測試基本功能中不同的音節對應的頻率值，同時對應的電壓值，燈柱的顯示情況等。記錄測試結果，并對數據進行分析。

4 實驗項目的考評與成效

與傳統實驗一樣，實驗的考評要從預習、仿真、實物連接、調試檢測、實驗報告等幾個方面進行。與傳統實驗不同的是，我們引入多種評判手段，利用雨課堂的實時測試題對學生預習程度進行考核；以工程認證為依托，對不同的層次不同的階段設置規范化的評判準則；以學生為主，將評價回歸學生，通過類似答辯的形式，展示自己的成果，由其他同學進行評分。綜合各方面的實施過程，對學生的課程完成過程進行評價。經過近兩年的進階式創新教學實施，多方面取得了良好的成效。

圖4：學生成果實物圖

不同層次的學生，通過進階式的教學，各自取得了適用于不同知識水平的學習成果。傳統的實驗內容相對比較枯燥，改革后結合生活實際的實驗案例，激發了學生的學習熱情。開放性的實驗內容，也鍛煉了學生的創新思維，將普通的實驗內容增添了趣味性和個性化。

考核評價方面，更加細化了不同層次的評分準則。對不同知識儲備的學生，通過進階式教學，為評分提供了多方面的依據，雨課堂的測試，同學之間的互評，多方面多角度的給出學生的成績，使得最終的評分更公平，更能體現學生的真實能力。

教師在積極進行教學改革，參加實驗案例競賽的過程中，由教到學，擴展視野，在展示已有成果的同時也向其他優秀的參賽案例學習，并應用到接下來的教學改革中。教師的知識儲備更加豐富，專業技能和技術水平也得到提高。

5 結語

實驗案例的設計過程中，選擇和設計出具有目的明確、客觀真實、創新性強、結果多元化、實現過程分層進階等特點的案例。通過實驗任務要求、教學方法和教學模式設計，引導學生自主創新設計、研究發現、掌握實驗知識方法與技能，綜合運用知識、接觸工程實際、開展進階式探索研究，提高教學效果。

整個實驗過程中牢固樹立并落實“學生中心”的教育理念，通過三位一體、三元融合的在線教學體系構建與實踐，最終實現教學方式從“以教為主”向“以學為主”轉變，教學空間從以課堂教學為主向線上、線下相結合轉變，教學資源供給從“以教定學”向“以學定教”轉變，教學評價從結果性評價向形成性評價轉變，完成進階式創新教學的轉換。

以賽促教，創新促學，針對不同層次的學生進階式教學，激發學生的創新能力，保持好學生的學習熱情，同時還可以帶動教師的教學積極性，豐富課堂內容，促進電子線路實驗的良好改革。