電子設計基礎訓練教學探索

張玉璽 宜娜 康驪 王俊

基金項目：教育部2021年第二批產學合作協同育人項目“基于‘以賽促教理念的實驗教學能力培訓”（202102371003）

第一作者簡介：張玉璽（1985-），男，漢族，河南駐馬店人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為信號與信息處理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.025

摘? 要：在教育教學改革的大背景下，該文通過口罩經典特性測量實驗這一具體案例，闡述工程基礎實驗課程電子設計基礎訓練的教學實施方法與效果。該實驗從生活中的熱點問題出發，通過實驗原理教學、實驗過程指導和實驗考核驗收等環節，融入設計開發、工程思維等理念，使學生能夠制作電子產品、解決實際問題，引導學生從“小實驗”感悟“大工程”。該實驗加深學生對電子信息系統的認識，培養他們的實踐能力和工程創新思維，為日后的專業學習打下堅實基礎。

關鍵詞：電子設計基礎訓練；口罩靜電特性；工程思維；實驗實踐；創新能力

中圖分類號：G640? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）12-0104-04

Abstract： Under the background of education and teaching reform， this paper expounds the teaching implementation method and effect of basic training of electronic design in basic engineering experiment course through a specific case of? measurement experiment of mask classic characteristics. The experiment starts from the hot issues in life， integrates the concepts of design and development and engineering thinking through the links of experimental principle teaching， experimental process guidance and experimental examination and acceptance， so as to enable students to form electronic products and solve practical problems， and guide students to understand "big projects" from "small experiments". This experiment deepens students' understanding of electronic information system， cultivates their practical ability and engineering innovation thinking， and lays a solid foundation for their future professional study.

Keywords： Basic Training in Electronic Design; Electrostatic characteristics of the mask; engineering thinking; experimental practice; innovation ability

在高等教育改革的大背景下[1-2]，北京航空航天大學積極深化教育教學改革，創新人才培養模式。學校統籌推進大類書院、專業學院、特色學院和人才培養試點特區，實施了大類招生、書院育人等舉措。在“強化基礎，突出實踐，重在素質，面向創新”的人才培養理念下，工程基礎課程發揮著至關重要的作用，使學生能夠對工程學科廣泛洞察，有助于形成全面的學科底蘊[3-5]。信息大類尤其重視工程教育基礎，并關注學生從高中到大學的重要轉型階段，以及學生未來專業發展的專業志向，注重為學生打下跨學科領域基礎知識的堅實基礎。

在這一背景下，電子設計基礎訓練作為面向信息類大一學生的工程基礎課程，在培養學生實驗實踐能力、建立學生對專業的認知、打好學生專業基礎及激發學生學習興趣等方面起到重要作用[6-7]。通過這門課程，學生能夠獲得實踐經驗，提升在電子設計領域的技能。同時，課程幫助學生對專業深入理解，為他們未來的學習和職業發展奠定堅實的基礎。

電子設計基礎訓練是大一下學期的工程實踐基礎課程，以認知為主要目的，在基本元器件學習基礎上，通過實驗將理論知識進行應用。課程以課堂教學為引導，以實驗環節為支撐，以課后探索為補充，根據“學以致用，承前啟后”原則，既要將所學知識用于解決生活中的實際問題，又要注重根據學生已有知識基礎設計課程內容，為后續專業課程打好基礎，并在教學過程中注重引入工程思維，培養學生的工程實踐能力[8-9]。本文通過口罩靜電特性測量這一具體實驗案例，介紹課程具體教學措施。

一? 實驗原理與內容

電子信息硬件基礎認知是電子設計基礎訓練課程的重要任務之一，通過基本元器件的講解，讓學生認識電子信息系統的基本電路組成，引導學生從基礎認識電子信息系統。為了激發學生的學習熱情，課程多從生活中的實際問題出發，引入理論與實驗教學。市面上的口罩真假難辨，而通常的醫用口罩具有靜電吸附效應[10]，只需通過三極管放大電路，將口罩上的微弱電流放大，結合LED的亮度變化直觀展現靜電測量結果，即可驗證口罩是否有效。在此背景下，設計了口罩靜電特性測量實驗。

常見的醫用口罩，主要由三層無紡布組成。內層是普通無紡布，用于吸收使用者呼吸時產生的水分；外層是做了防水處理的無紡布，主要用于隔絕患者噴出的液體，也就是簡單的機械過濾部分；中間的過濾層用的是經過駐極處理的聚丙烯熔噴無紡布。醫用口罩的核心材料，是駐極處理之后的聚丙烯熔噴無紡布。這是過濾病毒氣溶膠的關鍵。駐極體是指具有長期儲存電荷功能的電介質材料，具有高效率、低流阻、抗菌和節能等優點，在保證常規濾材的物理碰撞阻隔作用基礎上，增加了靜電吸附作用。駐極處理使得過濾材料纖維帶有電荷，結合熔噴超細纖維材料致密的特點，因此帶電纖維間形成了大量的電極，帶電纖維不僅能夠像磁鐵一樣吸引環境中大部分的帶電微粒，同時也可將未帶電的部分顆粒極化，進而吸附一些粒徑較小的污染物，甚至病毒這種納米級的物質也可進行靜電吸附或電荷相斥阻隔。

測試口罩的靜電吸附功能是否可以正常工作有兩種思路，一種是測量口罩中的靜電電荷量，這是很難實現的；另一種是通過測試口罩附近的場強來間接測試口罩中靜電的存在，也就是本實驗所采用的方法。測量口罩附近的場強我們可以利用靜電感應原理來實現，靜電感應的原理是當不帶電的導體放入電場中，導體中的自由電荷會在電場力的作用下發生定向移動從而使導體兩端分別產生等量異種電荷，也就是感應電荷；而電荷定向運動的過程會產生一個微弱的電流，可以通過檢測這個微小的電流來間接證明口罩中靜電的存在性。為了使這個實驗效果更為明顯，我們需要放大這個電流，使其能夠點亮LED小燈，通過LED小燈的亮滅來確定微小電流是否存在，從而驗證口罩是否有靜電吸附功能。

該實驗電路設計思路如圖1所示。首先通過探測天線感應外部電荷的運動電場變化，產生感應電流。由于感應電流的大小為nA級別，非常微弱，需要經過三極管電路放大之后達到mA級別才可以點亮LED。值得注意的是，該電路是通過感應電場變化的方式來間接測量口罩的靜電荷，LED的亮度在一定范圍內與電場強度正相關，所以電路可以大致判斷靜電量，從而能夠分辨有效口罩和無效口罩。

圖1? 實驗電路設計框圖

該實驗以一次性使用醫用口罩為被測對象，限制條件為僅利用基本的元件（電阻、電容、電感、二極管、三極管和按鍵等），設計電路完成對靜電特性的測量。實驗分為基本要求和擴展要求。基本要求包括分析一次性使用醫用口罩帶靜電機理，利用基本元件設計檢測靜電特性的電路，通過面包板插接或者電路板焊接，實現一次性使用醫用口罩靜電特性測量，通過LED等聲光方式展示出測量結果；擴展要求是考慮檢測電路的成本、便攜性、穩定性以及美觀性，通過印刷電路板設計軟件設計電路原理圖、PCB圖，加工制板并焊接電路進行靜電檢測。在此基礎上，給學生留下拓展思考題目：在不會大幅提高成本的情況下，提高靜電特性的測量精度或者優化檢測結果的顯示方式。對于擴展要求，提供手把手快速使用軟件教學過程，學生可以在穩定性、便攜性與美觀性等方面進行設計發揮，設計電路板，制作一個具有實用性的電子產品。

該實驗將所學的基本元器件認知的知識與中學及大學物理電學知識相融合，制作電子產品，進而解決生活中的實際問題。采用靜電場效應定性分析與電流放大定量分析相結合的實驗設計方法，同時涉及到靜電感應、電流放大、二極管及三極管特性和電路板設計等相關知識，并通過焊接及電路板設計體現勞育與美育。

二? 教學設計與實施過程

口罩靜電特性測量實驗結合生活中的熱點，通過簡單的電路解決實際問題的電子產品，激發學生實驗興趣；通過插接、焊接、印刷電路板體現電子產品的便攜性、穩定性、實用性和美觀性等；以思考起步，在思考中實驗，從思考中結束：預習中通過思考題引導實驗，實驗過程中思考題指導實驗，總結中思考題升華實驗。

本實驗是為了對元器件基本認知課程與物理電學的知識進行綜合應用，用基本元器件形成一個解決生活問題的電子小產品，包括實驗原理教學、實驗過程指導、實驗考核驗收等過程，將思考引領、設計開發、工程思維融入其中，如圖2所示。

（一）? 實驗原理教學

實驗原理包括基本元器件知識、物理知識和電子電路知識，部分實驗原理教學如圖3所示。由于課程面向對象是大一學生，專業知識有限，因此在講解實驗原理的過程中，結合學生學過的物理知識進行科普化設計，并通過線上線下結合的方式進行答疑。

圖2? 實驗教學設計

圖3? 實驗原理教學

通過科普與專業相結合的方式，以問題引導方式逐步深入，講解一次性靜電口罩的機械過濾與靜電吸附原理。與高中物理知識相結合，講述靜電的直接與間接測試方法，以及電荷在電場中運動產生電流的原理。講解阻容感、二極管、三極管的基本結構和工作原理，使學生了解三極管進行電流放大的基本原理、點亮發光二極管的條件等基本元器件知識。通過問題引導及場景展現，將學生所學知識與生活結合起來，將之前學習的物理知識與電子信息系統結合起來，從而激發學生實驗興趣。

（二）? 實驗過程指導

實驗過程包括電路圖設計、電路制作、設計印刷電路板（擴展要求）三個環節，在實驗過程中，觀察學生實驗進度，進行有針對性的指導。

根據原理講解，結合實驗室提供的元器件種類及性能參數，學生自主設計靜電特性測量電路圖，鼓勵學生通過電路圖仿真軟件（Multisim或者Proteus等）進行電路功能和性能的仿真測試。

學生根據設計的電路圖完成電路的制作，可以選擇面包板插接方式、電路板焊接方式等。實驗制作過程重點是引導學生熟悉電路制作的基本方法，掌握電路制作的基本技能，理解基本元器件在實際的電子產品中是如何應用并發揮功能的，在電路制作與測量過程中了解電路結構與測量方法的優勢與局限性，針對局限性提出設計方案；思考面包板插接、洞洞板焊接、印刷電路板對電路性能是否有影響？放大電路的級數如何選擇，放大倍數過小或者過大會有什么影響？天線的形狀及尺寸參數對測量有沒有影響？如果直流穩壓電源供電，對測量結果是否有影響？

針對設計印刷電路板的擴展要求，采用現場講解與視頻講解相結合的方法，通過逐步操作的方式進行電路圖設計軟件的快速教學，培養學生快速掌握現代工具基本操作方法的能力。電路設計軟件的教學采用的是“速成”方式，教學中要向學生強調軟件是工具，可以快速學習，但是電路設計的思想與電路設計方法需要從電子信息基本知識穩扎穩打的學習掌握。然后學生自行設計原理圖與印刷電路板，設計中引導學生理解電子產品在功能、性能之外需要考慮的細節，包括電路板的美觀性、便攜性、實用性和穩定性等。

（三）? 實驗考核驗收

實驗考核包括現場檢查電路連接的正確性、穩定性與美觀性，考察學生對實驗過程分析、問題分析及經驗總結思考的能力，以及考核學生所提交的實驗報告的規范性與完整性。

觀察實驗現象時，需要將探測器在靠近口罩的地方來回移動，此時LED將開始閃爍，且靠近帶靜電物體和遠離帶靜電物體時閃爍的小燈顏色不同；LED的峰值亮度越大，說明探測到的靜電場越強；LED的亮度顯著降低，說明靜電場明顯減弱，此時口罩可判斷為無效口罩。對于完成擴展要求印刷電路板的同學，在考察電路正確性和穩定性的同時，評估電路板的美觀性。

在考察學生的實驗分析能力時，學生需要思考幾個問題并進行回答：用LED的亮度作為檢測結果是否合適，有哪些更直觀的方式展示檢測結果？成本控制前提下要提高測量的精度可以采用什么方式？不同的工程應用對靜電測量結果的精度和展示方式有什么要求？通過實驗，你掌握了哪些實驗技能或者科研方法？

實驗報告作為實驗的總結，是實驗的重點之一，學生需要根據指定模板撰寫并提交實驗報告，考核學生實驗報告的規范性與完整性。要求學生完成實驗并在一周之內提交實驗報告，具體內容見表1。

三? 教學實施效果

本實驗在基本元器件學習基礎上，結合中學和大學的物理課程知識，對帶有靜電的物體進行定性的檢測，以認知為主要目的，通過元件的直觀應用引導學生了解元件的功能與性能，掌握基本的電參量檢測方法并能夠理解其局限性，對測量過程及分析方法做出技術評價。通過發揮部分讓學生對電子產品便攜性及美觀性設計有直觀理解。通過簡單、低成本的電路設計，解決生活中的熱點問題，極大培養了學生的專業自信。學生實驗興趣濃厚，設計并實現了多種不同的電路形式；朋輩力量讓學生互相學習、共同進取，在電路的設計、插接、焊接等過程中精益求精、各展所能，部分學生作品如圖4所示。通過口罩靜電特性測量實驗，培養學生在電子制作時，充分考慮電路不易受外界干擾的穩定性、電路用途明確的實用性、電路賞心悅目的美觀性、較低成本實現完整功能的性價比，向學生傳遞工程思維。

表1? 實驗報告內容及具體要求

圖4? 學生作品展示

四? 結束語

口罩靜電特性測量實驗從生活中的熱點出發，學生通過對所學知識進行綜合分析和應用，設計簡單的電路解決實際問題，完成了設計開發任務。實驗分多層次，插接、焊接、印刷電路板層層遞進，電路設計充分考慮了穩定性、實用性、美觀性和性價比，傳遞了工程思維。實驗以思考起步，在思考中實驗，從思考中結束，通過貫穿實驗的思考題，使學生體會了工程設計理念和科學思維方法。該實驗提高了學生的實踐應用能力和創新解決問題能力，為日后的專業學習打下堅實基礎。

電子設計基礎訓練課程不僅強調學科知識的傳授，更著眼于培養學生的全面素質。本文通過口罩靜電特性測量這一具體實驗案例，體現了電子設計基礎訓練課程在實施過程中從生活中常見的問題出發，增強學生的學習興趣，注重培養學生的工程思維與創新意識，提升學生理論結合實踐的能力。這一課程的成功實施，為學生未來的專業學習和工程實踐提供了有力支持。

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