基于應(yīng)用對象的模塊化開放式綜合實驗及其平臺建設(shè)

姚纓英 樊偉敏 張 偉

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 浙江杭州 310027

基于應(yīng)用對象的模塊化開放式綜合實驗及其平臺建設(shè)

姚纓英 樊偉敏 張 偉

浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 浙江杭州 310027

為進一步提高學(xué)生的動手能力和自主探究精神，開發(fā)并實施了“系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性、模塊化、開放式綜合實驗”，實驗內(nèi)容與一定的應(yīng)用背景相關(guān)，體現(xiàn)了相關(guān)課程知識體系之間的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性，并通過波形、聲音、光、運動等可視化效果使實驗趣味化。其模塊化的結(jié)構(gòu)便于自主、開放地設(shè)計解決方案。

模塊化；綜合實驗；自主創(chuàng)新

Abstract: In order to further improve the students' practical ability and exploring spirit, develop and implement the system related, modular, open comprehensive experimental. The experiment content has certain application background, ref ects the relationship between knowledge systems of different courses. The interesting visual effect of the system might be seen through the waveform, sound, light, etc. The modular structure for independent and open to design solutions.

Key words: modular; integrative experiments; innovation ability

實踐是檢驗基礎(chǔ)知識點掌握程度的最好方式,也是創(chuàng)新教育的最佳載體,因此,以工程應(yīng)用為核心整合電工電子系列實驗課程,在復(fù)雜的應(yīng)用背景下學(xué)習(xí)基本理論和實驗,容易構(gòu)建知識間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力,并進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

獨立設(shè)課的電路、電子技術(shù)實驗課程一般具有下述幾個特點：(1)實驗內(nèi)容常常是為了加深對理論的理解,因此,各實驗內(nèi)容幾乎毫無關(guān)聯(lián),目的性和趣味性不明顯。(2)依附理論知識的構(gòu)建進程,自下而上,各環(huán)節(jié)逐一進行。(3)電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、信號分析等課程的實驗相互獨立,自成體系。這樣很容易造成知識體系的碎片化和紙面化,也會造成一些基本實驗在各課程中的重復(fù)設(shè)置。因此很多同學(xué)或覺得實驗太簡單,或認(rèn)為枯燥無味,或因目的性不強而難以寫實驗報告等。事實上,在掌握基本理論和基本實驗技能后,如果不設(shè)置綜合訓(xùn)練,那么學(xué)生能力就無法得到提升。但是,復(fù)雜的系統(tǒng)如果不經(jīng)提煉和處理,直接讓學(xué)生來實踐,也肯定起不到預(yù)期的作用。

為了改變這一狀況,筆者對電類基礎(chǔ)實驗系列課程進行了基于系統(tǒng)、基于復(fù)雜應(yīng)用背景的教學(xué)改革探索。第一,將“自下而上”組織實驗內(nèi)容,改成“功能或系統(tǒng)目標(biāo)驅(qū)動的由上帶下”方式安排課程內(nèi)容,在復(fù)雜的應(yīng)用背景下學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論和實驗。第二,由于實驗與應(yīng)用背景有關(guān),因此實驗內(nèi)容的選擇、教學(xué)方法以及相應(yīng)的實驗器材與設(shè)施,必須與之配套。第三,教學(xué)手段和考核的方式也隨之變化。這樣一些綜合設(shè)計型實驗、工程應(yīng)用型實驗內(nèi)容就可在低端實驗課程中引入,使學(xué)生體驗到理論是實際的高度抽象和概念性演練,以及知識的關(guān)聯(lián)性,從而推動了學(xué)生自主實驗研究和創(chuàng)新研究的能力培養(yǎng)。

應(yīng)該指出,開發(fā)基于應(yīng)用或系統(tǒng)的綜合實驗是一個系統(tǒng)工程,不僅包含應(yīng)用問題的選取,還涉及配套硬件平臺的構(gòu)建,實驗內(nèi)容的安排,實驗方法和手段的應(yīng)用,以及實驗教學(xué)管理是否合適等多個方面。從簡單到復(fù)雜、從基礎(chǔ)到綜合、從應(yīng)用到創(chuàng)新設(shè)立多個層次的實驗內(nèi)容。最后,在實驗教學(xué)過程中實施啟發(fā)式、研討式教學(xué),實驗過程按照模塊化予以實施,實驗室和實驗教學(xué)實行開放式管理,并與課程網(wǎng)站、虛擬實驗系統(tǒng)、計算機仿真實驗系統(tǒng)等立體化的實驗教學(xué)資源相配合,由此構(gòu)建一種自主、開放、研究、創(chuàng)新的學(xué)習(xí)氛圍,才能有效實現(xiàn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 綜合創(chuàng)新實驗平臺簡介

為了使低年級的同學(xué)能夠在復(fù)雜的應(yīng)用背景下進行自己的實驗和設(shè)計,需要打造一個實驗平臺,該平臺應(yīng)該具備開放性、補充性和兼容性。開放性是指當(dāng)這個系統(tǒng)中的某些功能模塊被學(xué)生設(shè)計的電路模塊替換或增加某個功能電路模塊時,系統(tǒng)功能能夠照常發(fā)揮。補充性是指系統(tǒng)中的某些模塊作為預(yù)設(shè)的固有部件配備,如,做電路原理實驗時,單片機與鍵盤顯示模塊不可能讓學(xué)生來設(shè)計,需要作為類似儀器設(shè)備那樣提供給學(xué)生,因此,只要有該模塊相應(yīng)的原理和使用說明,就可以正確地與客戶模塊拼接。兼容性則需要具備自檢、保護以及便捷的接口功能。

筆者仿照科學(xué)研究環(huán)境,研制了綜合創(chuàng)新實驗平臺,該平臺由儀器控制屏和功能板卡庫組成(如圖1所示)。儀器控制屏由直流電源、信號源、毫伏表、虛擬儀器接口卡、示波器和計算機構(gòu)成,功能板卡庫包含邏輯控制系列、信號處理系列、非電量電測系列、微處理器系列、A/D和D/A轉(zhuǎn)換系列、信號隔離與變換系列、功率放大系列、測控技術(shù)系列、語音信號處理系列、電能傳輸系列,共計20多個基本電路模塊?；谠撈脚_,將電路分析、模擬電路、數(shù)字電路、信號與系統(tǒng)、測控技術(shù)等多門課程的實驗教學(xué)有機結(jié)合,并包含單片機和虛擬儀器的實驗教學(xué)。

圖1 綜合創(chuàng)新實驗平臺及部分電路板卡

綜合創(chuàng)新平臺可以滿足以下3種層次實驗的要求：

(1)選擇合適的功能電路,組成目標(biāo)系統(tǒng)進行功能和參數(shù)測試。

(2)從原理設(shè)計,元器件選型,線路板繪制、制作、安裝到調(diào)試,全過程地實現(xiàn)對以往單純功能電路實驗的替代。(3)多位實驗者合作完成一個系統(tǒng)的設(shè)計制作和調(diào)試。學(xué)生的實驗也可按3個階段來實施：

第一階段是實驗者根據(jù)具體的實驗要求,選擇合適的功能電路,依據(jù)各功能電路的技術(shù)參數(shù),組成一個目標(biāo)系統(tǒng),然后對目標(biāo)系統(tǒng)進行功能和參數(shù)測試,最后完成實驗測試報告。

第二階段由實驗者自主設(shè)計和制作系統(tǒng)中的某一功能電路。從原理設(shè)計,元器件選型,線路板繪制、制作、安裝、調(diào)試。實現(xiàn)對原有功能電路的替代。

通過實驗第一階段的訓(xùn)練,可以幫助學(xué)生建立一個系統(tǒng)的概念。通過第二階段的訓(xùn)練,可以給學(xué)生一個研發(fā)的完整過程。這兩個階段的實驗可以用最短的時間達到最佳的實驗效果。同時由學(xué)生開發(fā)的功能電路又可以作為下一屆學(xué)生的實驗?zāi)K,通過幾年的積累可以為實驗室積累起豐富的功能電路庫。

第三階段的訓(xùn)練為多位實驗者合作完成一個系統(tǒng)的設(shè)計制作和調(diào)試。首先由所有參加人員共同完成系統(tǒng)的整體方案設(shè)計,然后進行功能劃分,由每位實驗學(xué)生分別完成,完成的過程與第二階段的訓(xùn)練相同。在這一階段,主要訓(xùn)練學(xué)生的團隊合作精神和互相幫助作風(fēng),體會共同解決問題的樂趣,分享經(jīng)驗教訓(xùn)。

圖2所示對象和板卡分別對應(yīng)于“水箱溫度液面控制”“小車運動”等實驗系列。該平臺不僅可以進行基于課程的各種層次實驗,也可以服務(wù)于綜合性課程設(shè)計和學(xué)生的課外創(chuàng)新實踐,通過自主選擇功能電路模塊,構(gòu)建個性化研究和探索的實驗系統(tǒng),有效地拓展開放實踐內(nèi)涵,提升自主實踐的層次。

圖2 基于應(yīng)用對象的綜合實驗

通過這種實驗?zāi)Ｊ?可以極大地提高學(xué)生的實驗積極性。使學(xué)生從原來單純地完成某個實驗內(nèi)容,到由學(xué)生自主地確定實驗方案,選配或制作不同的功能電路板,再到一個完整的系統(tǒng)。這種實驗?zāi)Ｊ骄哂泻軓姷墓こ瘫尘昂涂蒲行再|(zhì),提高了學(xué)生的實驗興趣,同時激發(fā)學(xué)生的實驗積極性和挑戰(zhàn)精神。

2 基于綜合創(chuàng)新實驗平臺開發(fā)的模塊化開放式綜合實驗

基于上述平臺和實驗?zāi)Ｊ?為二年級的學(xué)生開發(fā)了與下述應(yīng)用背景相關(guān)的模塊化開放式綜合實驗。

2.1 語音信號處理系統(tǒng)

(1)音頻回放系統(tǒng)設(shè)計：設(shè)計時鐘、DAC、濾波器、調(diào)音器,將預(yù)存在系統(tǒng)存儲器中的語音回放出來。

(2)電子有源分頻器設(shè)計：將MP3或收音機中播放的語音,分成高、中、低音,分別通過三個喇叭播放,要求能夠清晰地分辨出分頻的效果。

(3)音頻信號的放大和調(diào)節(jié)控制電路設(shè)計：將通過麥克(或MP3或收音機)輸入的模擬信號采集、放大,經(jīng)音調(diào)控制和功率放大,驅(qū)動音箱播放。

(4)音樂播放電路設(shè)計：通過上位機將二進制的音樂文件存入可掉電保存的Flash存儲器,利用單片機I/O口模擬SPI通信來提取Flash里的信息,同時經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)化成模擬信號,經(jīng)濾波器后在有源音箱上放出音樂。

(5)基于單片機的語音信號采集與回放系統(tǒng)設(shè)計：通過話筒或其他媒介采集一段時間長度的模擬語音信號,將其經(jīng)ADC數(shù)字化處理后存入單片機,完成一定的處理后,再通過單片機輸出到DAC轉(zhuǎn)化為模擬信號通過揚聲器輸出,回放原始的語音。

2.2 有源器件應(yīng)用系統(tǒng)

(1)基本要求：基于帶通濾波器、移相器以及加法器設(shè)計的簡易波形分解合成儀設(shè)計；基于負(fù)阻和回轉(zhuǎn)器實現(xiàn)的振蕩器、混沌發(fā)生器、理想變壓器或濾波器設(shè)計。

(2)提高要求：基于混沌掩蓋的保密通信電路設(shè)計。

2.3 電能傳輸系統(tǒng)

(1)穩(wěn)壓電源系列設(shè)計：單路或雙路直流穩(wěn)壓電源。

(2)無接觸電能傳輸系統(tǒng)：重點設(shè)計分離式變壓器及其補償電路,并在與系統(tǒng)其他部分,如高頻逆變模塊等連接后,能夠點亮燈泡或帶動其他負(fù)載。

2.4 小車運動系統(tǒng)

(1)單片機控制的變速往復(fù)運動實驗。

(2)單片機控制的定速往復(fù)運動實驗。

(3)運動小車開關(guān)量虛擬儀器控制實驗。

(4)運動小車虛擬儀器PID控制實驗。

(5)運動小車虛擬儀器變速控制實驗。

2.5 水箱液位和溫度控制系統(tǒng)

(1)水箱溫度單片機PID控制實驗。

(2)水箱溫度虛擬儀器PID控制實驗。

(3)水箱溫度開關(guān)量單片機控制。

(4)水箱溫度開關(guān)量虛擬儀器控制實驗。

(5)液位高度單片機PID控制實驗。

(6)液位高度開關(guān)量單片機控制。

(7)液位高度開關(guān)量虛擬儀器控制實驗。

(8)液位高度模擬PID控制實驗。

(9)液位高度虛擬儀器PID控制實驗。

2.6 電子秤—單片機控制電子秤實驗

綜合性實驗項目涉及多方面的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識,因此,若想順利實施綜合實驗,獲得良好的實驗效果,建立系統(tǒng)和功能模塊的概念是必要的也是必需的,除此之外,相關(guān)的工程背景、原理,特別是電路原理在不同領(lǐng)域的應(yīng)用應(yīng)該易于同學(xué)掌握,因此編寫適合于工程技術(shù)使用的理論與實踐相結(jié)合的教材以及綜合實踐指導(dǎo)書是十分必要的。另外,還配備了可24小時開放的實驗室(強電實驗除外)；豐富的參考資料以及網(wǎng)絡(luò)在線答疑等輔助措施。

在教學(xué)方法和考核方法上也做了配套改革。將教學(xué)進程分成基本環(huán)節(jié)訓(xùn)練和綜合實驗專題兩個階段。前面一個階段,訓(xùn)練學(xué)生分析和設(shè)計特定的功能電路(比如,移相、匹配、濾波等)。后一階段,推薦一些綜合實踐選題,或同學(xué)自己擬題,引導(dǎo)他們用功能模塊或補充自己設(shè)計的模塊拼合成一個預(yù)設(shè)功能的系統(tǒng)。為培養(yǎng)學(xué)生的自主能力,基本環(huán)節(jié)訓(xùn)練,遞交實驗日志(30%),而綜合實驗專題則需要依次完成理論分析、設(shè)計仿真、電路制作、現(xiàn)場測試、研究報告(50%),并結(jié)合答辯、創(chuàng)新性以及其他綜合能力(20%)進行綜合評價。

圖3為電路實驗課程中2009級愛迪生班學(xué)生的作品示例,其中,不少功能是學(xué)生自己添加的,比如,圖3(a)是兩位同學(xué)在各自完成部分功能后,組合在一起而形成的復(fù)雜功能語音信號處理系統(tǒng)。在紅外檢測中,只要求尋線并表示與線的相對位置,但同學(xué)們無一例外地加入了多功能數(shù)顯,有一組同學(xué)利用單片機自編了音樂表示黑線檢測的相對位置,而另一組更是將黑白線的檢測擴展成了循跡功能,如圖3(b)所示。在非接觸電能傳輸系統(tǒng)綜合實驗中,原本是要求根據(jù)負(fù)載設(shè)計分離式變壓器,但是同學(xué)完成的作品,不僅包含完整的系統(tǒng),還增加了負(fù)載電壓的數(shù)字顯示,另外還設(shè)計了穩(wěn)壓環(huán)節(jié),以確保分離式變壓器間距改變或輸入功率改變時,負(fù)載有恒定的輸出。

圖3 學(xué)生作品

3 結(jié)束語

教學(xué)實踐表明,基于綜合創(chuàng)新平臺開設(shè)模塊化開放式綜合實驗項目很受學(xué)生歡迎,電路參數(shù)、實驗方案的不確定性調(diào)動了學(xué)生的積極性與主動性。學(xué)生可根據(jù)自己的能力設(shè)計實驗效果的表示(或指示燈點亮,或指示儀表有動作,或有聲音的改變),令學(xué)生對自己設(shè)計的系統(tǒng)充滿期待。通過不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。模塊化開放式的實驗特點使學(xué)生自覺或不自覺地了解系統(tǒng)整體功能,注意各模塊之間的配合。有助于低年級學(xué)生參加創(chuàng)新實踐。實驗系統(tǒng)中那些未知原理的模塊激發(fā)了學(xué)生的好奇心,使他們更多地關(guān)注后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。另一方面,借助這些模塊,使低年級的學(xué)生敢于想象和規(guī)劃一些創(chuàng)新實踐活動。經(jīng)歷4屆學(xué)生試點實施自主實驗表明,學(xué)生在實驗設(shè)計、電路板焊接、實驗測試、總結(jié)以及答辯的各個環(huán)節(jié)上的能力顯著提高。學(xué)生對此類實驗均表示出極大的興趣和主動性,能夠利用理論分析、計算機仿真等多種手段實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計、分析和測試,實驗過程中有許多感想和收獲。

The development of modular open integrative circuit experiments and platform

Yao Yingying, Fan Weimin, Zhang Wei
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

2011-04-24

姚纓英，博士，教授。