跨課程可持續(xù)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)踐

姚纓英，祁才君

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州310027)

近年來我國(guó)高校都注重對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)不斷得到發(fā)展。不少高校將電類基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課，建立了包括硬件實(shí)驗(yàn)和軟件仿真兩大類實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。層次上劃分為基本實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等。但是，由于實(shí)驗(yàn)課程與理論課程沒有形成相互交融統(tǒng)一的課程體系，且對(duì)學(xué)生工程素質(zhì)的提高和動(dòng)手能力的培養(yǎng)重視不夠。與國(guó)外相比，我國(guó)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容相對(duì)比較單薄，拓展性較欠缺，系統(tǒng)級(jí)實(shí)驗(yàn)不夠的缺憾。

1 系列實(shí)驗(yàn)課程關(guān)聯(lián)化教學(xué)模式

我校面向電氣電子信息類專業(yè)，進(jìn)行了電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課程的整合與重新設(shè)計(jì)［1，2］。我們開展了系列實(shí)驗(yàn)課程的建設(shè)，將原“電路原理實(shí)驗(yàn)”、“模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”以及“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”課程中最基本的知識(shí)點(diǎn)，有機(jī)地結(jié)合在一起。我們以系統(tǒng)功能為目標(biāo)，強(qiáng)化單元電路的原理分析、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、電路設(shè)計(jì)與測(cè)試以及數(shù)據(jù)分析與處理［3］。

1.1 實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置原則

(1)基礎(chǔ)性—建立電路與電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的公共基礎(chǔ)，如測(cè)量技術(shù)、誤差與數(shù)據(jù)處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、仿真和儀器使用等。

(2)關(guān)聯(lián)性—與理論密切相關(guān)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和內(nèi)容安排成隨課實(shí)驗(yàn);與關(guān)聯(lián)課程交叉的內(nèi)容用跨課程練習(xí)與跨課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目予以實(shí)現(xiàn)。

(3)系統(tǒng)性—考慮到應(yīng)用的復(fù)雜性，盡早建立系統(tǒng)的概念，充分利用基于課程的綜合設(shè)計(jì)以及綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

1.2 系列實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的目標(biāo)和指導(dǎo)思想

我們將系列實(shí)驗(yàn)課程進(jìn)行統(tǒng)一安排，沿著電氣電路應(yīng)用系統(tǒng)和電子電路應(yīng)用系統(tǒng)兩條線，通過基本實(shí)驗(yàn)技能—單元電路設(shè)計(jì)與測(cè)試—基于課程的小型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)—系統(tǒng)級(jí)綜合實(shí)驗(yàn)—系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，循序漸近地達(dá)到培養(yǎng)工程應(yīng)用能力的目的。

1.3 系列實(shí)驗(yàn)課程相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可持續(xù)開展，需要選擇既生動(dòng)有趣又有拓展可能的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們通過簡(jiǎn)單的方法能實(shí)現(xiàn)其功能，也能不斷通過高級(jí)課程的知識(shí)和手段改善其性能。我們開發(fā)了“基于復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的開放式模塊化綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”以及配套的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其內(nèi)容跨課程，形式上分為如下兩種。

(1)每門課上，解決其中的一個(gè)模塊，在最后一門課上綜合形成一個(gè)功能齊全的系統(tǒng);

(2)在綜合性實(shí)驗(yàn)課上，如電氣電子電路綜合實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)或電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程，完成各模塊并綜合成一個(gè)系統(tǒng)［3］。

2 系列實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法

一年來，我們進(jìn)一步確定了這種基于可持續(xù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，并擴(kuò)充了應(yīng)用對(duì)象和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?！半娐放c電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)”是系列實(shí)驗(yàn)課程的第一門課程，以建立系統(tǒng)概念、認(rèn)識(shí)元器件、掌握基本實(shí)驗(yàn)技能為目標(biāo)，圍繞信號(hào)與系統(tǒng)、放大與開關(guān)、線性與非線性、模擬與數(shù)字、軟件與硬件、單元與系統(tǒng)、分析與設(shè)計(jì)等基本概念，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)其原理建立深刻的認(rèn)識(shí)，并通過基于系統(tǒng)目標(biāo)的子功能電路的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試，建立電路基本測(cè)量方法、模擬電路實(shí)驗(yàn)和數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的相應(yīng)基礎(chǔ)。

針對(duì)內(nèi)容基本但十分寬泛的實(shí)驗(yàn)課程，其教學(xué)方式有如下改進(jìn)。

(1)基本測(cè)量—典型問題和單元電路的功能測(cè)試。要求一人一組，獨(dú)立完成。

(2)功能電路設(shè)計(jì)—提供基本原理電路，引導(dǎo)學(xué)生分析和改進(jìn)，然后過渡到功能電路自主設(shè)計(jì)，并伴有問題導(dǎo)引的討論和探索。用實(shí)驗(yàn)日志代替實(shí)驗(yàn)報(bào)告，培養(yǎng)學(xué)生領(lǐng)會(huì)、決策、規(guī)劃及自由探索的意識(shí)和能力。

(3)自由拓展—以項(xiàng)目的形式組隊(duì)完成，通過基于系統(tǒng)的功能模塊電路的設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及測(cè)試，最終提交作品和技術(shù)報(bào)告，并進(jìn)行口頭報(bào)告和答辯。著重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)處理復(fù)雜實(shí)際問題的能力。

3 跨課程可持續(xù)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3.1 跨課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的相關(guān)課程

我們探索打造了跨課程可持續(xù)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，目前成功付諸實(shí)踐的有四項(xiàng):①波形的產(chǎn)生、變換、分解與合成;②智能循跡避障小車;③電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì);④語音信號(hào)的處理。

我們以智能循跡避障小車項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容使該項(xiàng)目出現(xiàn)在如下四門課程中。

(1)“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)(含實(shí)驗(yàn))”課程:建立系統(tǒng)的概念、認(rèn)識(shí)元器件、熟悉元件特性測(cè)量以及相關(guān)功能電路設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，學(xué)習(xí)數(shù)字邏輯電路的工作原理、實(shí)現(xiàn)方法，掌握采樣、AD 轉(zhuǎn)換、反饋和控制等實(shí)現(xiàn)原理，通過簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)和中規(guī)模IC 實(shí)現(xiàn)循跡避障和調(diào)速等功能;

(2)“電測(cè)量技術(shù)與模擬電路實(shí)驗(yàn)”課程;解決電源模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PWM 調(diào)速及以及信號(hào)的檢測(cè)模塊，理解功能電路的改善對(duì)循跡避障小車工作性能影響之間的關(guān)系;

(3)“電氣電子電路綜合實(shí)驗(yàn)”課程:利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的小車循跡避障、調(diào)速和顯示等功能。

(4)“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程:基于CPLD，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的小車循跡避障、調(diào)速和顯示等功能。

通過上述四門課程待授過程，小車項(xiàng)目循序漸進(jìn)的功能改善，逐步完成:先是在不使用微處理器的前提下，僅用電子技術(shù)知識(shí)和電路讓小車循線行走。在學(xué)完數(shù)字電子技術(shù)課程后，為小車加入各種狀態(tài)顯示，也可以利用FPGA 開發(fā)板實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的循線功能。而在結(jié)束單片機(jī)課程后，就可以從系統(tǒng)的角度綜合掌控小車的速度以及復(fù)雜循線的能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容介紹

(1)Lab1 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)—了解與實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)相關(guān)的內(nèi)容;掌握常用電子儀器的基本功能并學(xué)習(xí)其正確使用方法;理解系統(tǒng)、功能電路與元器件;掌握常用元器件的識(shí)別與簡(jiǎn)單測(cè)試方法。

(2)Lab2 測(cè)量器件外特性—學(xué)習(xí)元器件特性曲線的測(cè)量方法;通過伏安特性，深入理解電阻等常用之器件的應(yīng)用特點(diǎn);通過小車電機(jī)伏安特性的測(cè)量，了解電機(jī)的非線性和磁滯現(xiàn)象。

(3)Lab3 三極管及其應(yīng)用電路—理解三極管的工作特性;了解小信號(hào)控制電子開關(guān)模塊的原理及組成;了解直流電機(jī)橋式驅(qū)動(dòng)模塊的原理及組成;數(shù)字邏輯和門電路的實(shí)現(xiàn)方法。

(4)Lab4 傳感器件、信號(hào)檢測(cè)與簡(jiǎn)單的導(dǎo)航(循跡)電路—了解光電傳感器工作原理;了解傳感器和信號(hào)探測(cè)模塊的相關(guān)問題;理解基本導(dǎo)航(循跡)策略，確定不同策略的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn);學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)方法;設(shè)計(jì)信號(hào)探測(cè)模塊;了解如何使用TTL 門。

(5)Lab5 模數(shù)轉(zhuǎn)換、分叉導(dǎo)航及色彩探測(cè)—了解模擬比較器的工作原理;了解模數(shù)轉(zhuǎn)換原理;學(xué)習(xí)如何在軌道上探測(cè)色彩;構(gòu)建岔道和色彩探測(cè)電路。

(6)Lab6 速度控制/脈寬調(diào)制—了解PWM 調(diào)制原理及其在小車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和時(shí)序邏輯電路。

(7)Lab7 系統(tǒng)子功能合成—掌握數(shù)據(jù)選擇器的工作原理以及組合電路的設(shè)計(jì)原理。

(8)Lab8 基于IC 的循跡小車實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(自由拓展)。

(9)Lab9 基于單片機(jī)的循跡避障小車實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(自由拓展)。

(10)Lab10 基于CPLD 的循跡避障小車實(shí)驗(yàn)任務(wù)書(自由拓展)。

3.3 實(shí)驗(yàn)的設(shè)置特點(diǎn)

前7 個(gè)實(shí)驗(yàn)(Lab1 －Lab7)為基本實(shí)驗(yàn)，旨在建立基本概念、了解基本原理、掌握基本知識(shí)和方法，并了解對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)(如小車)?？赡艿慕鉀Q方案與目前采用的方案之間的區(qū)別和聯(lián)系，在“電路與電子技術(shù)基礎(chǔ)(含實(shí)驗(yàn))”課程中完成。我們將原模電實(shí)驗(yàn)中“方波產(chǎn)生、波形轉(zhuǎn)換、光耦”等幾個(gè)小實(shí)驗(yàn)重新組合成為L(zhǎng)ab 6 的深層次實(shí)驗(yàn)，在“電測(cè)量技術(shù)與模擬電路實(shí)驗(yàn)”課程中進(jìn)行。Lab 8 是一份設(shè)計(jì)任務(wù)書，在完成前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考設(shè)計(jì)舉例，自主設(shè)計(jì)和發(fā)揮，自由拓展系統(tǒng)功能。Lab 9 和Lab 10 屬于跨課程可持續(xù)性的實(shí)驗(yàn)要求，在完成原有課程體系中的電路實(shí)驗(yàn)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、數(shù)字電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)以及單片機(jī)原理與接口的學(xué)習(xí)后，在“電氣電子電路綜合實(shí)驗(yàn)”課程以及短學(xué)期“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”課程中進(jìn)行。

［1］ 姚纓英等.電類技術(shù)基礎(chǔ)課程改革的探索與實(shí)踐，北京，中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012，(3):54-56.

［2］ 姚纓英等.電子電氣基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程關(guān)聯(lián)化教學(xué)模式的探索，北京，第七屆電子電氣課程報(bào)告論壇論文集，高等教育出版社，2011.

［3］ 姚纓英、樊偉敏等.模塊化開放式電路綜合實(shí)驗(yàn)(1)北京，實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28(4):12-15.