數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造研究與應(yīng)用*

陳亞萍 章歡樂(lè) 周榮斌

(江西工程學(xué)院,江西新余 338000)

0 引言

高校實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)校師生科技創(chuàng)新的有效平臺(tái),是培養(yǎng)專業(yè)技能水平,實(shí)踐操作能力和具有創(chuàng)新能力的專業(yè)人才場(chǎng)所。普通高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理辦法明確規(guī)定,高校實(shí)驗(yàn)室是依托高校具有相對(duì)獨(dú)立性的科研實(shí)體,是學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)。高校實(shí)驗(yàn)室一般依托于一個(gè)或若干個(gè)具有較大優(yōu)勢(shì)的重點(diǎn)學(xué)科,并為重點(diǎn)學(xué)科的建設(shè)與發(fā)展需要提供優(yōu)化的運(yùn)行環(huán)境和必要的保障條件。同時(shí)也是開展高水平科學(xué)研究的重要基地,也是地方科技創(chuàng)新的重要源泉。高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)與發(fā)展,與在此學(xué)科上是否建立一流的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是分不開的。因此,高校實(shí)驗(yàn)室在重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)中發(fā)揮提高學(xué)校學(xué)術(shù)地位、核心競(jìng)爭(zhēng)力的作用是其他方面所無(wú)法替代的。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要途徑,實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞,決定了應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量的高低。在理工科院系,《模擬電路》和《數(shù)字電路》是重要專業(yè)基礎(chǔ)課程,它內(nèi)容豐富、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、涉及專業(yè)多、實(shí)踐性和工程性強(qiáng)、技術(shù)更新快,容易形成教學(xué)滯后于技術(shù)進(jìn)步的局面。為了使學(xué)生更好地理解這門課程,提高其動(dòng)手能力,培養(yǎng)創(chuàng)新精神,開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課就顯得尤為重要?！赌M電路》《數(shù)字電路》是很多工科專業(yè)的通識(shí)必修課,尤其是電子類、通信類以及計(jì)算機(jī)類專業(yè),它們是這些專業(yè)學(xué)生的入門基礎(chǔ)課,對(duì)培養(yǎng)這些學(xué)生的專業(yè)水平具有重要影響。

數(shù)字電路和模擬電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式多樣,傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法都是“填鴨式”教學(xué),教師在教學(xué)中既是主導(dǎo)又是主體,教師以完成任務(wù)為目的,忽略了學(xué)生這個(gè)主體,學(xué)生只是作為受眾,單純接受教師的說(shuō)教,這樣一來(lái)不僅不能激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)課的興趣,還阻礙了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。另外,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)比較陳舊,導(dǎo)致很多實(shí)驗(yàn)知識(shí)跟不上行業(yè)發(fā)展,學(xué)生所學(xué)知識(shí)和社會(huì)脫節(jié),真正走上工作崗位之后不能適應(yīng)工作需要。

因此,在開設(shè)數(shù)模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)設(shè)備起著至關(guān)重要的作用。研究一套符合本校教學(xué)情況、學(xué)生需求的數(shù)模電實(shí)驗(yàn)設(shè)備尤為關(guān)鍵。

1 目前數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)狀分析

隨著國(guó)家對(duì)高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)要全面化,實(shí)踐能力培養(yǎng)越來(lái)越受到重視。數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的建設(shè)國(guó)內(nèi)外有許多教育設(shè)備廠家及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛的研究,在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)高校的學(xué)生在使用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的過(guò)程中受到多個(gè)方面因素的約束。學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)水平的高低與數(shù)模電實(shí)驗(yàn)臺(tái)的吻合度也各不一樣。

近年來(lái),隨著國(guó)家教育投入力度的不斷加大,我國(guó)各高職院校在數(shù)字電路和模擬電路的實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)設(shè)備越來(lái)越豐富,其中,數(shù)電模電綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為一種完善的教學(xué)設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于各大院校的模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)中。目前有許多高校自身也在研究數(shù)模電實(shí)驗(yàn)臺(tái),根據(jù)本校情況有些可以值得借鑒。

本文結(jié)合作者的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、本校教學(xué)情況及學(xué)生需求設(shè)計(jì)了一套數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),并對(duì)數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的建設(shè)特點(diǎn)以及使用方法進(jìn)行簡(jiǎn)要概述,并從數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的角度出發(fā),對(duì)其在教學(xué)實(shí)踐應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題等加以分析,以便為今后類似的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供借鑒和參考。

2 數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容

我校的本科相關(guān)專業(yè)(電子信息工程、通信工程、物聯(lián)網(wǎng)工程等),?？葡嚓P(guān)專業(yè)(應(yīng)用電子、自動(dòng)化、新能源技術(shù)等)都開設(shè)有數(shù)字電路、模擬電路或電子技術(shù)課程,這些課程中實(shí)驗(yàn)課程占比較多,也是教學(xué)中的重點(diǎn),但各專業(yè)這些課程的側(cè)重點(diǎn)又不一致。根據(jù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用型高校數(shù)模電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)情況,對(duì)我校電子實(shí)驗(yàn)室基本情況進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),建立相關(guān)的材料檔案,為課題的研究提供理論依據(jù),研究出一套多功能數(shù)模電實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái),以滿足多專業(yè),各層次學(xué)生數(shù)字電路、模擬電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

對(duì)各專業(yè)數(shù)字電路、模擬電路、電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)大綱及學(xué)生課程設(shè)計(jì)及數(shù)模電實(shí)驗(yàn)室開放需求的情況進(jìn)行調(diào)研,開展各種形式有目的有意義的實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程,通過(guò)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備與老師相互交流等活動(dòng),進(jìn)行統(tǒng)一的研究、歸納、總結(jié)合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由模電方塊及數(shù)電方塊組成。

模電方塊含有三極管放大電路、運(yùn)算放大器應(yīng)用電路、功率放大電路、場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用電路、直流電源、元件庫(kù)等模塊。其中三極管放大電路模塊可以完成6個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,運(yùn)放放大應(yīng)用模塊可以完成4個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,直流電源模塊可以完成3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,元件庫(kù)里可以擴(kuò)展各種應(yīng)用型及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如表1所示。

數(shù)電方塊含有各種數(shù)量腳號(hào)的芯片插座、16位置數(shù)開關(guān)、6個(gè)數(shù)碼顯示及16位指示燈顯示、元件庫(kù)等模塊?？梢酝瓿筛鞣N數(shù)字電路的驗(yàn)證性、綜合性及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如表2所示。

表1 模電模塊框圖

表2 數(shù)電模塊框圖

圖1 模板生成步驟

3 數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1)平臺(tái)的每個(gè)模塊都含有相關(guān)電路的元器件及部分自由插孔。每個(gè)元器件都獨(dú)立,每個(gè)元器件腳號(hào)都連接一個(gè)插孔,便于連接導(dǎo)線。

(2)實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)可以滿足課程所有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。元件庫(kù)及自由插孔可滿足學(xué)生各種電路設(shè)計(jì)需求。

(3)實(shí)驗(yàn)室可進(jìn)行開放,滿足學(xué)生課外學(xué)習(xí)、課程設(shè)計(jì)等方面需求。

(4)合理設(shè)計(jì)各模塊在模電方塊及數(shù)電方塊的位置。特別是數(shù)電方塊上,芯片插座、置數(shù)開關(guān)、數(shù)碼顯示及指示燈顯示等模塊的位置,要按照電路需求及操作的便利設(shè)計(jì)模塊位置。

(5)合理設(shè)計(jì)各模塊的元器件參數(shù)。要根據(jù)各模塊電路的要求,先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,選擇出合理方案,記錄參數(shù)數(shù)據(jù),選擇合理參數(shù),備留自由元器件插孔。

4 數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的完成過(guò)程

(1)根據(jù)數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求,完成各模塊的電路圖,通過(guò)電路圖軟件,將設(shè)計(jì)的各電子元件進(jìn)行排版,PCB版各單元的尺寸定位等,畫好數(shù)電方塊和模電方塊二種PCB板。

(2)代工生產(chǎn)好PCB板,采購(gòu)合格的各種電子元器件及配件,特別是實(shí)驗(yàn)插孔要求質(zhì)量穩(wěn)定不氧化,元器件參數(shù)要符合要求。最后將元器件安裝到PCB板后進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。如圖1所示。

所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各模塊電路都可以設(shè)計(jì)完整,經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證,電路仿真等過(guò)程可滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的靈活性很適用我校有多個(gè)專業(yè),不同層次學(xué)生使用。平臺(tái)的設(shè)計(jì)制作,完全可行,有利于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)新。

5 數(shù)電模電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)及特色

(1)模電模塊由6大獨(dú)立單元模塊構(gòu)成,單元模塊電路中每個(gè)電路元件排列位置與實(shí)驗(yàn)電路基本一致。并在模電板中設(shè)立場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)K和可控硅實(shí)驗(yàn)單元,以適應(yīng)放大電路發(fā)展的需要。如圖3所示。

圖2 數(shù)電模塊

圖3 模電模塊

(2)數(shù)電模塊設(shè)立獨(dú)立電源,減少學(xué)生循環(huán)接線方式。如圖2所示。

(3)兩個(gè)模塊都增加電路擴(kuò)展單元,可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)更多創(chuàng)新電路,為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、個(gè)性發(fā)展、創(chuàng)新能力的提高提供良好的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

(4)該數(shù)模電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)適用范圍廣,適用全校本科、?？贫鄠€(gè)專業(yè)的數(shù)字電路、模擬電路、電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)大綱。

(5)平臺(tái)各個(gè)模塊靈活性強(qiáng),可由學(xué)生自由設(shè)計(jì)搭建電路,課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室開放都很適用,有利于提高學(xué)生創(chuàng)新能力。