以應用為導向的電子技術綜合性實訓教學設計*

◆易藝

0 引言

綜合性實訓是指學生在學習一門或多門課程的理論知識、實驗方法和實驗技能后，充分利用這些知識、方法和技能對給定的綜合性實訓任務要求進行綜合性訓練的一種復合性實踐課程[1-4]。近年來，國內開設電子類專業(yè)的高等院校都很重視綜合性實訓的教學，意在通過綜合性實訓課題的訓練，培養(yǎng)學生的綜合設計能力和專業(yè)技能，提高學生對課程理論知識的綜合應用能力和工程實踐能力，進而提高學校的教學質量[5]。

電子信息類專業(yè)是桂林電子科技大學重點建設專業(yè)，著重培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才。信息電子技術作為電子技術的一個分支，是電子信息類專業(yè)重要的專業(yè)基礎課程，該課程的實踐環(huán)節(jié)既是保障學生掌握理論知識的關鍵，又是培養(yǎng)學生應用能力和工程實踐能力的重要途徑。為了加深學生對電子技術課程理論知識的理解，使學生所學的理論知識和實踐技能得到運用和訓練，培養(yǎng)學生的綜合應用能力和工程實踐能力，實訓課程組教師需要根據(jù)實訓教學大綱的要求，尋找和選擇可以激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生應用能力的綜合性實訓課題。

1 實訓課題選擇

桂林電子科技大學的電子技術綜合性實訓開課時間為大二第一學期期末，此時學生已經完成電路分析基礎、模擬電子技術、數(shù)字電子技術和電子線路CAD等相關課程的學習，具備完成電子技術綜合性實訓的理論知識。實訓課題的選擇要考慮學生的學習興趣，考慮學生對已學課程知識的應用與相互聯(lián)系，考慮拓展后續(xù)相關課程的知識，然后分層次、分模塊進行選擇和設計，以滿足不同能力水平學生學習的需要，注重因材施教[6]。因此，實訓課程組教師根據(jù)上述要求，在滿足實訓教學大綱的前提下，選擇“具有音源選擇功能的音頻功率放大器”“線性電源的設計”和“波形發(fā)生器的設計”等課題。

由于不同實訓課題的任務要求、課題內容和性能指標要求不盡相同，實訓課程組教師可以參考全國大學生電子設計競賽的出題方式，將實訓課題的要求分為基本部分和發(fā)揮部分，滿足不同能力水平學生學習的需要。以“具有音源選擇功能的音頻功率放大器”為例，說明實訓課題的任務要求和內容選擇。

1.1 實訓課題任務要求

要求設計并制作一個具有音源選擇功能的音頻功率放大器及所用的直流電源，要求達到的性能指標如下：

1）最大不失真輸出功率大于10 W；

2）功率放大電路的帶寬BW下限頻率fL≤20 Hz，上限頻率 fH≥ 20 kHz；

3）音量音調調節(jié)電路具有低音、高音、平衡和音量調節(jié)功能；

4）具有音源輸入選擇功能；

5）具有揚聲器保護功能；

6）通過藍牙方式輸入音頻信號；

7）具有音量電平指示功能。

實訓課題要求的5）～7）主要面向參加電子設計競賽的學生、大學生創(chuàng)新基地的學生和學有余力的學生。

1.2 實訓課題內容選擇

實訓課程組教師根據(jù)實訓課題任務要求，結合學生已學過的電路分析基礎、模擬電子技術和數(shù)字電子技術等相關課程的知識，在兼顧學生接受能力的前提下，選定“具有音源選擇功能的音頻功率放大器”實訓課題的主要內容為音源輸入選擇電路、音量音調調節(jié)電路、功率放大電路、電源電路、揚聲器保護電路、音量指示電路和藍牙音頻電路。學生在完成這些電路模塊的設計與制作后，將它們進行級聯(lián)調試，完成整個實訓課題。該教學模式讓學生掌握了知識點在模塊電路中的應用，同時體驗到每個模塊電路在整個實訓課題中的作用，進而讓學生掌握分層次、分模塊設計系統(tǒng)電路的方法，有助于培養(yǎng)學生綜合應用知識解決實際問題的能力。學生在日常生活中聽音樂時接觸或使用過音頻功率放大器，該實訓課題更能激發(fā)他們的學習興趣、設計與制作熱情。

2 實訓教學實施

實訓教學的實施流程如圖1所示。電子技術綜合性實訓是電子信息類專業(yè)學生接觸的第一個綜合性實訓，實踐性強，對很多學生來說有一定的難度。因此，在實訓教學開始前，指導教師要召集學生進行實訓動員，介紹實訓課題，引導學生進行實訓。為了培養(yǎng)學生的團隊意識和團結協(xié)作能力，實訓開始前要求學生組隊（2人一組），為每組學生配備實訓指導教師。學生以小組為單位，在實訓指導教師的指導下，通過查閱資料，運用已學的模擬電子技術和數(shù)字電子技術課程的知識完成實訓課題方案和電路的設計；然后運用電子線路CAD課程的知識完成電路原理圖的繪制、仿真和PCB圖的設計；隨后，學生將設計好的PCB圖拿到激光雕刻中心進行制板；最后進行電路板的裝配、焊接、調試和參數(shù)測試等工作，直至完成實訓課題的任務。在實訓進行過程中，指導教師要善于引導學生去分析問題、討論問題，尋找解決問題的方法，以培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。實訓課題完成后，學生通過撰寫實訓報告的形式對實訓課題的設計與制作過程進行總結，并對實訓課題的參數(shù)進行分析與處理，以培養(yǎng)撰寫科技報告的能力。各實訓小組通過實物作品演示與匯報的方式參加指導教師組織的實訓驗收[7]。

圖1 實訓教學實施流程圖

以某學生小組完成情況為例，說明“具有音源選擇功能的音頻功率放大器”實訓課題的設計、制作與參數(shù)測試。

2.1 實訓課題方案設計

實訓課題方案設計主要是引導學生根據(jù)實訓課題的任務要求和內容，應用所學的課程知識進行系統(tǒng)方案的設計，并畫出系統(tǒng)方案框圖。實訓課題的主要內容為音源輸入選擇電路、音量音調調節(jié)電路和功率放大電路等電路模塊。將這些電路模塊進行級聯(lián)，得到音頻功率放大器的電路組成框圖，如圖2所示。

圖2 音頻功率放大器電路框圖

多路音頻信號分別送給音源輸入選擇電路，用戶通過按鍵選擇一路立體聲音頻信號送給音量音調調節(jié)電路進行前級放大、音量調節(jié)和音調調節(jié)，然后送給功率放大電路實施功率放大，以驅動揚聲器發(fā)出悅耳的聲音。揚聲器保護電路主要用來保護揚聲器，當功放電路因故障輸出直流電壓時，揚聲器保護電路的繼電器會自動斷開，使功率放大電路與揚聲器之間的連接斷開，從而保護揚聲器。音量指示電路用來指示音量的大小。

2.2 實訓課題硬件電路設計

在進行硬件電路設計時，實訓指導教師引導學生采用分層次、分模塊的方法進行電路設計。下面僅對實訓課題的部分硬件電路模塊進行介紹。

2.2.1 音源輸入選擇電路 音源輸入選擇電路由繼電器、計數(shù)器芯片CD4017和復合晶體管陣列芯片ULN2003組成，它的作用是在多路音頻信號中選擇一路送給音量音調調節(jié)電路，電路原理框圖如圖3所示。學生可以通過設計與制作音源輸入選擇電路復習和鞏固數(shù)字電子技術的相關知識，增強對理論知識的綜合運用能力。

圖3 音源輸入選擇電路框圖

2.2.2 音量音調調節(jié)電路 音量音調調節(jié)電路由前級放大電路、音調調節(jié)電路、平衡電路和音量調節(jié)電路組成，作用有兩個：

1）對輸入的音頻信號進行放大處理，以滿足后級功率放大電路驅動要求；

2）對輸入的音頻信號進行高音、低音調節(jié)，左右聲道平衡調節(jié)和音量調節(jié)，以滿足人們收聽音樂的要求。

音量音調調節(jié)電路原理框圖如圖4所示。學生可以通過設計與制作音量音調調節(jié)電路復習和鞏固運算放大器、濾波器等知識，并了解這些知識在電子產品中的應用。

圖4 音量音調調節(jié)電路框圖

2.2.3 功率放大電路 功率放大電路以運放和三極管為核心器件，采用推挽達林頓射極跟隨器電路結構來實現(xiàn)[8]。它的作用是對經過音量音調調節(jié)電路處理的音頻信號進行功率放大，以便有足夠的能量驅動揚聲器發(fā)出悅耳的聲音。功率放大電路單個聲道的電路原理圖如圖5所示。學生可以通過設計與制作功率放大電路復習和鞏固三極管電路、功率放大電路的知識，了解這些知識在電子產品中的應用。

圖5 單個聲道功率放大電路原理圖

2.3 實訓課題功能與參數(shù)測試

教師指導學生在實驗室使用函數(shù)信號發(fā)生器、數(shù)字示波器和雙輸入交流毫伏表等儀器設備對實訓課題的功能和參數(shù)進行測試，并對測量數(shù)據(jù)進行處理，分析產生誤差的原因，引導學生對存在的問題進行改進，以完善實訓課題。學生可以通過對音頻功率放大器參數(shù)的測試復習和鞏固示波器、函數(shù)信號發(fā)生器等儀器設備的使用，掌握參數(shù)的測試、分析和處理方法。

3 實訓考核方式

實訓成績的評定主要由過程考核、實訓報告和實訓驗收組成，分別占實訓成績的20%、30%和50%。其中，過程考核包括實訓課題的方案、實訓電路原理圖和PCB圖的設計；實訓報告由每位學生自己獨立完成；實訓驗收包括實物作品的演示、參數(shù)測試和實訓課題完成情況的匯報。

4 結束語

選擇人們日常生活中使用的音頻功率放大器作為電子技術課程綜合性實訓課題，將模擬電子技術、數(shù)字電子技術、電子線路CAD等課程的知識結合起來。在實訓中，學生根據(jù)實訓課題的任務要求查找資料、設計電路、繪制電路原理圖與PCB圖，然后進行電路板的制作、焊接、調試和測試等一系列工作，直至完成整個實訓。實踐證明：該實訓教學模式可以激發(fā)學生學習興趣，有助于培養(yǎng)學生的應用能力和工程實踐能力，為學習后續(xù)相關課程打好基礎。