注重学生个性发挥的综合设计实验改革

王育红，沈为民，余向东，龚华平，徐苏楠

(中国计量学院光学与电子科技学院，浙江杭州 310018)

“光电电路综合设计”是一门大型综合设计课程，主要内容是设计制作一套含有光电发射电路和光电接收电路的电路板，实现特定的功能。学生须用电脑辅助设计软件设计出详细的电子线路图和印刷电路图，安装调试电路板，对装置的性能进行测试并做评估分析，写出总结报告。与其它类似的实践课程一样［1］，本课程在改革之前也存在设计课题少、学生设计方案雷同、设计制作的热情不高及完成的作品缺少个性化等问题。我们通过教学改革，丰富了设计课题，通过学生自主选题、提出方案并设计制作，在发挥学生个性化设计方面卓有成效。

1 丰富设计课题

最初的设计课题来源于科研项目，作为一个例子，在光纤温度传感器中光信号受温度调制，光信号的变化反映了温度的变化。这个变化的光信号若要传输，就需要光信号的发射和接收处理电路，包括为光源提供调制电源，光电转换及信号放大和锁相环相关降噪等电路。就光电传感器而言，不管是压力传感、温度传感和位移传感等，对光电电路的要求是类似的。所以，光电传输电路的设计课程具有代表性，对学生是合适的。但是，由于传输对准确性和稳定性都有一定要求。为降低噪声须将发射的光波信号调制成一定频率的方波，接收电路只对这种频率的方波信号作响应，整个系统较复杂，所以要完成课题的设计制作也不容易。设计课题的单一性限制了学生个性发挥，制约了教学质量的提高。

实际上，这一设计课题的应用领域十分广泛，完全可以推出多个专题以适应各类学生的需求，让每位学生得到最大收获。我们经过充分讨论，明确了如下教学目标:熟悉发光管、光电管等基本光电器件的性能和使用方法，掌握光电发射电路和光电接收电路的基本构建方法，能用电脑辅助设计软件设计相应的电子线路图和印刷电路图，并能实际制作和调试电路板。在明确教学目标的基础上，扩大选题范围，确定了如表1所示的四类专题，每类专题还可以有不同的设计项目。

表1 “光电电路综合设计”的设计专题

表中同一专题的不同设计项目可为不同能力的学生的选题提供方便，因为有的设计项目门槛较低，有的较高。例如光电脉冲计数电路专题中，流动人数统计系统只需模数混合电路即可实现，分别将光发射和光接收单元固定在模拟入口的相对两侧。有人通过时发生遮挡光接收端信号随即变化，将此信号放大整形后形成的脉冲信号送入计数系统即可实现流动人数统计功能;直流电机测速系统相比就复杂些，可以结合单片机去实现，电机风叶转动产生的信号由光接收端经放大整形后形成脉冲信号，送入频率测量系统来实现直流电机测速功能，为此实现还需要直流电机的驱动和调速电路。

我们鼓励任课教师提出新的设计课题，这样除了上述四个专题及其设计项目外，还有任课教师的保留题目供学生选择。但对于教师自已提出的题目，必须事先经过课程组审查以及完成示范作品的制作，以保证设计题目的合理性和可行性。另外，学生在课程教学开始时也可提出自己感兴趣的设计题目，经指导教师审核通过后也可进入设计阶段。

2 开放设计内容与实现方法

开放式课程设计体现在多个方面。首先是设计内容的开放，学生通常应按规定的设计任务和目标完成设计工作，但学生要求改变设计任务，只要有道理也是允许的。例如，学生选择“流动人数统计”这个项目，要求的测试对象是人，但有的学生提出测试对象改为生产线上的产品，也是可行的。其次是实现条件的开放，通常学生的设计方案须符合限定条件，特别是元器件涉及到经费问题和采购问题。第三是实验时间的开放，如果学生因实验连续性需要提出要晚上开放，则可通过预约进行安排［3］。现以专题为载体的综合设计采用如下思路。

(1)教师布置设计任务—设计任务要在课程教学开始就布置给学生，教师提出各专题的设计任务、目标要求和主要技术指标，以便学生在设计中带着问题找答案，能有足够的时间去消化和进行构思，独立完成设计方案;

(2)学生选题并进行自主设计—学生选择感兴趣的专题进行预设计，制定初步设计方案，然后讨论、修改设计方案，教师给予必要的启发和引导，最后学生依据确定的方案进行设计制作和调试［4］;

(3)阶段性检查和情况记录—教师充分了解学生情况，对不同程度的学生，在设计中对难度与进度可以做适当的调整，促使学生认真完成每一个步骤，以保证完成基本教学要求的设计任务，同时也可帮助教师充分了解学生，为准确、全面、客观地评价学生提供依据［5］;

(4)设计评价—教师将学生设计报告和图纸收齐进行批阅。学生自述设计完成的作品优缺点，以便教师能有针对性地提问，为最后综合设计评分获取更多的依据。

3 正确定位教师的指导作用

教师在专题设置时，就充分考虑到学生的个体差异，划分不同的难度系数，以适应不同层次的学生需要［6］。例如，在光电脉冲计数专题中，学生设计方案时光电传感器的选择可以有多种形式，可以采用透射式光耦，也可采用反射式光耦等等;在流动人数统计系统中，有的学生提出统计进出房间的绝对人数，教师则可启发其设计一个加减可逆的计数电路去实现。

教师在指导过程中，应当鼓励学生提出自己的观点和看法，启发和引导学生往正确的方向发展。例如在光电脉冲计数专题直流电机测速系统中，有的学生对直流电机的调速设计方法不清楚，教师应启发引导学生通过脉宽调制方式或电阻降压方式实现。最后，让学生进入实际制作与调试。教师的启发和引导作用既能保证学生完成设计任务，又能培养学生分析问题解决问题的能力，帮助学生掌握正确的设计思想和设计方法，培养学生学习自主性和独立思考、敢于创新探索的精神。

4 多方位提供设计素材

设计性实验中存在的一个误区是，为要体现设计性，就要让学生自已去找资料，不需要实验指导书，或只要简单地把设计内容、目标和条件等交待清楚就行了。实际上，学生的知识基础、能力水平存在较大差异，学习的主动性也不尽相同，相当多的学生在设计之初都会遇到困难，有些甚至不知如何下手。

“光电电路综合设计”涉及的知识点很多，包括“电路分析基础”、“模拟电路”、“数字电路”、“光电信息物理基础”、“工程光学”和“光电技术”等多门课程知识，所以有必要编写较为详细的实验指导书。指导书对各专题及设计项目给出了设计内容、目标要求和主要设计指标，同时还会介绍一些背景知识，如光电器件的性能指标、应用电路和工作原理等。这些背景知识既包含相关课程的知识总结，也有许多实用电路。

我们为“光电电路综合设计”建立了课程网站，更多的资料都可放在课程网站中。如仪器设备的特点、功能介绍、安装使用和操作方法;还有元器件的内部参数、外形特征、典型应用和工程实践中光电电路应用的实际案例。网站上不仅有丰富的资料供学生浏览，还可介绍查找资料的方法和途径。同时，还开辟了专题讨论区和教师在线答疑专栏，为开放式课程教学顺利展开提供保证。

5 结语

本文从丰富设计课题、开放设计内容和实现方法、重新定位教师指导作用和多方位提供设计素材等方面，对综合课程设计进行了探索和改革。经过几年的教学实践证明，学生通过自己的努力来完成课程设计，深化了他们对课程的兴趣，有利于全面提高他们的实践技能。

［1］ 康娟，李晨霞，陈亮，等.工科院校电子设计制作类课程设计改革［J］.南京，电气电子教学学报，2008，30(2):8-9

［2］ 汪春梅，杨敏，倪继锋，等.利用开放性“数字信号处理”课程设计培养学生的创新精神［J］.上海，实验室研究与探索，2010，29(11):122-124

［3］ 吴晓，堵俊，羌予践，等.电气专业课程综合性和设计性实验教学改革与实践［J］.上海，实验室研究与探索，2009，8(28):124-125，144

［4］ 元泽怀.开放式设计性综合实验课程教学的改革与实践［J］.上海，实验室研究与探索，2009，11(28):120-122

［5］ 李敏，陈国定，张贵军，等.专业课程设计教学的项目管理模式探索与实践［J］.北京，实验技术与管理，2010，11(27):182-185

［6］ 林嵘，康其桔，侯晓霞，等.课程设计教学模式探索［J］.上海，实验室研究与探索，2005，24:389-393