通过综合性设计性实验提高学生动手能力

齐臣杰+王宏伟+王小妮+殷树娟+于梅

摘要：本文探讨了普通地方院校通过综合性设计性实验提高大学生的动手能力，培养应用型人才。把实验学时由原来的8个学时，增加到20个学时。在实验项目的选择上，让学生自己进行设计、装配和调试。难度由原来的单一功能电路模块，改为微小系统，称为综合性和设计性实验。方法上放弃了原来试验箱的做法，从而大大提高了学生动手能力。

关键词：综合性；设计性；实验；动手能力

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）15-0222-02

一、引言

目前，国内的高校都在不同程度上存在着学生动手能力差，创新能力欠缺，在系统性和综合性方面薄弱的问题。为了改善这种状况，很多学校都投入了一定的人力物力，以此来有效开展这方面的改革与探索。华中科技大学龚军、罗杰等人，积极探索了电子线路综合设计实验的开放式教学实践，提出从系统设计能力，多角度思考问题，解决实际问题能力三方面来提高学生的动手能力。中国科技大学李辉、戴蓓倩、杨基海利用Lattice半导体公司开发的高密度系统可编程ispLSI逻辑器件，在电子电路教学实验中，提高现有电子电路教学实验水平。从教学改革的文献中可以看出，很多学校认识到综合性实验的重要性。深深感到当代大学生必须有较强的动手能力，还要有创新的思想和相关的技能。实践教学在各类课程中应占有重要的地位，因此要提高实验教学的质量，使学生主动参与，并更多地安排设计性、开放性的实验，从而提高学生兴趣，不断开展实践教学的改革。目前，已经取得了很好的效果。这些探索大都是“211”型大学，而对于普通的地方院校，本文探讨通过综合性设计性实验，提高学生动手能力问题。

二、研究背景

北京信息科技大学属于地方普通高校，其发展目标定位是：努力建设在电子信息、现代制造与光机电一体化、知识管理与技术经济等领域特色鲜明，立足北京、面向全国，培养应用型人才为主，教学科研协调发展的高水平大学。也就是说培养的是应用型人才，而不是研究型人才。而想要培养应用型人才，就必须大大提高学生的动手能力。

首先，先分析我校的实验方法。大学开设的实验课程，有相当多的实验课采用实验箱。采用试验箱的优点是便于管理，让实验更加规范。但是带来的后果是学生很难提高实际动手能力。在学期实验中，我们改用面包版，通过一学期的实践，我们发现，用面包版学生可以按照设计电路进行连接，如果电路没有问题，实验就会很顺利。如果输出结果与预期的不同，同学就几乎查找不出毛病所在，基本上依靠老师才能判定故障并调试成功。这一方面反映出学生理论的不扎实，对电路基本原理不熟悉。另一方面，也反应出学生对一些基本的电路调试手段没有掌握。几乎所有的学生检查电路仅仅是检查电路连接是否有错误，而不是利用示波器观察关键节点的波形。

再分析我校的实验项目。绝大部分是某单一功能模块的实验，各个实验相互独立，缺少联系，更缺少综合性。这使得学生只见树木不见森林，缺乏系统能力，缺少综合能力。对于比较复杂的电路，就感到无所适从。此外对电路的性能指标也很少关注，这对以后从事产品研发很不利。

学生动手能力差，在毕业设计中，可以非常明显地表现出来。通过观察毕业论文，如果题目要求从事硬件电路的研发，结果发现很少有人能够全部完成硬件电路的技术指标。在电路的设计和调试中，一旦遇到问题，学生能够独立解决的人数很少，而是主要靠教师来指导。这说明学生在实际动手能力方面还很欠缺。

另一方面，现在学生应聘的面试中，提问最多的是，你曾经做过什么项目？因此，学生深深感受到自己动手能力差，迫切希望能够有机会参加一些项目，提高自己的动手能力。正因为如此，学生需要在这方面加强动手能力的训练，特别是硬件电路的训练。

这种状况，不但我们学校存在，其他兄弟院校也同样不同程度存在此类问题。

三、实施措施

为了提高学生的动手能力，我们在《IC芯片及应用》课程中进行改革。《IC芯片及应用》是继《模拟电路》、《通信电路》、《数字电路》、《单片机》之后的一门硬件电路的课程。采用集成电路模块完成一种或多种功能模块，也可以是微系统。模拟系统的内容多于数字系统，因此学生普遍反应课程难，学习兴趣低。原来该门课程为48学时，其中实验8学时，讲授40学时。为此，我们对本课程进行如下改革：总学时不变，为48学时，但是，讲授调整为28学时，实验20学时，实验比重大大提高。

实验项目也进行很大的改变。具体思路如下：（1）《IC芯片及应用》实验以综合性实验、设计性实验、和研究性为主；以微系统为主。例如信息采集系统，包括传感器、放大模块、AD、DA模块，显示模块；电源系统，包括变压，整流、滤波，稳压、功放、电源保护等；数字频率合成；数字时钟；含有自动增益控制的放大模块。（2）不同于基础电子学实验，综合性系统实验的硬件环境一般都不是简单的仪器集成，而是需要自己动手去选择和设计专门的试验模块和微系统。学生自己设计、制作与调试电路，抛弃试验箱的办法。（3）阅读原始英文IC模块说明书。

第一个层次是验证性实验，这部分内容通常采用试验箱，并且在数电和模电中做得较多，因此在本课程《IC芯片及应用》中，这部分内容基本不再重做。第二层次是提高性实验。学生根据实验内容及要求，选定电路，并进行调试。这部分内容安排一定的实验学时，目的在于发现学生对基本技能的掌握中不足的地方，并指导学生改进，为后面综合设计性实验打下坚实的基础，这部分学时占30%；第三个层次是综合性设计性实验。一个题目中将包含若干模块，实现一种微系统的功能。教师提出题目、实验内容及技术指标，学生自己设计电路，选择元器件参数值，安装调试电路，实验在面包板上进行。这样做既体现了循序渐进，又有利于能力的培养和因材施教。整个内容覆盖了模拟电路、数字电路、通信电路、单片机或嵌入式系统等内容。这部分学时占50%；第四部分为研究性实验，注重实际应用和创新。考虑到我校的实际情况，创新对学生有较大的困难，因此我们重点在于了解实际的工程问题。这部分学时占20%。endprint

对于研究性实验，以某个工程项目为对象，整个实验包括若干模块，例如主控制模块单片机最小系统、电源模块、输人模块、输出模块、显示模块等。这几部分把常用的模电、数电，信号处理、射频电路，以及单片机等知识点综合起来。由于研究型实验难度较大，需要较长的时间，我们把研究型实验放在课程设计中进行，用三周的时间完成。课程设计的内容是：温度传感器检测出环境温度，通过无线芯片，发送给上位机，上位机把温度显示出来，单片机控制上位机和下位机通讯。目前采用的是点对点通讯，以后逐步发展，采用其他协议通信。

具体方法是：通过本课题，开发出验证性实验1个，由学生选做1个；提高性实验4个，由学生选做3个；综合性实验4个，由学生选做3个；研究型实验2个，由学生选做1个。具体实验电路如下。

仪器用放大电路，要求输入阻抗高，输出阻抗低，温漂小。

迟滞电压比较器，控制电路常用，给定窗口电压，自己设计电路。

电压频率变换器，与射频相结合，了解电路线性范围，注意选型。

函数信号发生器，了解频率稳定性，电路后面接缓冲隔离放大器，了解负载的影响。

集成有源滤波器，了解系统的稳定性，衰减特性，输入输出阻抗问题。

集成稳压电源，把变压、整流、滤波、稳压结合在一起，注意元器件的功耗。

电子门铃，应用性电路，注意电路发音的美学。

多功能彩灯，应用性电路。

数字石英钟，综合性子系统，把振荡、分频，校正，译码，显示等综合在一起。

FM收音机，应用性电路。

集成音频放大器，应用性电路。

温度传感器通信子系统。综合性子系统。

四、结果与讨论

通过本实验课程的改革，可以培养学生如下能力：（1）系统设计能力。在综合设计实验以前，学生都是接触单元电路的实验，对电路设计没有系统的理解。本综合设计实验要求学生从系统角度思考，设计总体方案并写出实施过程及手段，目的是让学生从理论课的学习思维模式中走出来，从提出分析、设计、实现到测试并完成的全过程来认识一个实际工程问题。（2）多角度思考问题能力。围绕一个实验主题，通过运用多种技术解决一个小型而完整的电子系统。为学生提供多方面的设计案例，开阔了学生的视野，丰富了学生的知识面，培养了学生多角度思考问题的能力。（3）解决实际问题能力。依照实验设定的框架，学生既有可参考的原型，又能自主添加新功能和尝试新方法，能增强对实验的信心和兴趣。不同层次的学生都可以找到各自的切入点和深入的方向，其解决实际问题的能力和创新意识无疑将得到锻炼。

参考文献：

[1]龚军，罗杰，汪小燕，谢自美.电子线路综合设计实验的开放式教学实践[J].实验室研究与探索，第27卷第7期，2008年7月

[2]李辉，戴蓓倩，杨基海.提高电子电路教学实验水平的一种新途径[J].实验室研究与探索，1998，（6）：16.

[3]高志华.从大学生电子设计竞赛探讨实践教学的改革[J].实验室研究与探索，2000，（1）：34.

[4]陈新华.《电工与电子技术》实验系列教材的建设与研究[J].电气电子教学学报，2004，26（2）.

[5]张立民，隋燕，李维祥.电子信息类综合性系统实验的教学改革与探索[J].实验技术与管理，2007，24（10）.endprint