从第二届全国电工电子基础课实验竞赛谈创新实验设计

何 俊， 房灵芝， 张 华， 蔡剑锋， 何忠文

(南昌大学 a. 信息工程学院； b. 教务处， 江西 南昌 330031)



从第二届全国电工电子基础课实验竞赛谈创新实验设计

何 俊a， 房灵芝a， 张 华b， 蔡剑锋a， 何忠文a

(南昌大学 a. 信息工程学院； b. 教务处， 江西 南昌 330031)

针对大学生创新能力培养这个教改研究热点问题，教育部电工电子基础课程教学指导委员会、国家级实验教学示范中心联席会举办了全国电工电子基础课教师创新实验设计竞赛。本文以部分获奖项目为例，以大学生创新能力培养为目标，对创新型实验项目应该具备的课题背景工程性、知识的综合性、实现方法的多样性要素进行了详细分析，为电工电子学科高校教师提供了一个创新实验的设计思路。

电工电子； 创新实验； 实验设计

0 引 言

一流教师队伍建设是大学生创新能力培养的关键[1]，现有研究却很少从如何提高教师创新能力这个角度去探讨大学生创新能力的培养。2014年教育部电工电子基础课程教学指导委员会、国家级实验教学示范中心联席会举办了首届全国电工电子基础课实验竞赛[2]，竞赛共分为六组，分别为电路及信号系统、数字电路及数字系统、模拟电子电路及高频电路、电子电路综合、电子系统以及高职高专。旨在通过竞赛提高教师创新实验设计水平、激发教师创新精神、为培养学生创新能力提供更好实验项目。现对第二届全国电工电子基础课实验竞赛范本进行分析，从教师创新能力培养的新角度，研究电工电子学科教师创新实验的设计思路，为提高大学生的创新能力奠定坚实的基础。

1 电工电子学科教师的创新能力现状

近年，实验教学在国内各高校越来越受到重视[3-6]，南昌大学从2014年开始将电工电子基础实验独立设课，其中规定综合设计性的创新实验不低于总内容的30%，并另外开设了创新学分课程。开展创新实验项目旨在探索并建立以问题和课题为核心的教学模式，倡导以学生为主体的创新性实验教学改革，与传统实验教学相比，创新实验教学存在以下优势[7]:① 有利于继承和发展书本理论知识，一方面学生通过实验验证、理解理论教学的内容，另一方面通过创新实验获得实验技能的基本训练，培养了实践动手能力。② 有利于激发学生学习的积极性和自主性。学生通过独立设计、观察、记录、数据处理、归纳分析等，探索新的发现，以获得研究成果，同时得到科研能力的训练。

教师的素质直接关系到大学生创新能力的培养[8-9]，作为大学生的指导教师，除了要求为人师表具有良好的职业道德之外，更重要的是在科研方面，具有扎实的理论功底和丰富的工程实践经验，具备解决实践工程问题的能力，才能受到学生的真心尊重和爱戴，树立在学生中的威信[10]。有两种类型的教师容易受到学生欢迎:① 高水平的教师，因为他们能够站在学科的最前沿，紧跟学科发展的最新方向，这些教师一般具有博士学位，在本学科进行了深入研究，他们开阔的眼界、渊博的知识容易激发起大学生的求知欲望。但也有部分青年博士，和社会联系脱节，缺乏工程实践经验，动手能力比较差。② 学历不高却具有丰富实践经验的教师也容易受到学生的欢迎，因为他们具有丰富的工程实践经验，动手能力强，能讲解学生从课本上学不到的知识，但这部分教师由于凭借的是自己的经验积累，遇到理论性较强的问题时显得力不从心。因此，对电工电子学科高校教师而言，首先需要努力学习新知识，跟踪本学科的最新研究动态。同时需要深入社会，通过实际工程，一方面锻炼了自己的实践动手能力，充实了自己的知识结构，另一方面将所学知识转化为了实实在在的生产力。全国电工电子基础课实验竞赛为电工电子学科的高校教师提高创新实验设计能力提供了一个很好的平台。

2 电工电子学科创新实验设计思想

对首届全国电工电子基础课实验竞赛获得一等奖的实验项目分析后，我们认为一个好的创新实验项目应该具备以下三个基本要素：项目背景的工程性、知识的综合性、实现手段的多样性。

2.1 创新实验项目的工程背景性

电工电子学科比较贴近日常生活，选择具有实际工程应用背景的实验项目容易引起学生的兴趣，激起他们解决实践问题的求知欲望[11-12]。2014年获得一等奖的实验项目如“基于单片机的导盲机器人小车设计”、“简易国旗自动升降装置的设计与实现”、“心电信号检测系统的设计、焊接及调试”，均以实际应用为亮点，不仅吸引评委的眼球，更能抓住学生的好奇心。“基于单片机的导盲机器人小车设计”实验项目见图1，作者教师采用国际先进的CDIO设计理念，结合当今教育形成新的EIPC-CDIO (Ethics、Integrity、Professionalism、cooperation- Conceive、Design、Implement、Operate)工程教育理念。基于该理念，将单片机课程抽象为几个子任务，与其关联学科、素质教育融合一体，形成本实验案例。让学生以主动的、实践的，课程之间有机的联系的方式学习工程。选择学生感兴趣的实验项目容易取得事半功倍的效果。

图1 导盲机器人小车

第二届实验竞赛范本题目是“制作一个温度的测量与控制电路”，要求如下：① 以帕尔贴温控装置为对象，设计一个能够测量自然环境温度(20～70℃)、测量精度不低于±1℃、以数字方式显示的温度计；② 对帕尔贴温控装置的温度控制在指定的温度值，温度控制精度不低于±2℃，请自行设计温度的设定方法；③ 提高温度控制的抗外界干扰能力，当启动温控装置上风扇时，仍然能够将温度控制在指定范围内。

该项目以实际工程应用为背景，分别提出了三个技术层面上的要求，第一项测量温度，第二项增加了实验内容，要求控制温度。最后一项提高了难度，将实际工程应用场合经常碰到的干扰因素考虑进来。实验项目贴近实际案例一方面排除了学习理论知识的枯燥感，增加了学习的乐趣，另一方面真正锻炼了大学生解决实际问题的能力。

2.2 创新实验项目知识的综合性

目前, 各高校主要将电工电子实验教学内容分为验证性实验和综合设计性实验。验证性实验以基本技能训练为主,以演示性、验证性为主。综合设计性实验则要求学生综合应用本门课程的多个章节的知识、甚至多门相关课程的知识进行的实验, 目的是培养学生自主学习、系统分析、应用、综合、设计与创新的能力。因此，为了提高学生创新能力，培养学生综合运用所学基础理论、专业知识的基本技能，增强学生发现、分析、解决实际工程问题的能力，创新型实验内容应该尽量覆盖学生课本理论知识，并尽量做到不同学科交叉，通过融合不同学科创新实验的锻炼，可提高大学生解决实际问题的能力[13-14]。

例如“基于单片机的导盲机器人小车设计”实验项目，属于《单片机原理及应用》课程。实验中要求小车实时循迹，时刻采集信息，这就要涉及传感器模块以及单片机的I/O口知识，这与单片机结构章节相关。传感器电路就涉及先修课程《电子技术》，包括传感器选型、整形电路设计、抗干扰设计等知识。实验中要求时刻控制左右电机运行，转弯时左右电机转速还需不同。控制电机肯定要用I/O口控制章节，这与D/A转换内容章节相关，实际D/A转换可用PWM占空比调节来实现。实验中要求实时记录行驶时间与里程，记录时间，就要用定时器，这跟定时器章节相关，可设置定时器每隔一定时间中断一次，用时间间隔乘以中断次数就是小车行驶时间。定时器还有个名字叫计数器，如果能记录车轮旋转的圈数，然后用车轮周长乘以圈数就是行驶里程。实验小车控制核心与单片机最小系统相对应。实验还要求小车能实时报告转弯等信息以发声提醒盲人，语音模块可采用流行的1700系列。在编程中还要用到C语言程序算法。这样将实践与课堂理论知识紧密结合，也将单片机课程与电子技术、C语言程序设计课程紧密结合，形成学科融合。

对于本届实验竞赛范本“制作一个温度的测量与控制电路”。在这个较为完整的工程项目实现过程中引导学生了解传感器及检测技术、信号放大、模数信号转换、数据显示、参数设定、反馈控制、PID控制及参数设定等相关知识与技术方法。并涉及测量仪器精度、线性度，硬件及软件反馈，仪器设备标定及抗干扰等工程概念与方法。通过交叉学科知识培养学生的自主学习、系统分析、应用、综合、设计与创新的能力。

2.3 创新实验项目实现方法的多样性

不同于传统实验项目，创新实验教学以学生为主、指导教师为辅的启发式、讨论式、师生互动式的教学方法, 实现实验教学活动由教向学的转变, 实现教师地位由教向导的转变, 使实验教学活动真正建立在学生自主活动、主动探索的基础上[15-16]，在多样化的实现方案中进行对比、实验，弄清每种方案的优劣，找出适合本实验的最优方案。因此创新实验应该具有实现方法多样性的特点，在老师指导下, 引入科学研究方式, 引导学生进行主动探索, 它是学生体验、理解和掌握科学研究方法、发展创新能力的一种有效途径。

仍然以本届实验竞赛范本制作一个温度的测量与控制电路为例，首先将实验设计内容分解为若干个模块，见图2。每个模块又可有多个实现方案，要求学生比较评价每个实现方案的优劣，见图3。

图2 温度测量与控制电路系统框图

图3 各子模块的多个参考实现方案

(1) 对于温度检测模块，可供选择的传感器有热敏电阻、PT系列热电阻，普通二极管，以热敏二极管为核心的集成传感器(如LM35、LM45)，基于绝对温度电流源型AD590，数字式集成传感器(LM75、DS18B20)等，学生在完成传感器选型的同时也完成了对各种温度传感器的学习。

(2) 对于信号处理模块，不同传感器输出信号形式(数字、模拟，电流、电压)、信号幅度各异，与之相应的信号调理与控制电路也各不相同。选择数字式集成传感器时，宜采用单片机或在PLD器件中设计控制器，以串行总线的方式获取温度数据；在选择AD590时，需要将1μA/°K的电流信号放大并转换成电压信号，并减去0℃时273.2 μA的基值；选用普通二极管作为温度传感器时，是利用其PN极电压10 mV/℃的特性，在设计放大电路时需要减去600～700 mV的基值。让学生了解到不同传感器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，后续的信号调理和放大电路也要根据信号的特征来设计。

(3) 对于信号转换模块，在将模拟信号转化成数字量时，也可以采用常规的A/D转换器、电压—频率(V/F)，或比较器等方式。实验要求的精度并不高，主要取决于传感器，温度又是一个缓变信号，因此将模拟信号转换为数字信号时可供选择的方式较多，如常规的逐次逼近型8位ADC、双积分型MC14433、ICL7106/07等都可以采用；也可以采用V/F转换的方式，或采用由控制器输出PWM波，经整流滤波后与温度信号比较的方式。

(4) 对于显示模块，在温度的数字显示形式上，也有数码管、字符型LCD等形式；可以借助于数字式电压表显示；也可以采用ICL7106/7107，将A/D转换和数字显示结合在一起；也可以将模拟信号通过一组比较器直接驱动灯柱显示。在算法方面，温度的控制算法可以采用PID，模糊控制以及各种智能控制算法。

通过以上分析，创新实验方案实现方案多样化，学生根据实验原理能设计出数种实验原理图,全面掌握各种基本实验方法, 熟知其各自特点、应用范围和相互关系，并在实验过程中熟悉相关仪器的结构、原理、性能、使用方法。可以让学生在掌握课本知识的基础上开阔视野。在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。多经历这种实验学生进步快，收获也大，容易激发学生的学习热情。

3 结 语

本文以全国电工电子基础课实验竞赛案例为背景，分析了创新型实验项目应该具备的基本要素，并以实际案例详述了如何将这些要素融入到创新实验设计中。当然，创新实验在实施过程中还有很多细节需要注意，例如创新实验教学必须首先完成基本的验证性等基础实验，实验前必须进行知识讲解、方法引导、背景解释，使学生具有实验所需的知识和技能, 然后再注重学生的创新意识和创新能力的培养。例如本文的温控系统设计是一个比较完整的实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在温度测量的基本方法、不同传感器输出信号的形式、AD转化的几种基本方法、反馈控制算法等进行课前培训，学生在掌握这些基本知识的基础上才能具有进一步的创新能力。

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Design of Innovation Experiment Based on the Second Session of the National Electrical and Electronic Basic Experiment Contest

HEJuna,FANGLin-zhia,ZHANGHuab,CAIJian-fenga,HEZhong-wena

(a. College of Information and engineering; b. Academic Affairs office, Nan Chang University,

Nanchang 330031, China)

In view of the teaching reform research to cultivate innovation abilities of college students, the Ministry of Education Joint Steering Committee, Electrical and Electronic Teaching Committee for the Basic Courses, the National Experimental Teaching Demonstration Center hosted the National Electrical and Electronic Innovation Experiment Design Competition. Taking some projects which have won at the competition as examples, some key factors are analyzed in this paper to be helpful to cultivating the innovational ability of college students. The innovative project should have engineering background, comprehensive, and diverse realization method, and can provide design ideas of innovation experiment for teachers of electrical and electronic disciplines in universities.

electrical and electronic; innovation experiment; design of innovation experiment

2015-03-29

国家自然科学基金资助项目 (61463034)；江西省重点教改课题资助(JXJG-14-1-4)

何 俊(1969-)，男，江西东乡人，博士，副教授，电子教研室主任，研究方向为模式识别。

Tel.: 13807088635; E-mail:boxhejun@tom.com

TP 271.4

A

1006-7167(2016)02-0163-04