自制实验平台的应用

陈宜建, 杨全会, 张素琴

(常州信息职业技术学院 电子信息工程系，江苏 常州 213164)

自制实验平台的应用

陈宜建, 杨全会, 张素琴

(常州信息职业技术学院 电子信息工程系，江苏 常州 213164)

实验室在培养学生实践能力与创新能力中发挥重要作用。自制实验教学平台旨在服务于实验教学，完善实验设备，加强实验室建设。结合高校教师自主研制的实验平台在教学中的应用，以及在实验室建设中的作用，分析了开展自主研制实验设备的必要性与重要意义。以 “智能小产品实验平台”为例，论述了自制实验设备在提高教学质量，促进教改，加强开放实验建设，提高教师科研水平等方面的应用成效。

实验平台； 教学改革； 创新能力； 科研水平； 开放性实验

0 引 言

随着科学技术快速发展、信息技术兴起，高新技术的开发和应用，使得产业结构和岗位需求不断调整变化，社会对应用能力、创新能力人才的需求在不断增加[1]。以培养学生实践创新意识、创新能力为宗旨的实验项目建设，对实验教学提出了更高的要求[2-3]。

面对不同高校、不同专业，实验设备生产厂商很难按照客户的需求，研发实验设备的效益很难得到保障。有时企业开发出的实验设备由于技术较先进，投资大，专用性强，价格较贵，而高校往往因资金不足，所需实验设备经常无法直接购买[4-6]。并且这些实验设备在使用和功能上也不能完全满足实验教学需求，往往与教学内容有些不一致。

解决实验教学设备问题的有效办法是高校教师自主研制。高校教师根据本校专业实践教学的要求进行实验设备设计，自制实验设备具有很强的实用性、先进性、低成本，易维护[7]。

1 实验教学平台设计

自制实验设备是教学改革的重要内容。根据我校应用电子技术人才培养方案和电子行业对人才需求，从现有实验教学项目中发现仪器设备存在的问题[8]，组织老师进行深入调研论证，集思广益，提出自制实验设备的技术路线。组织团队积极申报项目，协同攻关，解决了研发中遇到的技术难题,必要时与相关企业合作，进行联合研发。以下是教学团队自主研制的一款“智能小产品实验平台”。

1.1 实验平台设计方案

自制实验平台应具有资源丰富、功能全面、运行稳定、成本低廉等特点，既能够满足教学、科研的需求，具有一定的前瞻性，能及时跟踪热点技术。实验平台选用STC公司生产的STC89C52RC单片机。STC89C52RC是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8Kbyte系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash[9]。软件系统包括STC89C52RC驱动程序、实验程序、ISP下载编程软件、集成开发环境 Keil uVision4以及实验项目文档。自制实验平台整体框图如图1所示。

图1 总体框图

1.2 硬件系统设计

根据学生技能训练要求，自制实验平台适合做验证型、设计型和创新型实验[10]。硬件系统主要由电源电路、单片机电路、蜂鸣器电路、按键电路、LED指示电路、串口电路、LCD显示电路、温度传感器电路、实时时钟电路组成。硬件系统结构图见图2。

图2 硬件系统框图

根据硬件系统要求，设计电路原理图，并转换成PCB板图。PCB板布局以就近原则，按模块排布，每个元器件标注清晰，元器件采用直插式，焊接在电路板正面，便于学生对资源分类学习。实验平台见图3。

图3 实验平台实物图

1.3 软件系统设计

实验平台软件系统主要包括集成开发环境、ISP下载软件和实验项目程序。项目程序分为驱动函数库和应用程序，能实现对硬件资源控制。驱动函数库实现对蜂鸣器、按键、LED灯、LCD显示屏、温度传感器和实时时钟驱动。每个应用程序都有详细完整的说明文档，主要包括程序设计流程图，典型子程序说明，程序代码，功能测试过程和分析等。

2 应用案例

本实验设备可用作电子类多门课程的实践教学平台。比如：单片机原理与应用，电子产品制作工艺与实训，智能电子系统开发与设计实训，接口技术，电子制作与工艺等。利用教学实践平台进行实验，可根据学生自身特点采用不同层次进行[11]。图4、5给出了自制实验平台在部分不同课程中所开展的实验。

(1) 层次1为基本实验项目。理论知识的基本应用，一般是验证性实验，学生参考实验指导书，按照实验步骤就可完成实验。学生基本不需要自由发挥。

(2) 层次2为拓展实验项目。要求学生在掌握基本原理的基础上，完成一个有明确目标的实验项目，不再明确规定具体的实验内容和实验步骤，学生有一定的自由性，可进行项目创新和发挥。

图4 单片机原理与应用课程实验项目结构图

图5 电子产品制作工艺课程实验项目结构图

(3) 层次3为探索实验项目。实验目标不明确的，有指导思想，实验内容更多与实际应用相关，通过实验可找到新的解决现实问题的方法和途径，或发现某种规律性； 主要培养学生的创新能力。

通过分层次实验，不仅掌握了基本知识，还可以接触先进技术。从理论验证到设计性实验的编程练习，探索性实验进行相似的产品设计等，使学生有很大收获。现以实验平台在“单片机原理与应用”课程中的运用为实例进行说明。

传统的单片机原理与应用课程教学体系和方法是先原理后实验，其授课顺序多数为单片机硬件结构、寻址方式与指令系统、汇编语言、系统构成、外围接口芯片原理与应用、综合系统设计等[12]。实验教学环节多数在汇编语言程序设计之后开始，软件设计和硬件设计教学很难融合。这将导致学生，该课程入门困难，对所学理论知识也不知有何用途和怎样用，从而感到课程学习非常枯燥和乏味，失去学习兴趣和热情[13]。

要解决以上问题，应在理论讲解的过程中，不断融入实践环节。教学过程中，充分运用自制实验平台。首先演示“小小气温测试仪”，学生对于这种直观的教学方式很容易接受。将课程分成5个学习单元，每个单元又分为若干项目，每个项目都包含软件和硬件。学生先进行模仿，做层次1的实验项目；随着能力的增加，然后做层次2的项目。对于学有余力的同学，还可以进行层次3中实验项目。

自制实验设备体积小，便携，使用方便，学生只需在个人电脑上安装相应集成开发环境keil和ISP下载工具软件即可。学生可以把实验设备带到宿舍，利用课余时间进行开放实验和创新研究。

3 应用成效

自制实验平台充分与教学内容相结合，在实践教学过程中得到很好应用，对高校专业建设，教学改革发挥了很大作用。节约经费，提高了教师科研水平，为学生提供了开放实验平台，取得了良好效果。

(1) 增加了实验设备，完善实验室建设。自制实验平台投资少，加工制作方便，有利于扩大实验室规模，改善实验条件。因实验设备由学校老师自行研制，设备的维修方便，改进快捷，能有效跟上技术发展；设备的操作使用熟练，提高了实验室利用率。

(2) 丰富了实践教学内容，促进了实践教学改革，提高了教学质量。自制实验平台与教学内容结合紧密，针对性强，能突显本校专业特色，实验设备功能齐全, 能满足不同层次学生的实验需要[14]。同时也改变了实践教学模式，增加了实践环节和过程，有效提高了学生实践技能。

(3) 锻炼了教师队伍，提高专业教师科研水平。 实验平台在研制过程中，教师积极参与，通过查阅大量文献资料、到企业和高校调研，制定了切实可行的设计方案。制作与调试过程要应用理论知识，同时也要工程实践经验。实验设备生产过程中，教师要参与指导和监督和团结协作, 不仅专业水平和创新能力得到提高，获得了国家专利，也加强了科研团队建设。

(4) 提供开放实验，培养学生创新能力。自制实验设备的使用提供了开放式实验，增加了学生学习专业知识的有效途径，学习热情和兴趣得到很大提高,学生的创新意识也得到培养。实践操作能力得到锻炼，专业技能得到提高。多年来，我系学生利用自制实验设备进行毕业设计，开展江苏省大学生创新创业实践项目研究，参加各类大学生电子竞赛，并多次获奖。

4 结 语

高校教师自制实验平台是实验教学改革的重要举措，是根据专业人才培养目标来解决实践教学之需。自制实验平台是对教学设备的有效补充，成本低，使用和维护方便，提高了实验设备利用率，针对性强，不但满足了学生专业课的实验要求, 而且为学生的课程设计、毕业设计、自选实验、设计性实验、综合性实验和创新实验提供了实验平台，为产业培养具有创新能力的应用型人才奠定基础。自制实验设备不但引进了新的技术，还有利于完善实训室建设。在实验设备研制过程中，教师积极解决了工程中所存在的一些实际问题，专业能力既得到锻炼，又提高了科研水平。

[1] 曾垂省,梁亦龙，舒坤贤，闫光凡.自主研制实验教学仪器设备的作用与意义[J]. 实验技术与管理，2010, 27(4):178-180.

[2] 徐 宁,王 玫. 创新意识驱动下实验教学模式转型的实践[J]. 实验室研究与探索, 2016,35(2):220-223.

[3] 张运楚,姜爱民，徐红东，等.高校实验教学中创新教育现状与对策[J]. 实验室研究与探索, 2016,35(2):224-228.

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[5] 张莉英，王怀明，韩文仲，等. 自己研制实验设备提高师生实践能力[J].实验技术与管理, 2015,32(5):98-100.

[6] 楼建明，傅越千，安 鹏，等. 基于能力培养自制实验仪器设备[J].实验技术与管理，2014,31(9):81-86.

[7] 何宾编著.STC单片机原理及应用[M]. 北京：清华大学出版社,2015.

[8] 惠 煌，赖晓晨，迟宗正，等.高校单片机教学实验设备自制模式探索[J].实验技术与管理，2012,29(5):229-232.

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[10] 李广弟，朱月秀，冷祖祁编著.单片机基础[M].3版.北京：北京航空航天大学,2008.

[11] 朱敏玲,张 伟,侯凌燕. 基于Proteus 的微机原理与接口技术教学改革[J]. 实验室研究与探索, 2016,35(1)：155-160．

[12] 刘 艳，孟 威，孟令军，等. 大学生创新实践教育模式的探索与实践[J]. 实验室研究与探索, 2016,35(1):166-168.

[13] 浦灵敏. 基于自制实训平台开发的高职单片机课程教学改革实践[J].九江职业技术学院学报，2015(3):29-30.

[14] 王江华, 赵 燕. 自制实验设备在大学生科技创新中的作用研究[J].学园,2015(25)：36-37.

Application of the Self-Made Experimental Platform

CHENYijian，YANGQuanhui,ZHANGSuqin

(Department of Electronical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

Laboratory plays an important role in cultivating students’ practical ability and innovation ability. The self-made experiment teaching platform aims at serving the experimental teaching, improving the experimental equipment and strengthening the construction of the laboratory. Based on the application of the experimental platform in teaching, and the function of the laboratory construction, the necessity and significance of developing the self-developed experimental equipment are analyzed. With an example of the self-made training equipment of “intelligent product training platform”, this paper discusses the application effect of self-made experimental equipment in improving teaching quality, promoting teaching reform, strengthening the construction of open experiment, and improving the level of scientific research of teachers.

experimental platform; reform in education； innovation ability; scientific research level; open experiment

2016-05-28

江苏高校品牌专业建设工程项目(PPZY2015C237)；2015年江苏省大学生实践创新训练计划项目(201512317019X)；高等职业学校提升专业服务产业发展能力项目(1-1-2012-2)

陈宜建(1979-),男,安徽阜阳人，硕士,高级工程师，主要研究方向: 信号处理，嵌入式系统。

Tel.：15961239880； E-mail: cyjscama@163.com

G 484

A

1006-7167(2017)02-0276-03