基于“虚实结合”的电子技术实验课程群体系建设与实践

袁小平, 陈 烨, 陈世海, 倪亚南, 牛小玲, 蔡 丽, 毛会琼

(中国矿业大学 信息与控制工程学院, 江苏 徐州 221116)

1 概述

传统的模拟电子技术、数字电子技术、电子技术综合设计、集成电路分析与设计等实验室为学生提供了固定的场地、实验仪器以及辅助器材,学生能够真实地操作各种仪器、连接线路、排除故障,加深对实验的了解,从而深入理解理论知识[1-2]。学生在实验中会遇到诸如器件偏差、电磁干扰、接线错误、设备故障等因素的干扰,使实验数据偏离理论值或者数据错误,因此需要对实验数据进行处理,甚至对错误数据进行修正[3-4]。在处理数据的过程中,学生能对各种造成干扰的因素有深刻的认识,同时也能加深数据处理和数值分析的能力,因此,传统类的电子技术实验室有很多优势[5-6]。

然而,传统的电子技术实验室却也有一些缺点。许多设备需要高额的购买费用和维护费用,有些还需要很多的安全保障设施,此外,受到人力、财力的制约,实验室也只能在规定的时间内开放,很大程度上制约了学生的实验。为了解决这样的问题,电子设计自动化技术(EDA,electronic design automation)应运而生。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点,可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作[7-9]。

尽管以EDA技术为代表的虚拟仿真实验室从一定程度上缓解了学生对实验室的需要,也在学生能力培养中发挥了重要作用,但其缺乏真实性和交互性[10-13]。虚拟仿真实验和传统真实实验各有优势,在实验教学中,充分利用虚拟实验和真实实验的各自优势,虚实结合,优势互补,对提高学生从事科研、创新和实际工作的能力具有重要意义。

2 建立虚实结合的电子技术实验实践创新课程体系

紧紧围绕高等学校人才培养目标,依托国家级电工电子教学实验示范中心开设大平台“模拟电子技术实验”“数字电子技术实验”“电子技术综合设计”和微电子方向的“集成电路设计”等课程,按照课程建设与人才培养目标相结合、教学与科研相结合、理论教学与实验教学相结合的原则,构建以培养学生实践能力、创新能力为主线,建立基础验证性、综合设计性、创新研究性的多层次、多模块的实验实践创新教学体系。体系如图1所示。

图1 电子技术实验实践创新课程体系

3 建立 “虚实结合、互为补充”的网络化实验室

现代电子技术的发展促使学生掌握计算机仿真技术在电子设计与创新实践中的应用。学生通过利用EWB、Mulitisim、Protues、LabVIEW等EDA软件直接完成电路的功能设计、性能分析、时序测试、程序编制和调试等。对较复杂的综合设计性实验,要求学生对所设计的电路、相关算法先进行计算机仿真,得到正确结果后再进行硬件调试。通过“虚实结合”“软硬兼施”等多样化的实验教学手段,通过因特网实现远程操作服务器进行课程实验,着力培养学生应用电子技术的综合设计、创新能力和工程实践技能。

数字电子技术实验已实现开放式运行,该开放式网络平台包括课程管理、Proteus学习、课程实验、作品展示、通知/公告、辅助学习、用户管理等模块。其中,课程实验模块可以添加或查看实验。该课程采用虚实结合,首先要求学生设计预习实验内容,在实验室中先在Proteus软件中仿真通过,然后在实验箱上用芯片验证仿真结果,最后上传到Proteus电子设计与仿真实验系统,具体界面如图2、图3所示。

图2 数字电子技术实验开放式管理系统

图3 作品查看界面

在电子技术综合设计实验中,采用Proteus软件可以实现模、数混合电路、单片机和嵌入式系统的仿真。利用计算机网络构成单片机实验的局域网、校园网,学生可以不受时间、地点和实验内容的限制,教师可以在网上和学生交流、辅导。该虚拟仿真实验平台具有低成本(一万多种元器件和各种多功能虚拟仪器)、易于维护、易于管理等特点,具有先进性和创新性。该仿真软件内置的丰富资源为学生的综合性、创新性实验设计与研究奠定了基础。在实验中,教师特别强调在实验方案的设计上要采取软件仿真与硬件实验相结合的方法,同时强调软件仿真的局限性,软件仿真不能代替硬件实验,引导学生有机结合软件仿真与硬件实践。

基于我校电子技术虚拟实验平台,学生可以在任何时间、任何地点完成相关课程的实验,包括虚拟仿真实验和实时测控实验等内容,可以远程完成实验操作、实时观察实验结果。在开始进行远程实验时,客户端可以通过界面上的一些基本操作来完成实验,如在进行光敏电阻的测量时,只需点击“测量电阻”便可进行光敏电阻阻值的测量,远程服务端光照的改变都会影响测得的光敏电阻的阻值,而这一变化都会反映在远程客户端。系统登陆界面以及实验相关界面如图4 、图5所示。

图4 虚拟实验平台登陆界面

图5 光敏电阻实验界面

通过以上实验设计及仿真可以看出,基于电子技术虚拟实验平台进行相关知识的动手实践,不仅能帮助学生将课堂理论知识与实际更好地结合,而且有利于对学生工程概念兴趣的培养,让学生有更多的机会实践并体验真实的电路和硬件。

4 编写反映时代特色的实验教材

“模拟电子技术”“数字电子技术”分别为江苏省优秀课程、校级精品课程,积极推行开放式、启发式、探究式、讨论式、参与式等多种形式的教学方法, 先后有6 项课题获得了“校课程建设与教学改革项目”立项。

其中,“模拟电子技术”是我院开设历史最长的课程之一,课程面向我院所有本科生,每年第2学期开设,课程为专业基础课,平均每年面向600名本科生开课。模拟电子技术于2004年获江苏省二类优秀课程,“模拟电子技术实验”于2007年被评为校级精品课程。课程建设小组成员多次获得过校级、院级的教学成果奖和优秀教学质量奖。本教学团队针对本科教学模式及方法进行积极探索,发表了一批教学教育论文。各成员注重将科研成果融入教学,并积极参与开展大学生课外科技活动,取得了优异成绩。教师是办学的主体,是决定人才培养质量的关键。在主讲教师队伍建设中,严把资格关、控制上岗关、做好考评关,要求教授、副教授必须讲授本科课程。把是否给本科生授课且教学效果好作为教师晋升高一级职务的条件之一。教师具有较丰富的教学和科研经验,教学中注意引用优秀英文原版教材,将最新的研究成果应用于教学,及时反映学科前沿的新知识和新信息,充分体现教学的先进性和创造性,保证了本科教学质量的提高。

“数字电子技术”课程是我校电子系列课程的主干课程之一,是电子信息工程、计算机科学与技术及网络工程等专业本科学生必修的专业基础课。本课程的任务是使学生获得数字电子技术的基本理论及数字逻辑电路的分析和设计方法,培养学生分析问题和解决问题的实际技能,为后续多门专业基础课程的学习打好基础。学生通过本门课程的学习,可以掌握数字电子技术理论知识、提高数字电子电路设计能力,增强动手实践能力。课程内容主要包括数字逻辑基础、逻辑门电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲信号产生与整形、半导体存储器、可编程逻辑器件和模数/数模转换这几大部分。“数字电子技术基础”课程作为电子信息工程、计算机科学与技术及网络工程等专业本科学生必修的一门专业技术基础课,对我校电子信息类人才的培养具有重要意义。

鼓励教师编写高质量反映技术特征的特色教材,共有2本教材正式出版,其中的《电子技术综合设计教程》被评为 “十一五”国家级规划教材(2008年)、“江苏省精品教材”(2011年)、 “江苏省重点立项资助教材”(2014年),《数字电子技术实验教程》2015年获“江苏省重点立项资助教材”。

《电子技术综合设计教程》主要包括概述、通用型电子系统设计原则、典型设计举例、电子综合设计抗干扰技术、AHDL语言及其应用、VHDL语言简介、单片机C51开发与应用、器件常用下载技术、电子系统设计中的常用接口技术、电子技术综合设计实践等内容,适用于电类、信息类等专业学生使用,并可作为电路设计工程师的参考书籍。

《数字电子技术实验教程》以目前使用的主流数字电子技术教学内容为主线,按章节编写了4章共24个数字电路和数字系统实验。教材简明易懂,可操作性强,可作为电气信息类、计算机类、自动化类、电气类等本科专业学生的数字电子技术实验、EDA实训课题等实践教学教材,也可作为从事电子技术开发的工程人员以及广大爱好者的参考书。

5 自制仪器设备、开发典型实验教学案例

教师及时将科研成果应用到实验教学中,先后研制了电子技术实验箱(模拟电子技术实验)及数字电子技术实验平台,满足电子技术实验课程的需要,共研制教学仪器设备150余件套,“基于模块化电子系统设计开发平台”的技术含量代表先进技术方向,先后获得校级自制仪器一等奖,获得第三届全国自制仪器设备二等奖。该平台的研制为电子设计与创新奠定了物质基础。

教师通过开展综合设计、创新研究性实验项目设计开发典型实验教学案例,电子技术实验课程教学案例、电子技术综合设计课程实验教学案例分别获得全国电工电子实验教学案例评比一等奖3项、二等奖5项、三等奖3项。

其中,首届全国实验案例比赛三等奖作品“脉冲电磁发生器”是一个利用电路理论、模拟或者数字电子技术解决工程实际问题的典型案例,需要运用三角波产生电路、单门限电压比较器电路、LC电路、三极管电流放大电路、固态继电器等相关知识。脉冲磁场发生器可用于医疗电子、矿物加工等领域。第二届全国实验案例比赛一等奖作品“多路抢答器”是数字电路的一个典型案例,它综合运用了组合逻辑电路和时序逻辑电路的知识,采用SSI、MSI逻辑芯片完成传统的设计方案,或者通过使用PLD,采用HDL语言编程,在EDA系统中进行设计来实现。实验不仅要具备硬件电路的连接与调试、硬件电路故障排除的能力,还需要具备较强的程序编写能力和分析解决问题的能力。

6 结语

经过10多年的教学实践和理论探索,构建了具有中国矿业大学和信息与工程控制学院特色的虚实结合的电子技术实验实践创新课程体系,培养了一批具有电子设计与创新能力、具有创新精神和实践能力的高素质人才,提升了我院大学生在就业、考研、未来职业发展等方面的空间,形成了广泛的社会效应和丰硕的学生成果。主要表现在:

(1) 社会影响较大。随着电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展,极大地促进了EDA技术的发展,1999年,袁小平作为电工电子实验中心副主任,以与台湾最大的教学仪器设备开发商掌宇公司合作为契机,及时跟踪现代电子技术发展的最新成果,引进、消化、吸收虚拟电子设计工作台(简称EWB)、复杂可编程逻辑器件开发等世界前沿的EDA技术,开发了用于超大规模复杂可编程逻辑器件学习与科研的一系列实验箱,编写了《电路模拟仿真平台》讲义、编著了《复杂可编程逻辑器件应用与开发》教材,面向全校开设了“电子设计自动化技术”选修课。此外,依托中心先后连续3年举办了4届全国高校EDA实验教学培训班、研讨会,对参加培训的近百所全国高校的虚拟实验教学改革发挥了重要的作用。多次面向高校师生、企业技术骨干举办SOPC新技术培训班,对苏北乃至淮海经济区的高校EDA技术的发展与推广起到了推波助澜的作用。编写的《电子技术综合设计教程》先后被国内十几所高校应用。

(2) 学生成果丰硕。1999年来,课程组负责人一直负责大学生电子设计竞赛的组织、指导工作,并取得了优异的成绩。近10年来,指导学生参加科研训练计划和大学生实践创新计划项目28项,发表教学研究论文40多篇,获全国大学生电子设计大赛、全国“挑战杯”竞赛获省市级以上奖励28项,其中,“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖1项,全国大学生电子设计竞赛国家级奖10项、省级奖16项。每年有大批学生被“211工程”“985工程”高校录取攻读硕士、博士研究生,大批学生进入国内知名企业从事技术工作。

(3)学生受益面广。该成果是在教师边研究边实践的基础上不断总结、逐渐成熟的,先后在国家级特色专业的申报、国家级实验教学示范中心的验收、江苏省品牌专业申报中起到了增色添彩的作用。该成果先后于2012—2015年面向电气信息类专业学生开设平台课程“模拟电子技术实验”“数字电子技术实验”“电子技术综合设计”等实践课程,面向电子科学与技术专业开设“集成电路设计”。所开发的虚实结合的实验教学资源转化为非电类课程的教学资源,面向全校学生进行创新研究、实验室开放、学科竞赛的培训,每年受益学生多达800人,使电子设计竞赛等项目成为我院乃至我校的品牌与特色。