数电模电实验平台的改造研究与应用*

陈亚萍 章欢乐 周荣斌

(江西工程学院,江西新余 338000)

0 引言

高校实验室作为学校师生科技创新的有效平台,是培养专业技能水平,实践操作能力和具有创新能力的专业人才场所。普通高校实验室建设与管理办法明确规定,高校实验室是依托高校具有相对独立性的科研实体,是学科建设的重点。高校实验室一般依托于一个或若干个具有较大优势的重点学科,并为重点学科的建设与发展需要提供优化的运行环境和必要的保障条件。同时也是开展高水平科学研究的重要基地,也是地方科技创新的重要源泉。高校重点学科建设与发展,与在此学科上是否建立一流的重点实验室是分不开的。因此,高校实验室在重点学科建设中发挥提高学校学术地位、核心竞争力的作用是其他方面所无法替代的。

实验教学是培养应用型人才的重要途径,实验教学质量的好坏,决定了应用型人才培养质量的高低。在理工科院系,《模拟电路》和《数字电路》是重要专业基础课程,它内容丰富、应用领域广泛、涉及专业多、实践性和工程性强、技术更新快,容易形成教学滞后于技术进步的局面。为了使学生更好地理解这门课程,提高其动手能力,培养创新精神,开设相关实验课就显得尤为重要。《模拟电路》《数字电路》是很多工科专业的通识必修课,尤其是电子类、通信类以及计算机类专业,它们是这些专业学生的入门基础课,对培养这些学生的专业水平具有重要影响。

数字电路和模拟电路的实验教学模式多样,传统的实验教学方法都是“填鸭式”教学,教师在教学中既是主导又是主体,教师以完成任务为目的,忽略了学生这个主体,学生只是作为受众,单纯接受教师的说教,这样一来不仅不能激发学生实验课的兴趣,还阻碍了学生学习的主动性和创造性。另外,实验内容相对比较陈旧,导致很多实验知识跟不上行业发展,学生所学知识和社会脱节,真正走上工作岗位之后不能适应工作需要。

因此,在开设数模电实验教学中,实验设备起着至关重要的作用。研究一套符合本校教学情况、学生需求的数模电实验设备尤为关键。

1 目前数电模电实验设备现状分析

随着国家对高校创新人才培养要全面化,实践能力培养越来越受到重视。数电模电实验台的建设国内外有许多教育设备厂家及研究机构进行了广泛的研究,在国内外大多数高校的学生在使用实验平台的过程中受到多个方面因素的约束。学生专业学习水平的高低与数模电实验台的吻合度也各不一样。

近年来,随着国家教育投入力度的不断加大,我国各高职院校在数字电路和模拟电路的实验技术领域的教学设备越来越丰富,其中,数电模电综合实验台作为一种完善的教学设备,被广泛应用于各大院校的模拟电子技术实验中。目前有许多高校自身也在研究数模电实验台,根据本校情况有些可以值得借鉴。

本文结合作者的实践教学经验、本校教学情况及学生需求设计了一套数电模电实验教学平台,并对数电模电实验教学平台的建设特点以及使用方法进行简要概述,并从数电模电实验教学平台的角度出发,对其在教学实践应用中出现的问题等加以分析,以便为今后类似的实验教学提供借鉴和参考。

2 数电模电实验教学平台的设计内容

我校的本科相关专业(电子信息工程、通信工程、物联网工程等),专科相关专业(应用电子、自动化、新能源技术等)都开设有数字电路、模拟电路或电子技术课程,这些课程中实验课程占比较多,也是教学中的重点,但各专业这些课程的侧重点又不一致。根据国内外应用型高校数模电实验平台的建设情况,对我校电子实验室基本情况进行分析统计,建立相关的材料档案,为课题的研究提供理论依据,研究出一套多功能数模电实验操作平台,以满足多专业,各层次学生数字电路、模拟电路的实验教学需求。

对各专业数字电路、模拟电路、电子技术课程的实验大纲及学生课程设计及数模电实验室开放需求的情况进行调研,开展各种形式有目的有意义的实验教学课程,通过学生使用实验设备与老师相互交流等活动,进行统一的研究、归纳、总结合理设计实验平台。该平台由模电方块及数电方块组成。

模电方块含有三极管放大电路、运算放大器应用电路、功率放大电路、场效应管应用电路、直流电源、元件库等模块。其中三极管放大电路模块可以完成6个实验项目,运放放大应用模块可以完成4个实验项目,直流电源模块可以完成3个实验项目,元件库里可以扩展各种应用型及设计性实验项目。如表1所示。

数电方块含有各种数量脚号的芯片插座、16位置数开关、6个数码显示及16位指示灯显示、元件库等模块。可以完成各种数字电路的验证性、综合性及设计性实验项目。如表2所示。

表1 模电模块框图

表2 数电模块框图

图1 模板生成步骤

3 数电模电实验教学平台的设计目标

(1)平台的每个模块都含有相关电路的元器件及部分自由插孔。每个元器件都独立,每个元器件脚号都连接一个插孔,便于连接导线。

(2)实验操作平台可以满足课程所有的实验项目。元件库及自由插孔可满足学生各种电路设计需求。

(3)实验室可进行开放,满足学生课外学习、课程设计等方面需求。

(4)合理设计各模块在模电方块及数电方块的位置。特别是数电方块上,芯片插座、置数开关、数码显示及指示灯显示等模块的位置,要按照电路需求及操作的便利设计模块位置。

(5)合理设计各模块的元器件参数。要根据各模块电路的要求,先进行实验测试,选择出合理方案,记录参数数据,选择合理参数,备留自由元器件插孔。

4 数电模电实验教学平台的完成过程

(1)根据数电模电实验教学平台的设计要求,完成各模块的电路图,通过电路图软件,将设计的各电子元件进行排版,PCB版各单元的尺寸定位等,画好数电方块和模电方块二种PCB板。

(2)代工生产好PCB板,采购合格的各种电子元器件及配件,特别是实验插孔要求质量稳定不氧化,元器件参数要符合要求。最后将元器件安装到PCB板后进行调试验证。如图1所示。

所开发的实验平台的各模块电路都可以设计完整,经过测试验证,电路仿真等过程可满足实验教学需求。实验平台的灵活性很适用我校有多个专业,不同层次学生使用。平台的设计制作,完全可行,有利于学生的实验及创新。

5 数电模电实验教学平台的创新点及特色

(1)模电模块由6大独立单元模块构成,单元模块电路中每个电路元件排列位置与实验电路基本一致。并在模电板中设立场效应管应用实验模块和可控硅实验单元,以适应放大电路发展的需要。如图3所示。

图2 数电模块

图3 模电模块

(2)数电模块设立独立电源,减少学生循环接线方式。如图2所示。

(3)两个模块都增加电路扩展单元,可以让学生设计更多创新电路,为学生自主学习、个性发展、创新能力的提高提供良好的实验机会。

(4)该数模电实验平台适用范围广,适用全校本科、专科多个专业的数字电路、模拟电路、电子技术课程的实验大纲。

(5)平台各个模块灵活性强,可由学生自由设计搭建电路,课程实验教学、实验室开放都很适用,有利于提高学生创新能力。