智能化电子技术实验教学系统的建设

钱 敏，陆元成，高 阳，朱江转

（华东理工大学a.物理学院；b.机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引言

目前国内外电子技术实验课程基本基于传统教学，具体有以下两种方式［1-9］。第1种，在万能电路板上焊接电路，元器件多，学生易出错。由于学生初学，器件性能诊断和线路排布经验不足，往往线路焊接多种多样，教师在纠错时需花费大量时间，教学效率较低。第2种，在插件板上插接封装好的元器件，由于封装的器件只暴露引脚并在封装壳体上标注，不能有效进行元件性能诊断。同时，由于封装的单个元件体积比较大，插件板面积有限，限制了电路规模，导致教学内容往往简单，学生往往只按照电路图进行插件，限制了对电路布局的锻炼，学生受益较浅，课程质量欠佳。另外，由于学生多，元件多，问题多，教师很难做到客观评价。针对这些问题，创新设计了一套电子技术实验教学系统。

1 创新型电子技术实验教学现状

创新型电子技术实验教学系统实现学生主导、教师辅助、线上线下的教学方式。线上部分：控制服务器对接数据库，提供下载截图，上传报告及教师查询数据；学生在预习时进行实验模拟，提交预习报告等，控制服务器记录预习报告提交时间。线下部分：学生在电子技术实验教学系统的软件引导下，根据电路图选择元器件，在硬件电路板上进行焊接，通过软件调试、检测元器件引脚的波形和数值。软件判断数值是否正确，屏幕截图保存波形。本课程采用创新实验教学系统新技术，学生自主学习新教学方法，实验过程数据记录客观严谨，突破了传统电子技术实验课程的教学瓶颈。

基于自主研发的创新型电子技术实验平台，电子技术实验课程面向理工科专业本科生，是在电子技术理论课基础上开展的基础实验课。课程旨在实现自我学习操作的创新教学方式，破除课程千校一面，以新技术引领一流本科课程建设，让课程优起来。历时7年，全部自创设计的实验平台，让教师强起来。自我学习、操作、分析、设计的教学方式，让学生忙起来。实验平台客观严谨的数据检测记录功能，让课程管理严起来。学生通过课堂自我学习，操作讨论，师生互动，让课堂活起来，效果实起来。该课程促进知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合水平和高级思维，满足理工科创新型专业人才的培养目标。

2 智能化电子技术实验教学系统的建设

2.1 实验教学系统建设的思路

电子技术实验课程较早的教学方式是让学生在万能电路板上焊接或接插电路进行实验，这个方式学生容易出错，教学效率低。目前大多使用的模块插件，学生感受较浅，实验能力提高有限［10-16］。鉴于这两点，本课程建设的目标是既要让学生直接接触电子元件，在电路板上自由焊接，自己布局电路，也要让学生出错时基本能通过提示自己解决问题，让学生自己去研究电路各种变化及相应的现象，并且能全程记录学生实验的过程，给予客观的评价。

2.2 实验教学系统建设采取的措施

为实现以上思路，设计开发了一套完整的软硬件相结合的智能化电子技术实验智慧教学系统，包含一个控制服务器，30 个受控实验台，一个实验报告上传和截图下载终端。

2.2.1 服务器功能

服务器上显示每个实验台的状态，包括实验者学号姓名，是否在线；所有实验台的信息均实时存储于服务器，实验台受控于服务器并通过无线相互通信，所以学生可以在任何一个实验台实验，如果实验过程中断，可以在后面任何时间任何实验台上从上次中断的步骤处继续实验。

2.2.2 实验台功能

实验台包括一个显示屏，一块自由焊接的电路板（含两个集成电路卡座），实验台上集成有示波器，信号发生器，实验供电电源，均由显示屏显示，可由鼠标和软键盘调节，其他还有万用电表，瞬热式焊枪，摄像头等，如图1 所示。

图1 电子技术实验平台

学生首先需要登录，之后电脑控制检查实验板是否清空，以保证下一个学生不能利用上一个学生搭建的电路进行实验；清空检查通过后会显示该学生的实验状态，包括未完成的实验，已完成的实验，已使用的实验时间等；选择所要做的实验，实验内容就会加载到实验台的电脑，并按步骤显示；学生按屏幕指导在电路板上排布焊接电路，并按照软件提示将电路调整至要求的功能状态，检查无误后启动电脑检查；如电路状态（节点电压）与要求的状态偏离，屏幕会显示哪些节点电压偏离了要求，学生根据提示查阅相应资料，自己分析解决问题；若检查通过，说明电路连接正常，达到了要求的功能状态；之后进行电路参数测量，并输入电脑比对认可；参数测量比对成功后，进入电路变化的观察研究；在以上实验过程中，每一步中的重要节点电压波形的示波器显示结果都要求截屏保存（含学号），实验后下载用于实验报告。在实验过程中，实验台的摄像头随机摄像，以备教师检查，杜绝代做。

2.2.3 实验报告上传和截图下载终端功能

本终端提供实验报告上传和实验中的截图下载，要求学生必须在实验开始前1 周内递交预习报告，实验完成后1 周内递交实验报告，以保证实验有效进行和实验报告的质量。服务器记录有预习报告递交时间，操作实验用时，操作实验步骤完成数目，操作实验犯错次数，实验报告递交时间，如不符合要求，将自动按设定标准扣分，从而保证了教学质量，实现了客观评价。

2.3 实验教学系统建设的技术路线

智能化电子技术实验教学系统建设的技术路线如图2 所示。①线下部分建设：1 个控制服务器，30 个受控实验台，1 个实验报告上传和截图下载终端。②线上部分建设：本实验系统的控制服务器对接数据，提供下载截图，上传报告，教师查询数据。③课程资源建设：目前建设了10 个实验内容，8 个为常规实验，2 个为设计实验。8 个常规实验分别是线性电路原理、信号放大电路、功率放大电路、正弦波发生器、三角波发生器、精密整流电路、模拟稳压电源、5555 定时器。本实验教学系统广泛适用于模拟电路和数字电路的实验教学内容。

图2 智能化电子技术实验系统建设技术路线

2.4 实验教学系统建设的创新点

2.4.1 实验新仪器

自主研发的创新型电子技术实验平台全部国产化，技术含量高，体现一流本科教学仪器。

2.4.2 教学新方法

“授人以鱼不如授人以渔”。面向本科生自我学习、操作、分析、设计。教师引导、帮助、培养学生自我学习、探索、设计、研究能力。

2.4.3 评价新方式

中央服务器记录实验所用时间，所犯错误，实验数据，实验结果截图，对学生实验过程的评价客观公正。

2.4.4 课程信息化

全程电子信息化，教材和实验报告均电子版，实现无纸化教学。

3 教学效果和评价

本实验系统构想始于2012年，于2014 年建立系统，经2 年试用，2016 年9 月开始由所有学生正式使用，今年已是第7年，在这过程中系统得到了不断完善，目前应用已基本成熟。

本实验平台通过教学实践体现出以下特色：①学生跟电脑屏幕是互动关系，学生在实验过程中容易犯错误，在提示下，通过自己分析去解决问题，正是这个过程极大地提高了学生的实验能力；②实验过程基本不需要教师的介入，除非遇到疑难问题，才需要教师介入讨论，且这种介入可以远程进行，这就可以实现实验室的开放性，学生可以自由择时实验；③这个实验方式，可以保证每个学生的实验训练质量，很多学生都是从开始时懵懂，害怕电路，到实验完成后收获极大的成就感并真正喜欢上电子电路；④这个系统的实验内容可以随时创建，可同时在线15 个实验（虽然现在只创立了10 个），如果需要增加或替换实验内容也很方便，可以通过专用软件来进行实验内容设计和更替实验内容。

学生对这种课程形式反映良好。本实验平台评价方式的客观性，决定了每个学生必须独立自主、真刀真枪地完成实验。几乎所有同学均认可，这个课程极有成效地提高了学生的实验能力。

4 结语

本研究建设的智能化电子技术实验教学系统，在技术上有一定创新。学生可在新教学方法下自主学习，实验过程数据记录客观严谨，突破了传统电子技术实验课程的教学瓶颈，体现在：①教学仪器创新：电子技术实验平台，自主研发、技术含量高，将科技发展前沿成果引入课程，体现时代性与前沿性。②教学内容高阶：课程包括常规实验和设计实验，体现广度、深度、挑战度，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力。③教学方式示范引领：学生自主学习，教师辅助指导。课堂和远程互动相结合。仪器创新化、内容高阶化、评价客观化、教学信息化。④课程推广性高：中国特色、技术领先的创新实验平台，利于学生自主创新型研究学习。本课程采用一流教学仪器、教学内容、教学管理，教学成果将支撑学校理工科学科人才和世界一流大学建设。