电子设计基础训练教学探索

张玉玺 宜娜 康骊 王俊

基金项目：教育部2021年第二批产学合作协同育人项目“基于‘以赛促教理念的实验教学能力培训”（202102371003）

第一作者简介：张玉玺（1985-），男，汉族，河南驻马店人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为信号与信息处理。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.12.025

摘  要：在教育教学改革的大背景下，该文通过口罩经典特性测量实验这一具体案例，阐述工程基础实验课程电子设计基础训练的教学实施方法与效果。该实验从生活中的热点问题出发，通过实验原理教学、实验过程指导和实驗考核验收等环节，融入设计开发、工程思维等理念，使学生能够制作电子产品、解决实际问题，引导学生从“小实验”感悟“大工程”。该实验加深学生对电子信息系统的认识，培养他们的实践能力和工程创新思维，为日后的专业学习打下坚实基础。

关键词：电子设计基础训练；口罩静电特性；工程思维；实验实践；创新能力

中图分类号：G640        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）12-0104-04

Abstract： Under the background of education and teaching reform， this paper expounds the teaching implementation method and effect of basic training of electronic design in basic engineering experiment course through a specific case of  measurement experiment of mask classic characteristics. The experiment starts from the hot issues in life， integrates the concepts of design and development and engineering thinking through the links of experimental principle teaching， experimental process guidance and experimental examination and acceptance， so as to enable students to form electronic products and solve practical problems， and guide students to understand "big projects" from "small experiments". This experiment deepens students' understanding of electronic information system， cultivates their practical ability and engineering innovation thinking， and lays a solid foundation for their future professional study.

Keywords： Basic Training in Electronic Design; Electrostatic characteristics of the mask; engineering thinking; experimental practice; innovation ability

在高等教育改革的大背景下[1-2]，北京航空航天大学积极深化教育教学改革，创新人才培养模式。学校统筹推进大类书院、专业学院、特色学院和人才培养试点特区，实施了大类招生、书院育人等举措。在“强化基础，突出实践，重在素质，面向创新”的人才培养理念下，工程基础课程发挥着至关重要的作用，使学生能够对工程学科广泛洞察，有助于形成全面的学科底蕴[3-5]。信息大类尤其重视工程教育基础，并关注学生从高中到大学的重要转型阶段，以及学生未来专业发展的专业志向，注重为学生打下跨学科领域基础知识的坚实基础。

在这一背景下，电子设计基础训练作为面向信息类大一学生的工程基础课程，在培养学生实验实践能力、建立学生对专业的认知、打好学生专业基础及激发学生学习兴趣等方面起到重要作用[6-7]。通过这门课程，学生能够获得实践经验，提升在电子设计领域的技能。同时，课程帮助学生对专业深入理解，为他们未来的学习和职业发展奠定坚实的基础。

电子设计基础训练是大一下学期的工程实践基础课程，以认知为主要目的，在基本元器件学习基础上，通过实验将理论知识进行应用。课程以课堂教学为引导，以实验环节为支撑，以课后探索为补充，根据“学以致用，承前启后”原则，既要将所学知识用于解决生活中的实际问题，又要注重根据学生已有知识基础设计课程内容，为后续专业课程打好基础，并在教学过程中注重引入工程思维，培养学生的工程实践能力[8-9]。本文通过口罩静电特性测量这一具体实验案例，介绍课程具体教学措施。

一  实验原理与内容

电子信息硬件基础认知是电子设计基础训练课程的重要任务之一，通过基本元器件的讲解，让学生认识电子信息系统的基本电路组成，引导学生从基础认识电子信息系统。为了激发学生的学习热情，课程多从生活中的实际问题出发，引入理论与实验教学。市面上的口罩真假难辨，而通常的医用口罩具有静电吸附效应[10]，只需通过三极管放大电路，将口罩上的微弱电流放大，结合LED的亮度变化直观展现静电测量结果，即可验证口罩是否有效。在此背景下，设计了口罩静电特性测量实验。

常见的医用口罩，主要由三层无纺布组成。内层是普通无纺布，用于吸收使用者呼吸时产生的水分；外层是做了防水处理的无纺布，主要用于隔绝患者喷出的液体，也就是简单的机械过滤部分；中间的过滤层用的是经过驻极处理的聚丙烯熔喷无纺布。医用口罩的核心材料，是驻极处理之后的聚丙烯熔喷无纺布。这是过滤病毒气溶胶的关键。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，具有高效率、低流阻、抗菌和节能等优点，在保证常规滤材的物理碰撞阻隔作用基础上，增加了静电吸附作用。驻极处理使得过滤材料纤维带有电荷，结合熔喷超细纤维材料致密的特点，因此带电纤维间形成了大量的电极，带电纤维不仅能够像磁铁一样吸引环境中大部分的带电微粒，同时也可将未带电的部分颗粒极化，进而吸附一些粒径较小的污染物，甚至病毒这种纳米级的物质也可进行静电吸附或电荷相斥阻隔。

测试口罩的静电吸附功能是否可以正常工作有两种思路，一种是测量口罩中的静电电荷量，这是很难实现的；另一种是通过测试口罩附近的场强来间接测试口罩中静电的存在，也就是本实验所采用的方法。测量口罩附近的场强我们可以利用静电感应原理来实现，静电感应的原理是当不带电的导体放入电场中，导体中的自由电荷会在电场力的作用下发生定向移动从而使导体两端分别产生等量异种电荷，也就是感应电荷；而电荷定向运动的过程会产生一个微弱的电流，可以通过检测这个微小的电流来间接证明口罩中静电的存在性。为了使这个实验效果更为明显，我们需要放大这个电流，使其能够点亮LED小灯，通过LED小灯的亮灭来确定微小电流是否存在，从而验证口罩是否有静电吸附功能。

该实验电路设计思路如图1所示。首先通过探测天线感应外部电荷的運动电场变化，产生感应电流。由于感应电流的大小为nA级别，非常微弱，需要经过三极管电路放大之后达到mA级别才可以点亮LED。值得注意的是，该电路是通过感应电场变化的方式来间接测量口罩的静电荷，LED的亮度在一定范围内与电场强度正相关，所以电路可以大致判断静电量，从而能够分辨有效口罩和无效口罩。

图1  实验电路设计框图

该实验以一次性使用医用口罩为被测对象，限制条件为仅利用基本的元件（电阻、电容、电感、二极管、三极管和按键等），设计电路完成对静电特性的测量。实验分为基本要求和扩展要求。基本要求包括分析一次性使用医用口罩带静电机理，利用基本元件设计检测静电特性的电路，通过面包板插接或者电路板焊接，实现一次性使用医用口罩静电特性测量，通过LED等声光方式展示出测量结果；扩展要求是考虑检测电路的成本、便携性、稳定性以及美观性，通过印刷电路板设计软件设计电路原理图、PCB图，加工制板并焊接电路进行静电检测。在此基础上，给学生留下拓展思考题目：在不会大幅提高成本的情况下，提高静电特性的测量精度或者优化检测结果的显示方式。对于扩展要求，提供手把手快速使用软件教学过程，学生可以在稳定性、便携性与美观性等方面进行设计发挥，设计电路板，制作一个具有实用性的电子产品。

该实验将所学的基本元器件认知的知识与中学及大学物理电学知识相融合，制作电子产品，进而解决生活中的实际问题。采用静电场效应定性分析与电流放大定量分析相结合的实验设计方法，同时涉及到静电感应、电流放大、二极管及三极管特性和电路板设计等相关知识，并通过焊接及电路板设计体现劳育与美育。

二  教学设计与实施过程

口罩静电特性测量实验结合生活中的热点，通过简单的电路解决实际问题的电子产品，激发学生实验兴趣；通过插接、焊接、印刷电路板体现电子产品的便携性、稳定性、实用性和美观性等；以思考起步，在思考中实验，从思考中结束：预习中通过思考题引导实验，实验过程中思考题指导实验，总结中思考题升华实验。

本实验是为了对元器件基本认知课程与物理电学的知识进行综合应用，用基本元器件形成一个解决生活问题的电子小产品，包括实验原理教学、实验过程指导、实验考核验收等过程，将思考引领、设计开发、工程思维融入其中，如图2所示。

（一）  实验原理教学

实验原理包括基本元器件知识、物理知识和电子电路知识，部分实验原理教学如图3所示。由于课程面向对象是大一学生，专业知识有限，因此在讲解实验原理的过程中，结合学生学过的物理知识进行科普化设计，并通过线上线下结合的方式进行答疑。

图2  实验教学设计

图3  实验原理教学

通过科普与专业相结合的方式，以问题引导方式逐步深入，讲解一次性静电口罩的机械过滤与静电吸附原理。与高中物理知识相结合，讲述静电的直接与间接测试方法，以及电荷在电场中运动产生电流的原理。讲解阻容感、二极管、三极管的基本结构和工作原理，使学生了解三极管进行电流放大的基本原理、点亮发光二极管的条件等基本元器件知识。通过问题引导及场景展现，将学生所学知识与生活结合起来，将之前学习的物理知识与电子信息系统结合起来，从而激发学生实验兴趣。

（二）  实验过程指导

实验过程包括电路图设计、电路制作、设计印刷电路板（扩展要求）三个环节，在实验过程中，观察学生实验进度，进行有针对性的指导。

根据原理讲解，结合实验室提供的元器件种类及性能参数，学生自主设计静电特性测量电路图，鼓励学生通过电路图仿真软件（Multisim或者Proteus等）进行电路功能和性能的仿真测试。

学生根据设计的电路图完成电路的制作，可以选择面包板插接方式、电路板焊接方式等。实验制作过程重点是引导学生熟悉电路制作的基本方法，掌握电路制作的基本技能，理解基本元器件在实际的电子产品中是如何应用并发挥功能的，在电路制作与测量过程中了解电路结构与测量方法的优势与局限性，针对局限性提出设计方案；思考面包板插接、洞洞板焊接、印刷电路板对电路性能是否有影响？放大电路的级数如何选择，放大倍数过小或者过大会有什么影响？天线的形状及尺寸参数对测量有没有影响？如果直流稳压电源供电，对测量结果是否有影响？

针对设计印刷电路板的扩展要求，采用现场讲解与视频讲解相结合的方法，通过逐步操作的方式进行电路图设计软件的快速教学，培养学生快速掌握现代工具基本操作方法的能力。电路设计软件的教学采用的是“速成”方式，教学中要向学生强调软件是工具，可以快速学习，但是电路设计的思想与电路设计方法需要从电子信息基本知识稳扎稳打的学习掌握。然后学生自行设计原理图与印刷电路板，设计中引导学生理解电子产品在功能、性能之外需要考虑的细节，包括电路板的美观性、便携性、实用性和稳定性等。

（三）  实验考核验收

实验考核包括现场检查电路连接的正确性、稳定性与美观性，考察学生对实验过程分析、问题分析及经验总结思考的能力，以及考核学生所提交的实验报告的规范性与完整性。

观察实验现象时，需要将探测器在靠近口罩的地方来回移动，此时LED将开始闪烁，且靠近带静电物体和远离带静电物体时闪烁的小灯颜色不同；LED的峰值亮度越大，说明探测到的静电场越强；LED的亮度显著降低，说明静电场明显减弱，此时口罩可判断为无效口罩。对于完成扩展要求印刷电路板的同学，在考察电路正确性和稳定性的同时，评估电路板的美观性。

在考察学生的实验分析能力时，学生需要思考几个问题并进行回答：用LED的亮度作为检测结果是否合适，有哪些更直观的方式展示检测结果？成本控制前提下要提高测量的精度可以采用什么方式？不同的工程应用对静电测量结果的精度和展示方式有什么要求？通过实验，你掌握了哪些實验技能或者科研方法？

实验报告作为实验的总结，是实验的重点之一，学生需要根据指定模板撰写并提交实验报告，考核学生实验报告的规范性与完整性。要求学生完成实验并在一周之内提交实验报告，具体内容见表1。

三  教学实施效果

本实验在基本元器件学习基础上，结合中学和大学的物理课程知识，对带有静电的物体进行定性的检测，以认知为主要目的，通过元件的直观应用引导学生了解元件的功能与性能，掌握基本的电参量检测方法并能够理解其局限性，对测量过程及分析方法做出技术评价。通过发挥部分让学生对电子产品便携性及美观性设计有直观理解。通过简单、低成本的电路设计，解决生活中的热点问题，极大培养了学生的专业自信。学生实验兴趣浓厚，设计并实现了多种不同的电路形式；朋辈力量让学生互相学习、共同进取，在电路的设计、插接、焊接等过程中精益求精、各展所能，部分学生作品如图4所示。通过口罩静电特性测量实验，培养学生在电子制作时，充分考虑电路不易受外界干扰的稳定性、电路用途明确的实用性、电路赏心悦目的美观性、较低成本实现完整功能的性价比，向学生传递工程思维。

表1  实验报告内容及具体要求

图4  学生作品展示

四  结束语

口罩静电特性测量实验从生活中的热点出发，学生通过对所学知识进行综合分析和应用，设计简单的电路解决实际问题，完成了设计开发任务。实验分多层次，插接、焊接、印刷电路板层层递进，电路设计充分考虑了稳定性、实用性、美观性和性价比，传递了工程思维。实验以思考起步，在思考中实验，从思考中结束，通过贯穿实验的思考题，使学生体会了工程设计理念和科学思维方法。该实验提高了学生的实践应用能力和创新解决问题能力，为日后的专业学习打下坚实基础。

电子设计基础训练课程不仅强调学科知识的传授，更着眼于培养学生的全面素质。本文通过口罩静电特性测量这一具体实验案例，体现了电子设计基础训练课程在实施过程中从生活中常见的问题出发，增强学生的学习兴趣，注重培养学生的工程思维与创新意识，提升学生理论结合实践的能力。这一课程的成功实施，为学生未来的专业学习和工程实践提供了有力支持。

参考文献：

[1] 谭颖芳，张悦.大类招生与培养：历程、方案与走向[J].教育发展研究，2021，41（Z1）：81-91.

[2] 冯刚，王莹.时代新人培育的内在要求与实现路径[J].中国高等教育，2020（23）：21-23.

[3] 林健.新工科专业课程体系改革和课程建设[J].高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.

[4] 李季.工科类专业基础课“工程形成”教学模式的构建与实施[J].高等工程教育研究，2022（6）：75-79.

[5] 杨伟，唐璞，骆无穷，等.基于工程类专业基础课的挑战性课程教学方法讨论[J].高教学刊，2019（21）：86-88，92.

[6] 陈建，朱鲁闯，王杰，等.新工科背景下工程训练创新实践课程体系研究[J].实验科学与技术，2021，19（6）：84-88.

[7] 李成吾.建设高质量人才培养体系的思考[J].中国高等教育，2021（Z1）：21-22，32.

[8] 张莉，尹龙，谢红燕，等.基于创新创业能力培养的“五位一体”实践教学模式研究[J].实验技术与管理，2018，35（4）：186-188，198.

[9] 谭志，马鸿雁.国际视角下电气电子信息类新工科专业创新创业人才培养探索[J].高等理科教育，2021（1）：40-48.

[10] 何俊美，魏秋华，任哲，等.在新型冠状病毒肺炎防控中口罩的选择与使用[J].中国消毒学杂志，2020，37（2）：137-141.