在电子实习中引入红外线心率计教学实践

朱朝霞 唐建祥 詹 雯

中国计量学院 浙江杭州 310018

在电子实习中引入红外线心率计教学实践

朱朝霞 唐建祥 詹 雯

中国计量学院 浙江杭州 310018

结合电子实习教学及培养学生工程实践能力的要求，引入红外线心率计作为电子实习制作产品，并介绍了红外线心率计的实践教学流程、教学思路及达到的教学效果。

电子实习；红外线心率计；实践教学

电子实习是我校工科专业重要的实践教学环节，学校每年都安排60个班左右学生到工程训练中心参加电子实习。通过电子实习，使不同专业学生初步获得电子产品生产工艺的基本知识和基本操作技能，为电子技术基础课及专业课程学习建立初步的感性认识并提高学生的工程实践能力即具备：1.手工焊接及常用电子仪器操作技能；2.常用元器件的识别、测试、选用能力；3.电子产品装配、调试能力；4.印刷线路板设计制作能力；5.电路读图能力并利用电路知识，解决实际问题的能力；6.电子产品检验能力；7.编写实训报告能力；8.初步具备设计、开发电子产品的能力。

为了达到上述实践教学目的，需要选择合适的电子实习产品，使学生从产品制作中了解尽可能多的电子相关知识。而选择合适的电子产品具备以下条件：1.趣味性较强，能引起学生的制作及学习电路知识的兴趣；2.综合性较强，电路能够涵盖常用的模拟电路、数字电路，或以单片机作为控制核心，且硬件内容应多于软件内容；3.具备一定数量的电子元器件作为焊接技术及装配、调试实践，并且能够涉及更多的技术领域。这样既能锻炼学生硬件电路装配调试能力，又能锻炼学生软件编程技巧、芯片开发能力，提高学生系统级电路的设计水平。

而通常电子实习产品采用购买配套的元件和电路板装配,更多注重产品的焊接、装配过程而不重视产品的调试和检验,忽略对相关领域知识的了解,特别在产品的设计和开发能力上缺乏锻炼。因此选择合适的实习制作产品就成为提高电子实习教学效果的关键。

我们在学生的电子实习中引入红外线心率计作为制作产品，该产品涵盖知识面较广，可焊接的元器件较多,可以充分锻炼学生的操作技能，掌握电子产品基本制作工艺流程及印刷线路板的设计制作能力，了解产品测试的流程和方法,掌握常见模拟电路、数字电路、单片机控制电路运用等。

一、红外线心率计产品简介

红外线心率计依靠光电传感器把人体的血液脉动(心率)信号转换成微弱的电信号，并通过放大、滤波、整形电路把反映心率脉动的电信号转换为脉冲信号，最后通过计数译码、驱动显示电路把人体每分钟心跳次数显示出来，该产品电路原理框图如图1所示。图1中虚线框内电路既可采用常用数字计数、译码集成电路，又可采用单片机进行控制。

该产品趣味性较浓，产品制作完成后，只要把食指压在光电传感器上，数码管就能直观地显示出每分钟心跳次数，可引发学生对电路知识的学习兴趣。并给学生留有独立思考和创新的思路，即采用什么电路把人体心率脉动变成电信号、通过什么电路把心率的次数计录下来并能显示出来等。

图1 红外心率计电路原理框图

二、红外线心率计教学实践

我们首先对参加电子实习的学生进行基本技能培训如安全用电知识、手工焊接及常用电子仪器操作规范、常用元器件的识别与测试、SMT实习(让学生用SMT设备完成FM自动调谐收音机制作)后,再进入红外线心率计的制作环节。这一环节的主要教学目的是培养学生工程实践能力，全面运用所学知识分析问题、解决实际问题的能力及初步具备设计、开发电子产品的能力。

由于我校参加电子实习的为大二、大三学生，对大二学生，由于没有学过单片机方面的知识，制作产品选择偏向由数字和模拟电路构成的红外线心率计，但也可选择基于单片机控制的红外线心率计。如选择基于单片机控制的红外线心率计，在制作时则偏重硬件电路的制作与调试，程序由教师提供，如学生有兴趣，等大三学过单片机编程之后利用开放时间再来中心进行编程实训。对大三学生，我们发现学生虽已学过单片机编程知识，但由于单片机实验课主要是对仿真器的熟悉、汇编指令的使用及部分外设的简单编程，课程结束后，学生对系统设计、芯片选择及软硬件综合调试仍无法深刻理解，因此选择基于单片机控制的红外线心率计作为学生制作产品。我们在网上给出由模拟集成电路和数字集成电路构成的电路原理图，学生可借助已学过的电路知识、网络资源等,完成基于单片机的红外线心率测试仪硬件电路的设计、印刷线路板(PCB)设计制作、产品安装调试、编程、原理分析等工作,掌握基于单片机的智能系统的设计以及电子产品生产基本操作技能。

1.红外线心率计制作教学流程

在红外线心率计产品制作前，先让学生对产品电路原理进行预习，预习后指导教师对产品的工作流程进行介绍，并播放产品工作的录像，让学生对产品工作性能有一个大致的了解后，完成电路部分元件参数的设计，如二阶RC滤波器的参数设计、放大电路放大倍数设计等，然后开始电路的制作。红外线心率计制作的教学流程如图2所示。

图2 红外线心率计制作的教学流程

⑴PCB的设计制作

PCB的设计采用Protel 99 SE软件,学生可利用Protel 99 SE完成电原理图的绘制、PCB板的设计等。电路元器件即可选择通孔的，也可选择片状的,对封装库内末提供封装的元器件，如3位共阳极数码管,要求学生自主设计封装。印刷电路板设计完成后,用印刷线路板快速制作系统或雕刻机,完成PCB板的制作。

⑵产品制作采取分块安装、调试的原则

由于红外线心率计电路比较复杂，涉及元器件较多，如果让学生把全部元器件安装完成后再进行调试，可能会产生较多的问题，指导教师辅导工作量也较大。因此我们采用分块安装、调试方法，即把整机电路分成几个功能块即电源变换电路，光电转换电路，信号放大、滤波、整形电路，计数译码(或单片机控制)、驱动显示电路等。指导教师首先对功能块原理及调试步骤进行介绍，并播放调试操作录像，然后让学生安装、调试该功能块，记录测量数据波形，完成后才能领取下一功能块电路元器件，电路全部完成后再对整机电路进行总调试。

⑶采用Keil C51软件实现程序设计

对于制作基于单片机的红外线心率计的学生，可根据自己的编程水平，选择C语言或者汇编语言实现程序的设计，要求交替显示学号及心率测量的次数。

⑷电路的总调试

电路板全部功能模块安装调试完成后,进行硬件电路及程序的总调试,完成系统功能,测量心跳次数/分。

⑸实习产品验收

学生完成项目的制作并经验收后，指导教师根据学生产品电路板布局、制作工艺、创新性以及实训报告质量(要求学生记录调试数据、波形，记录心跳次数/分，并对测量结果进行分析，写出如何运用电路知识，分析解决产品制作过程中遇到的问题)等，对学生的成绩进行综合评定。

2.实习时间安排

制作红外线心率计时，学生需要采购电子元器件(片状)，设计印刷线路板、制板，硬件电路安装、编程、调试等多项任务，因此实习时间必须灵活安排。我们在时间安排上逐渐向开放式转变，将原来的固定时间实习，转变为学生可以在规定的时间范围内自行预约实习时间。

3.实习指导方式

学生在制作红外线心率计的过程中难免会遇到一些常见问题，如每分钟测量的心跳次数为几百(正常情况为60～90次/分)，但又不知如何解决，只能求助指导教师，而指导教师对同样的问题要解释很多遍，辅导工作量很大。因此我们把制作红外线心率计常见的问题及排除方法制作Flash动画课件，上传到课程网站；在每个产品制作室提供查询系统，开放计算机房。并把学生分成几个小组，学生在制作过程中遇到问题，先鼓励学生讨论解决，如解决不了，既可通过上网查询解决方法，又可现场向指导教师请教，大大提高了教学效率，减轻了指导教师的辅导工作量，使得实习指导教师从繁重的重复指导工作中解脱出来，参与更多的教学研究工作。实习指导教师数量配备由原来的4名教师/2班减为3名教师/2班。

三、达到的教学效果

我们在2006年开始在电子实习教学中引入红外线心率计，2007年引入基于单片机控制的红外线心率计教学，尽管针对不同的专业，我们提前两周在课程网站上提供多个制作产品(对每一个产品的功能、原理、图片等进行详细的介绍)让学生选做，但学生还是比较喜欢选择红外线心率计制作，据初步统计，参加电子实习的学生有85%左右选做该产品。我们对制作红外线心率计的学生进行了抽样调查，学生普遍认为该作品难度适中，趣味性强，大大激发了自主学习和创新设计的积极性，当看到自己制作的红外线心率计能够准确地测量心率时，很有成就感。通过实训，达到了较好的效果：

1.学到了新知识，锻炼了技能，培养了学习电路知识的兴趣和创造力。

2.充分运用先进实习教学手段来培养学生自主学习能力、运用所学知识分析实际问题和解决实际问题的能力，为学生今后的课程设计、毕业设计打下良好的基础。

[1]关宗安.电子工艺实习教学内容的研究与改革[J].实验技术与管理, 2007,7(7):127

[2]李昌禄，雷霆.电子实习中单片机安装与调试[J].实验室科学,2007,6(3):142

Introducing infrared heart-rate counter into the electronic practice

Zhu Zhaoxia, Tang Jianxiang, Zhan Wen
China Jiliang university, Hangzhou,310018, China

In considering the request of raising the student project practical ability, we introduced the infrared heartrate counter into the electronic practice.Blow I will introduce the practice teaching flow, the teaching thought and teaching effect.

electronic practice；infrared heart-rate counter；teaching practice

2010-05-24

朱朝霞，硕士，高级实验师，教学部主任。