基于应用对象的模块化开放式综合实验及其平台建设

姚缨英 樊伟敏 张 伟

浙江大学电气工程学院 浙江杭州 310027

基于应用对象的模块化开放式综合实验及其平台建设

姚缨英 樊伟敏 张 伟

浙江大学电气工程学院 浙江杭州 310027

为进一步提高学生的动手能力和自主探究精神，开发并实施了“系统关联性、模块化、开放式综合实验”，实验内容与一定的应用背景相关，体现了相关课程知识体系之间的系统关联性，并通过波形、声音、光、运动等可视化效果使实验趣味化。其模块化的结构便于自主、开放地设计解决方案。

模块化；综合实验；自主创新

Abstract: In order to further improve the students' practical ability and exploring spirit, develop and implement the system related, modular, open comprehensive experimental. The experiment content has certain application background, ref ects the relationship between knowledge systems of different courses. The interesting visual effect of the system might be seen through the waveform, sound, light, etc. The modular structure for independent and open to design solutions.

Key words: modular; integrative experiments; innovation ability

实践是检验基础知识点掌握程度的最好方式,也是创新教育的最佳载体,因此,以工程应用为核心整合电工电子系列实验课程,在复杂的应用背景下学习基本理论和实验,容易构建知识间的关联关系,激发学生的学习热情,提高发现问题和解决问题的能力,并进一步培养学生的创新意识。

独立设课的电路、电子技术实验课程一般具有下述几个特点：(1)实验内容常常是为了加深对理论的理解,因此,各实验内容几乎毫无关联,目的性和趣味性不明显。(2)依附理论知识的构建进程,自下而上,各环节逐一进行。(3)电路、模拟电子技术、数字电子技术、信号分析等课程的实验相互独立,自成体系。这样很容易造成知识体系的碎片化和纸面化,也会造成一些基本实验在各课程中的重复设置。因此很多同学或觉得实验太简单,或认为枯燥无味,或因目的性不强而难以写实验报告等。事实上,在掌握基本理论和基本实验技能后,如果不设置综合训练,那么学生能力就无法得到提升。但是,复杂的系统如果不经提炼和处理,直接让学生来实践,也肯定起不到预期的作用。

为了改变这一状况,笔者对电类基础实验系列课程进行了基于系统、基于复杂应用背景的教学改革探索。第一,将“自下而上”组织实验内容,改成“功能或系统目标驱动的由上带下”方式安排课程内容,在复杂的应用背景下学习基础理论和实验。第二,由于实验与应用背景有关,因此实验内容的选择、教学方法以及相应的实验器材与设施,必须与之配套。第三,教学手段和考核的方式也随之变化。这样一些综合设计型实验、工程应用型实验内容就可在低端实验课程中引入,使学生体验到理论是实际的高度抽象和概念性演练,以及知识的关联性,从而推动了学生自主实验研究和创新研究的能力培养。

应该指出,开发基于应用或系统的综合实验是一个系统工程,不仅包含应用问题的选取,还涉及配套硬件平台的构建,实验内容的安排,实验方法和手段的应用,以及实验教学管理是否合适等多个方面。从简单到复杂、从基础到综合、从应用到创新设立多个层次的实验内容。最后,在实验教学过程中实施启发式、研讨式教学,实验过程按照模块化予以实施,实验室和实验教学实行开放式管理,并与课程网站、虚拟实验系统、计算机仿真实验系统等立体化的实验教学资源相配合,由此构建一种自主、开放、研究、创新的学习氛围,才能有效实现创新人才的培养。

1 综合创新实验平台简介

为了使低年级的同学能够在复杂的应用背景下进行自己的实验和设计,需要打造一个实验平台,该平台应该具备开放性、补充性和兼容性。开放性是指当这个系统中的某些功能模块被学生设计的电路模块替换或增加某个功能电路模块时,系统功能能够照常发挥。补充性是指系统中的某些模块作为预设的固有部件配备,如,做电路原理实验时,单片机与键盘显示模块不可能让学生来设计,需要作为类似仪器设备那样提供给学生,因此,只要有该模块相应的原理和使用说明,就可以正确地与客户模块拼接。兼容性则需要具备自检、保护以及便捷的接口功能。

笔者仿照科学研究环境,研制了综合创新实验平台,该平台由仪器控制屏和功能板卡库组成(如图1所示)。仪器控制屏由直流电源、信号源、毫伏表、虚拟仪器接口卡、示波器和计算机构成,功能板卡库包含逻辑控制系列、信号处理系列、非电量电测系列、微处理器系列、A/D和D/A转换系列、信号隔离与变换系列、功率放大系列、测控技术系列、语音信号处理系列、电能传输系列,共计20多个基本电路模块。基于该平台,将电路分析、模拟电路、数字电路、信号与系统、测控技术等多门课程的实验教学有机结合,并包含单片机和虚拟仪器的实验教学。

图1 综合创新实验平台及部分电路板卡

综合创新平台可以满足以下3种层次实验的要求：

(1)选择合适的功能电路,组成目标系统进行功能和参数测试。

(2)从原理设计,元器件选型,线路板绘制、制作、安装到调试,全过程地实现对以往单纯功能电路实验的替代。(3)多位实验者合作完成一个系统的设计制作和调试。学生的实验也可按3个阶段来实施：

第一阶段是实验者根据具体的实验要求,选择合适的功能电路,依据各功能电路的技术参数,组成一个目标系统,然后对目标系统进行功能和参数测试,最后完成实验测试报告。

第二阶段由实验者自主设计和制作系统中的某一功能电路。从原理设计,元器件选型,线路板绘制、制作、安装、调试。实现对原有功能电路的替代。

通过实验第一阶段的训练,可以帮助学生建立一个系统的概念。通过第二阶段的训练,可以给学生一个研发的完整过程。这两个阶段的实验可以用最短的时间达到最佳的实验效果。同时由学生开发的功能电路又可以作为下一届学生的实验模块,通过几年的积累可以为实验室积累起丰富的功能电路库。

第三阶段的训练为多位实验者合作完成一个系统的设计制作和调试。首先由所有参加人员共同完成系统的整体方案设计,然后进行功能划分,由每位实验学生分别完成,完成的过程与第二阶段的训练相同。在这一阶段,主要训练学生的团队合作精神和互相帮助作风,体会共同解决问题的乐趣,分享经验教训。

图2所示对象和板卡分别对应于“水箱温度液面控制”“小车运动”等实验系列。该平台不仅可以进行基于课程的各种层次实验,也可以服务于综合性课程设计和学生的课外创新实践,通过自主选择功能电路模块,构建个性化研究和探索的实验系统,有效地拓展开放实践内涵,提升自主实践的层次。

图2 基于应用对象的综合实验

通过这种实验模式,可以极大地提高学生的实验积极性。使学生从原来单纯地完成某个实验内容,到由学生自主地确定实验方案,选配或制作不同的功能电路板,再到一个完整的系统。这种实验模式具有很强的工程背景和科研性质,提高了学生的实验兴趣,同时激发学生的实验积极性和挑战精神。

2 基于综合创新实验平台开发的模块化开放式综合实验

基于上述平台和实验模式,为二年级的学生开发了与下述应用背景相关的模块化开放式综合实验。

2.1 语音信号处理系统

(1)音频回放系统设计：设计时钟、DAC、滤波器、调音器,将预存在系统存储器中的语音回放出来。

(2)电子有源分频器设计：将MP3或收音机中播放的语音,分成高、中、低音,分别通过三个喇叭播放,要求能够清晰地分辨出分频的效果。

(3)音频信号的放大和调节控制电路设计：将通过麦克(或MP3或收音机)输入的模拟信号采集、放大,经音调控制和功率放大,驱动音箱播放。

(4)音乐播放电路设计：通过上位机将二进制的音乐文件存入可掉电保存的Flash存储器,利用单片机I/O口模拟SPI通信来提取Flash里的信息,同时经过DAC转化成模拟信号,经滤波器后在有源音箱上放出音乐。

(5)基于单片机的语音信号采集与回放系统设计：通过话筒或其他媒介采集一段时间长度的模拟语音信号,将其经ADC数字化处理后存入单片机,完成一定的处理后,再通过单片机输出到DAC转化为模拟信号通过扬声器输出,回放原始的语音。

2.2 有源器件应用系统

(1)基本要求：基于带通滤波器、移相器以及加法器设计的简易波形分解合成仪设计；基于负阻和回转器实现的振荡器、混沌发生器、理想变压器或滤波器设计。

(2)提高要求：基于混沌掩盖的保密通信电路设计。

2.3 电能传输系统

(1)稳压电源系列设计：单路或双路直流稳压电源。

(2)无接触电能传输系统：重点设计分离式变压器及其补偿电路,并在与系统其他部分,如高频逆变模块等连接后,能够点亮灯泡或带动其他负载。

2.4 小车运动系统

(1)单片机控制的变速往复运动实验。

(2)单片机控制的定速往复运动实验。

(3)运动小车开关量虚拟仪器控制实验。

(4)运动小车虚拟仪器PID控制实验。

(5)运动小车虚拟仪器变速控制实验。

2.5 水箱液位和温度控制系统

(1)水箱温度单片机PID控制实验。

(2)水箱温度虚拟仪器PID控制实验。

(3)水箱温度开关量单片机控制。

(4)水箱温度开关量虚拟仪器控制实验。

(5)液位高度单片机PID控制实验。

(6)液位高度开关量单片机控制。

(7)液位高度开关量虚拟仪器控制实验。

(8)液位高度模拟PID控制实验。

(9)液位高度虚拟仪器PID控制实验。

2.6 电子秤—单片机控制电子秤实验

综合性实验项目涉及多方面的基础理论和专业知识,因此,若想顺利实施综合实验,获得良好的实验效果,建立系统和功能模块的概念是必要的也是必需的,除此之外,相关的工程背景、原理,特别是电路原理在不同领域的应用应该易于同学掌握,因此编写适合于工程技术使用的理论与实践相结合的教材以及综合实践指导书是十分必要的。另外,还配备了可24小时开放的实验室(强电实验除外)；丰富的参考资料以及网络在线答疑等辅助措施。

在教学方法和考核方法上也做了配套改革。将教学进程分成基本环节训练和综合实验专题两个阶段。前面一个阶段,训练学生分析和设计特定的功能电路(比如,移相、匹配、滤波等)。后一阶段,推荐一些综合实践选题,或同学自己拟题,引导他们用功能模块或补充自己设计的模块拼合成一个预设功能的系统。为培养学生的自主能力,基本环节训练,递交实验日志(30%),而综合实验专题则需要依次完成理论分析、设计仿真、电路制作、现场测试、研究报告(50%),并结合答辩、创新性以及其他综合能力(20%)进行综合评价。

图3为电路实验课程中2009级爱迪生班学生的作品示例,其中,不少功能是学生自己添加的,比如,图3(a)是两位同学在各自完成部分功能后,组合在一起而形成的复杂功能语音信号处理系统。在红外检测中,只要求寻线并表示与线的相对位置,但同学们无一例外地加入了多功能数显,有一组同学利用单片机自编了音乐表示黑线检测的相对位置,而另一组更是将黑白线的检测扩展成了循迹功能,如图3(b)所示。在非接触电能传输系统综合实验中,原本是要求根据负载设计分离式变压器,但是同学完成的作品,不仅包含完整的系统,还增加了负载电压的数字显示,另外还设计了稳压环节,以确保分离式变压器间距改变或输入功率改变时,负载有恒定的输出。

图3 学生作品

3 结束语

教学实践表明,基于综合创新平台开设模块化开放式综合实验项目很受学生欢迎,电路参数、实验方案的不确定性调动了学生的积极性与主动性。学生可根据自己的能力设计实验效果的表示(或指示灯点亮,或指示仪表有动作,或有声音的改变),令学生对自己设计的系统充满期待。通过不断发现问题、分析问题、解决问题,培养了学生的创新思维和创新能力。模块化开放式的实验特点使学生自觉或不自觉地了解系统整体功能,注意各模块之间的配合。有助于低年级学生参加创新实践。实验系统中那些未知原理的模块激发了学生的好奇心,使他们更多地关注后续课程的学习。另一方面,借助这些模块,使低年级的学生敢于想象和规划一些创新实践活动。经历4届学生试点实施自主实验表明,学生在实验设计、电路板焊接、实验测试、总结以及答辩的各个环节上的能力显著提高。学生对此类实验均表示出极大的兴趣和主动性,能够利用理论分析、计算机仿真等多种手段实现整个系统的设计、分析和测试,实验过程中有许多感想和收获。

The development of modular open integrative circuit experiments and platform

Yao Yingying, Fan Weimin, Zhang Wei
Zhejiang university, Hangzhou, 310027, China

2011-04-24

姚缨英，博士，教授。