跨课程可持续性实验项目的开发与实践

姚缨英，祁才君

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州310027)

近年来我国高校都注重对学生动手能力的培养，实验教学建设不断得到发展。不少高校将电类基础实验单独设课，建立了包括硬件实验和软件仿真两大类实验环节。层次上划分为基本实验、综合设计性实验和创新实验等。但是，由于实验课程与理论课程没有形成相互交融统一的课程体系，且对学生工程素质的提高和动手能力的培养重视不够。与国外相比，我国的实验教学内容相对比较单薄，拓展性较欠缺，系统级实验不够的缺憾。

1 系列实验课程关联化教学模式

我校面向电气电子信息类专业，进行了电路与电子技术基础理论课程的整合与重新设计［1，2］。我们开展了系列实验课程的建设，将原“电路原理实验”、“模拟电子技术基础实验”和“数字电子技术基础实验”以及“电子系统设计”课程中最基本的知识点，有机地结合在一起。我们以系统功能为目标，强化单元电路的原理分析、实验技术、电路设计与测试以及数据分析与处理［3］。

1.1 实验课程设置原则

(1)基础性—建立电路与电子技术实验的公共基础，如测量技术、误差与数据处理、实验报告、仿真和仪器使用等。

(2)关联性—与理论密切相关的实验环节和内容安排成随课实验;与关联课程交叉的内容用跨课程练习与跨课程实验项目予以实现。

(3)系统性—考虑到应用的复杂性，尽早建立系统的概念，充分利用基于课程的综合设计以及综合实验项目构建完整的知识体系。

1.2 系列实验课程建设的目标和指导思想

我们将系列实验课程进行统一安排，沿着电气电路应用系统和电子电路应用系统两条线，通过基本实验技能—单元电路设计与测试—基于课程的小型系统实验—系统级综合实验—系统级设计，循序渐近地达到培养工程应用能力的目的。

1.3 系列实验课程相关联的关键

为了实现实验项目的可持续开展，需要选择既生动有趣又有拓展可能的实验项目。我们通过简单的方法能实现其功能，也能不断通过高级课程的知识和手段改善其性能。我们开发了“基于复杂应用系统的开放式模块化综合实验系统”以及配套的综合实验项目。其内容跨课程，形式上分为如下两种。

(1)每门课上，解决其中的一个模块，在最后一门课上综合形成一个功能齐全的系统;

(2)在综合性实验课上，如电气电子电路综合实验或课程设计或电子系统设计课程，完成各模块并综合成一个系统［3］。

2 系列实验课程教学方法

一年来，我们进一步确定了这种基于可持续实验项目的实验教学方法，并扩充了应用对象和实验项目。“电路与电子技术基础实验”是系列实验课程的第一门课程，以建立系统概念、认识元器件、掌握基本实验技能为目标，围绕信号与系统、放大与开关、线性与非线性、模拟与数字、软件与硬件、单元与系统、分析与设计等基本概念，通过实验对其原理建立深刻的认识，并通过基于系统目标的子功能电路的实现与测试，建立电路基本测量方法、模拟电路实验和数字电路实验的相应基础。

针对内容基本但十分宽泛的实验课程，其教学方式有如下改进。

(1)基本测量—典型问题和单元电路的功能测试。要求一人一组，独立完成。

(2)功能电路设计—提供基本原理电路，引导学生分析和改进，然后过渡到功能电路自主设计，并伴有问题导引的讨论和探索。用实验日志代替实验报告，培养学生领会、决策、规划及自由探索的意识和能力。

(3)自由拓展—以项目的形式组队完成，通过基于系统的功能模块电路的设计，完成系统功能的设计、实现以及测试，最终提交作品和技术报告，并进行口头报告和答辩。着重培养学生综合运用所学知识处理复杂实际问题的能力。

3 跨课程可持续性实验项目

3.1 跨课程实验项目的相关课程

我们探索打造了跨课程可持续性实验项目，目前成功付诸实践的有四项:①波形的产生、变换、分解与合成;②智能循迹避障小车;③电能传输系统的设计;④语音信号的处理。

我们以智能循迹避障小车项目为例，设计了相关实验内容使该项目出现在如下四门课程中。

(1)“电路与电子技术基础(含实验)”课程:建立系统的概念、认识元器件、熟悉元件特性测量以及相关功能电路设计对系统性能的影响，学习数字逻辑电路的工作原理、实现方法，掌握采样、AD 转换、反馈和控制等实现原理，通过简单的电路设计和中规模IC 实现循迹避障和调速等功能;

(2)“电测量技术与模拟电路实验”课程;解决电源模块、直流电机驱动模块、PWM 调速及以及信号的检测模块，理解功能电路的改善对循迹避障小车工作性能影响之间的关系;

(3)“电气电子电路综合实验”课程:利用单片机实现较复杂的小车循迹避障、调速和显示等功能。

(4)“电子系统综合设计”课程:基于CPLD，实现较为复杂的小车循迹避障、调速和显示等功能。

通过上述四门课程待授过程，小车项目循序渐进的功能改善，逐步完成:先是在不使用微处理器的前提下，仅用电子技术知识和电路让小车循线行走。在学完数字电子技术课程后，为小车加入各种状态显示，也可以利用FPGA 开发板实现更为准确的循线功能。而在结束单片机课程后，就可以从系统的角度综合掌控小车的速度以及复杂循线的能力。

3.2 实验具体内容介绍

(1)Lab1 基础实验—了解与实验测量技术相关的内容;掌握常用电子仪器的基本功能并学习其正确使用方法;理解系统、功能电路与元器件;掌握常用元器件的识别与简单测试方法。

(2)Lab2 测量器件外特性—学习元器件特性曲线的测量方法;通过伏安特性，深入理解电阻等常用之器件的应用特点;通过小车电机伏安特性的测量，了解电机的非线性和磁滞现象。

(3)Lab3 三极管及其应用电路—理解三极管的工作特性;了解小信号控制电子开关模块的原理及组成;了解直流电机桥式驱动模块的原理及组成;数字逻辑和门电路的实现方法。

(4)Lab4 传感器件、信号检测与简单的导航(循迹)电路—了解光电传感器工作原理;了解传感器和信号探测模块的相关问题;理解基本导航(循迹)策略，确定不同策略的优点和缺点;学习电路设计方法;设计信号探测模块;了解如何使用TTL 门。

(5)Lab5 模数转换、分叉导航及色彩探测—了解模拟比较器的工作原理;了解模数转换原理;学习如何在轨道上探测色彩;构建岔道和色彩探测电路。

(6)Lab6 速度控制/脉宽调制—了解PWM 调制原理及其在小车设计中的应用和时序逻辑电路。

(7)Lab7 系统子功能合成—掌握数据选择器的工作原理以及组合电路的设计原理。

(8)Lab8 基于IC 的循迹小车实验任务书(自由拓展)。

(9)Lab9 基于单片机的循迹避障小车实验任务书(自由拓展)。

(10)Lab10 基于CPLD 的循迹避障小车实验任务书(自由拓展)。

3.3 实验的设置特点

前7 个实验(Lab1 －Lab7)为基本实验，旨在建立基本概念、了解基本原理、掌握基本知识和方法，并了解对于一个复杂的应用系统(如小车)。可能的解决方案与目前采用的方案之间的区别和联系，在“电路与电子技术基础(含实验)”课程中完成。我们将原模电实验中“方波产生、波形转换、光耦”等几个小实验重新组合成为Lab 6 的深层次实验，在“电测量技术与模拟电路实验”课程中进行。Lab 8 是一份设计任务书，在完成前面实验的基础上，参考设计举例，自主设计和发挥，自由拓展系统功能。Lab 9 和Lab 10 属于跨课程可持续性的实验要求，在完成原有课程体系中的电路实验、模拟电子技术基础实验、数字电子基础实验以及单片机原理与接口的学习后，在“电气电子电路综合实验”课程以及短学期“电子系统综合设计”课程中进行。

［1］ 姚缨英等.电类技术基础课程改革的探索与实践，北京，中国大学教学，2012，(3):54-56.

［2］ 姚缨英等.电子电气基础实验课程关联化教学模式的探索，北京，第七届电子电气课程报告论坛论文集，高等教育出版社，2011.

［3］ 姚缨英、樊伟敏等.模块化开放式电路综合实验(1)北京，实验技术与管理，2011，28(4):12-15.