综合性多功能实验室建设的探索与实践

马　雷, 金锡哲, 李　军, 杜　鸿

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连　116022)



综合性多功能实验室建设的探索与实践

马雷, 金锡哲, 李军, 杜鸿

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连116022)

针对我国高等学校实验室建设和管理多以面向课程的单一功能实验室为主要结构形式的问题,阐述了介入EDA技术的综合性多功能实验室建设方案和软、硬件资源的构成。实践证明综合性多功能实验室的建设,一方面可以有效地促进常规实验教学内容和模式的优化以及设备综合利用率的提高；另一方面,软、硬件的综合保障了实验室服务的诸多功能,在课程设计、学科竞赛赛前培训、学生毕业设计等开放环节的教学实践中,体现了其价值和意义。

综合性多功能； 实验室建设； EDA

自1870年美国麻省理工学院教授皮克林(Edward Charles Pickering)首创班级集体实验教学模式以来,得到广泛的认同和采纳[1]。目前,我国高等学校实验室建设和管理仍然多以这种面向课程的单一功能实验室为主要结构形式,其主要作用是为再现某些科学现象中的定理、定律、工作原理及特性而设定的专项实验方法训练和实验技能训练,多为验证性的基础实验[2]。这种模式往往弱化了实验的探索性及不确定性,表现在给出实验设计方案和步骤、简化实验条件、选用实验设备“傻瓜化”等,其代价就是使实验教学活动逐渐偏离了科学实验的宗旨,还造成了实验室房间浪费和设备利用率的低下[3],同时也常常将一个原本综合的科学问题人为地割裂到几个单一的实验室里研究。问题的孤立和设备、器件的分散,直接阻碍了师生的研究和学习,而实验室面向课程单一的服务功能,也制约了学生创新精神和探索研究能力的培养。所以,根据专业实践教学课程特点及其相互联系,调研比对市场设备产品基本功能和拓展功能的实际情况,规划建设知识、技能综合,兼有多种服务功能的实验室,让实验教学回归本源,对于探索我国高等学校实验室建设和实验教学改革都有着重要的意义。

1　综合性多功能实验室的建设方案

本专业实验室建设规划首先要把握光电信息科学与工程专业特点:针对光信息和现代学科交叉的发展趋势,突出加强基础理论学习和专业实验技能训练,使学生毕业后能够在光电信息工程、光电传感技术、光电信号检测与处理技术、光电子工程、控制技术及光电系统集成等领域的企事业从事研究、设计、开发、应用等工作,有助于培养具有创新精神和实践能力的复合型人才。而模拟电子技术基础、数字电子技术基础、微机原理与接口技术是该专业连续3个学期开设的必修课程(各自开设了16学时的实验教学环节),在现代光电信息技术应用领域它们又是密不可分的有机部分。所以,单门课程实验学时少而又相互融合关联,使得这种规划成为可行。

实验室建设规划还要兼顾功能拓展和资源共享,根据教育部(教高[2007]1号文件)关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见,推进高等学校在教学内容、课程体系、实践环节等方面进行人才培养模式的综合改革,以倡导启发式教学和研究性学习为核心,探索教学理念、培养模式和管理机制的全方位创新[4-5]。设置和提高综合性、设计性实验的开设比例,是促进实验教学体系改革的有效举措。

综合性实验是实验内容涉及课程的综合知识或与课程相关课程知识的实验,旨在培养学生综合运用所学的理论知识、实验方法和实验技能,分析问题、解决问题的能力[6]；设计性实验是给定实验目的要求和实验条件,由学生独立设计实验方案并加以实现的实验,旨在培养学生的创新能力、组织管理能力、自主实验能力和解决实际问题的能力[7]。所以,在实验室规划时,要综合考虑实验室硬件环境和仪器设备的功能拓展,满足综合性、设计性实验的开设要求,并逐步建立开放的实验环境,满足大学生创新活动、学科竞赛、课程设计以及毕业设计等多方位的功能需求。

实验室建设规划还依赖于仪器设备的选择和配套,如果简单地将仪器设备拼凑在一起,不仅存在电气指标吻合及售后维护的困难等问题,更重要的是违背了综合实验室建设规划的初衷。根据实验用房和资金的实际情况,经过反复的方案比对和市场调研,最终确定了以上海某教学设备有限公司提供的HY-3000D为基本实验平台,每个实验台配置微型计算机,添加部分仪器设备和元器件,再安装基于EDA(electronic design automation)技术的Multisim、PROTEL 、MAX+plus II等软件系统后,将基于电子元器件、仪器设备的真实实验和基于EDA平台融合应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的虚拟仿真实验有机地结合起来[8],从而丰富多功能实验室功能,有效地促进学生综合知识的学习和技能的掌握。

2　多功能实验室的软、硬件建设

经过全方位的市场调研和产品比对,我们选择了上海某教学设备有限公司提供的HY-3000D型模拟电子技术、数字电子技术、微机接口及微机应用综合实验室设备,该设备综合了各学校讲课及实验教师的意见,增加了系统的开发能力和灵活性。为提高学生独立思维和动手能力,并针对对计算机硬件要求较高的专业,提供了开放的实验平台并新增加了微机控制实验,使学习更加深入完整。系统实现了专业基础课(模拟电子技术、数字电子技术、微机原理与接口技术)实验教学、课程设计和毕业设计(微机应用)的三合一,随设备还提供了相应的实验指导书。

实验室面积80 m2,系统包括1个教师演示台、15个学生实验操作台,整合面板包含模拟电路、数字电路、微机接口3个模块,提供统一的仪表、信号源、开关及数码显示等单元。实验台面配有实验所需的电阻、电位器、电感线圈、变压器、晶体管、集成电路、逻辑电平开关、逻辑电平指示传感器、直流电机、步进电机等元件盒。随机还配有数字万用表、指针式万用表、电烙铁以及常用工具箱。

为了满足综合性多功能实验室的规划要求,根据综合性、设计性实验和实验室开放的需要,经过多名专业教师和实验技术人员的调研和讨论,确定了每个实验台添加的设备:数字示波器、毫伏表,增购综合性、设计性实验所需的晶体管和集成电路以及连接线缆等。微型计算机除了厂家提供的微机接口实验软件,还安装了模拟电子技术基础和数字电子技术基础理论课教材所使用的Multisim、PROTEL、 MAX+plus II等EDA软件[9],其中,Multisim适用于模拟/数字电路的设计和仿真分析工作；MAX+plus II提供丰富的FPGA/CPLD开发集成环境；PROTEL则是集电子电路绘制、制版于一身的综合软件。

3　综合性多功能实验室建设的探索实践

3.1发挥综合性多功能优势,优化常规实验教学

首先,结合综合性多功能实验室的软、硬件优势,优化完成常规实验教学的实验指导书。根据光电信息科学与工程专业的教学计划,模拟电子技术基础实验共16学时,第5学期前10周实施完成；数字电子技术基础实验共16学时,第6学期前10周实施完成；微机原理与接口技术实验共16学时,第6学期第11周开始。实验指导教师要在符合实验教学大纲的前提下,根据不同层次学生的学习兴趣和学习能力,对每个实验项目的内容增加提高和拓展的要求[10],鼓励部分学生完成,并在成绩评定中有所体现。目前,按照多层次实验教学目标的要求修订了模拟电路15个基础实验、数字电路19个基础实验以及微机接口8个基础实验的实验指导书,并共享给学生。在教学实践中,实验指导教师力求突出学生的主体地位,倡导因材施教,根据学生的学习能力和学习需要,按照不同层次的教学目标开展教学实践。

基本层次的教学目标:掌握模拟电子技术和数字电子技术实验的基础知识和基本的实验技能,熟悉常用电子元器件、模拟、数字集成电路的性能测试和使用方法。

提高层次的教学目标:通过实验学习,熟悉电子技术实验的基本知识及进行电子技术实验的一般规则,熟悉常用电子元器件、集成电路的功能和性能测试方法以及使用方法,初步具有排除电路的简单故障和解决实验中遇到的实际问题的能力。

拓展层次的教学目标:对于少数学习兴趣浓厚、预习充分的学生,借助综合实验室的软硬件优势,通过设置思考题目的方式,鼓励和帮助他们设计实验内容并完成实验,提高学生的创新意识和科学研究能力。

以“单管共发射极放大电路分析”实验内容的多分层实验教学为例:每位学生根据自己的学习目标选择实验内容,在实验过程中教师根据学生选择的内容来进行指导,实现在学生群体中进行多层次教学的目的。表1 是“单管共发射极放大电路分析”实验指导书对实验内容要求进行的多层次教学设计。

表1　“单管共发射极放大电路分析”的多层次教学设计

在符合实验预习要求的前提下,学生既可以直接开展实物实验,也可以对提高、拓展的实验内容先进行软件仿真和电路测试调整,再进行实物实验验证。

综合性多功能实验室的建设也促进了实验室队伍的建设。这些基础实验分别由实验技术人员配合实验指导教师来实现,实验室配备了具有丰富经验的高级工程师作为专职实验技术人员,实验指导教师在修订实验指导书及实验课教学的多层次备课、授课过程中,投入了大量的时间和精力,根据课堂操作和实验报告的反馈,及时修正完善教学内容,提高了个人的业务水平,为实现实验室的建设管理目标提供了保障。相比单一功能的实验室,设备利用率得到了有效的提高。

3.2积极实施实验室开放,充分发挥综合实验室功能

作为综合实验室建设的重要目标,通过高年级课程设计、学科竞赛赛前培训、毕业设计等形式充分发挥综合实验室的功能,有助于学生将多方面的知识和技能综合起来解决相对复杂的问题[11]。

实验室开放,对实验指导教师提出了更高的要求。在教学实践中,一方面,教师除了要掌握仪器设备的性能、基本原理、操作方法,正确指导学生进行操作并解释和处理实验过程出现的问题及情况外,还要规范实验室管理、实验前要部署预习实验、实验结束后检查和校验所用仪器,并检查学生的实验记录、仪器使用记录本等情况,培养学生养成良好的实验习惯和态度；另一方面,为了科学地指导学生进行综合性、设计性实验,教师要善于把握本专业及相关专业的国内外新知识和新动态,及时进行知识更新,并提炼转化为实验题目。通过这种实验,全面培养学生的科学作风,提高其发现问题、解决问题的综合能力,促进知识的学习掌握和实践技能的提高[12]。

光电信息科学与工程专业综合性多功能实验室在保障常规实验教学的前提下,积极创造条件开放实验室,在课程设计、学科竞赛赛前培训、学生毕业设计等方面充分发挥实验室的功能。

例如,光电信息科学与工程专业第7学期的课程设计的一些题目,都需要综合的知识和技能。 “光敏电阻特性分析与应用设计”,在特性测试和分析时是以模拟电路为主,而在应用设计一个照度测量系统时,包括光电感应、数字脉冲驱动和数值测量3个部分,学生可以很自然地把它们作为一个整体来完成,而无需刻意割裂模拟、数字和接口技术。学生先使用MAX+plus II完成电路的整体虚拟仿真与测试,再将3部分电路在HY3000平台上用元件搭建测试对比。

又如,实验室还在学生毕业设计的过程中向全院毕业生开放,许多与电子线路、光电检测及接口电路等技术相关选题的学生进入实验室,或搭建实际电路,或采用虚拟仿真,有效地促进了学生毕业设计的实践性比例。例如,应用物理11级的一名学生在做“智能交通信号灯控制电路的设计研究”毕业设计题目时,在实验室首先利用Multisim实现了交通信号灯控制电路的虚拟仿真,经过分析改进,利用实验元器件完成了电路搭建和调试。其毕业设计在答辩中得到了一致认可并被认定为学校优秀毕业论文。

再如,学校组织学生参加全国大学生物理实验竞赛时,也在实验室进行了赛前的电子电路基础培训,带队指导教师带领参赛队员进行了电路板设计软件Protel的使用、焊接技术训练、电路板设计与制作工艺,示波器、信号源等常用测试仪器的使用,常用集成电路的应用与测试等赛前培训,为学生后期的获奖奠定了良好的电子技术知识、技能基础。

4　结语

光电信息科学与工程专业电子技术及微机接口综合性多功能实验室的建设,立足具有创新精神和实践能力复合型人才的培养目标,针对传统皮克林式实验教学模式存在的问题,以深入教学研究和市场调研为基础,满足了模拟电子技术基础、数字电子技术基础及微机原理与接口技术等几门关联课程实验教学和实验室开放的多方需要。综合性多功能实验室的建设及教学实践证明:实验室软、硬件的综合性建设,实现了仪器设备的整合共用和EDA技术的兼顾互补,可以有效地促进常规实验教学的教学内容和教学模式的优化,有利于提高综合性、设计性实验的开设比例,有利于设备综合利用率的提高；实验室建设的多功能性符合实验室的开放,在课程设计、学科竞赛赛前培训、学生毕业设计等各种实践教学环节中,更加充分地体现了综合实验室的优势。

References)

[1] 王延峰.试析皮克林实践研究转向的根源及意义[J].自然辩证法研究,2007,23(11):82-83.

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[3] 罗晓青.综合性实验教学改革探索[J].实验科学与技术,2008,6(8):80-82.

[4] 朱娟娟.实验教学的改革建议与见解[J].中国现代教育装备,2008(8):89-90.

[5] 教育部.关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见:教高[2007]1号[EB/OL].http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/moe_734/200703/20038.html.

[6] 张小林,周美华,李茂康,等.综合性、设计性实验教学改革探索与实践[J].实验技术与管理,2007,24(7):94-96.

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[8] 胡桂,张艳.EDA技术对实验教学的影响[J].高等教育研究,2006,22(9):38-39.

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[11] 张勇.电子技术实验教学的分层次有限性开放[J].长春师范学院学报,2008,27(1):134-135.

[12] 窦新华,谢鸿,王华丽,等.开放式实验室的建设与发展[J].合肥工业大学学报,2010,24(2):121-123.

Exploration and practice on construction of a comprehensive multifunctional laboratory

Ma Lei, Jin Lei, Li Jun, Du Hong

(School of Physical Science and Technology,Dalian University,Dalian 116622, China)

For solving the main problem nowadays in colleges and universitie of China, which the laboratory is constructed only for the function of a course, this article interprets the plan of introducing EDA technique in constructing the general multifunctional laboratory and the constitution of software and hardware resources. It is proved that the construction of the general multifunctional laboratory for electric technique and computer connector is helpful. On one hand, it can effectively improve the optimization of conventional experiment teaching contents and teaching pattern, and increase the general apparatus utilization rate. On the other hand, the combination of software and hardware can guarantee the multifunction in service of a laboratory, and show its value and significance in many open education practices, including course design, training before discipline competition, undergraduates’ graduation thesis, etc.

comprehensive multifunction; laboratory construction; EDA

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.059

2015- 09- 25修改日期：2015- 11- 08

2013年度大连大学教学改革项目

马雷(1963—) ,男,辽宁大连,硕士,副教授,主要从事电子技术和微机原理与接口技术的教学和研究

金锡哲(1964—) ,男,辽宁大连,博士,教授,主要从事光电探测技术的教学和研究.

E-mail：malei@dlu.edu.cn

G482

A

1002-4956(2016)4- 0213- 04

实验室建设与管理