基于进阶式创新教育的电子线路实验案例研究

张姗姗 信海辉 张雅楠

（1.大连海事大学 辽宁·大连 116026；2.大连科技学院 辽宁·大连 116052）

随着我国科技水平的飞速提升，需要大量具有创新意识以及实践能力的高素质人才。2021年是我国实施“十四五”规划的第一年，增强学生的创新培养，对推动创新高质量发展具有重要意义。高校需做好深化教育教学综合改革工作，将创新教育融入人才培养各个环节，大力推动高等教育高质量发展，以适应全球化及中国经济新形势的需求。

我校信息科学技术学院承担了电子信息类专业的教学，电工电子国家级示范实验教学中心负责基础课程的实验教学内容，通过多次教学改革，开展创新实验项目，探索并建立适合不同知识储备的学生的进阶式的教学模式，倡导以学生为主体的创新性实验验教学与改革，将创新思想良好的植入日常教学中。

实验中心教师学习国际先进的CDIO设计理念，将课程抽象分为几个子任务，将相互关联的知识点、创新教育融合一体，形成本实验案例，参加全国高校电工电子基础课程实验教学案例竞赛，并获得北部赛区二等奖。实验案例让学生通过进阶式的创新设计完成综合设计，将所学知识融合联系的应用到实践当中，选择学生感兴趣的实验项目，取得事半功倍的效果。

1 实验项目的要求

作为电子线路课程设计这门课的多个备选题目之一，本实验案例的主要任务是设计一个简易的七音电子琴发声装置，实现音乐C大调中不同音节声音的播放，同时需要完成对应不同音调的电压显示、指示灯显示等功能。具体实验内容分层次以阶梯式递增进行要求：

（1）基本要求，利用555芯片或LM324芯片、LM386芯片，实现按下不同的琴键，能够发出C调的七个基本音节，通过喇叭播放出来，输出频率与各音节相符，同时可以实现音量的调节功能。这是基本的功能要求，所用知识都在前期的单元实验中有所涉及，学生只需综合运用即可完成。

（2）进阶要求，通过频率电压转换电路，将不同音节的频率值，用直流电压值的形式显示出来。参考使用芯片LM331。首次接触LM331芯片，学生需要自学查找资料，学习芯片的使用并实现功能。

（3）扩展设计，将不同的音节，用发光二极管灯柱的形式显示出来。“dou”显示一个灯，“re”显示两个灯，以此类推，“si”显示七个灯。引入创新思维教育，鼓励学生以更多的方式来展示音节。

在此实验案例中，实现分层次进阶式教学。通过按键键盘，激发产生不同频率的震荡线路，产生方波信号，并通过功率放大模块利用喇叭进行播放。同时信号经过频率电压转换模块，以电压的形式显示出不同的音节对应的电压值。通过显示模块，用不同的方式来显示不同的声音音调。

图1：系统结构图

实验内容涵盖了模拟电子技术中的振荡电路，频率电压变换电路，运算放大器、电压比较器、功率放大器等知识内容。可以利用 LM324或者 555芯片构成振荡电路，LM386完成功率放大功能，实现声音的输出。涉及电路的系统设计、仿真软件的应用、数据的测量及分析等相关知识与技术方法。是模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例。

2 实验项目的实现

实验项目中每一个模块功能的实现，可以有多种方案进行选择。以其中的某一种为例来阐述实验的可行性。

2.1 多谐振荡电路

由于RC振荡电路一般用来产生1Hz～1MHz范围内的低频信号；而LC振荡电路一般用来产生1MHz以上的高频信号，对于要产生的 C调的 8个音阶范围为264Hz～528Hz，我们可以指导学生选择RC振荡电路。

2.2 功率放大部分

功率放大级的作用是把信号进行功率放大，提供不失真的功率信号，要求功率放大器输出功率尽可能大，输出非线性失真尽可能小。集成功放块的种类很多，本设计参考采用的集成功放块型号为LM386。

2.3 频率电压变换模块

可以使用555芯片实现频率电压转换。随着输入信号达到比较电平，放电晶体管的打开与闭合给电容充电，进而实现频率电压转换。但使用该方法频率电压转换的精度受到频率与温度的影响，在给定的范围内可能存在较大误差，故一般不采用。

对应不同的音节产生了频率不同方波信号，可以使用LM331芯片的频率电压转换功能。进入LM331及其外围组成的频率电压转换电路后，输出为对应的电压值。为了方便，可以将输出电压标准与音节的频率值相互对应。264Hz对应的是2.64V.

图2：LM331外围电路结构图

2.4 显示模块

可视化的音调显示多种多样，可以选用发光二极管灯柱的形式进行直观显示。音调越高，转换后的电压数值越大，点亮发光二极管的个数也越多。可以采用三极管来驱动发光二极管，也可以使用运放构成电压比较器，来驱动发光二极管。

学生使用实验室提供的仪器来完成整个实验，也可以自己拿孔板焊接，优化电路。通过对实验过程中的数据做好记录，进一步进行分析总结，训练学生的工程素养。

3 实验项目的教学实施

在整个教学过程中将知识传授、能力培养、价值塑造三者深度融合，依托雨课堂和丰富的在线教学资源，开展课前、课上、课后无缝衔接的理论教学，着重实现知识传授。在理论教学的基础上，利用虚拟仿真实验平台、项目和实验室，开展虚与实、线上与线下、课内与课外相结合的实践教学，着重实现能力培养。并且坚持把思想政治教育贯穿人才培养体系，将思政教育与在线教学密切结合，做到“思政课程”和“课程思政”在线教学资源建设两手抓，并尤其注重挖掘课程中的“海味”思政元素，从而将教书与育人有机统一，最终实现价值塑造。

图3：教学实施总体图

课前通过雨课堂小测试，对学生的已有基础知识掌握情况进行摸底。并根据实际情况总结调整教学内容，进行一次整体的网络授课。期间将课程设计的基本要求、所用仪器的使用、题目的要求发送给学生。学生可以根据自己分配到的题目要求，查阅资料，了解产生不同频率的方法、频率-电压的转换方式、电压显示的不同途径，设计出多种实验方案，并对各方案进行分析，选择合适的方案。确定原理图。

要想使学生对所学知识有深入的理解，需要学生主动融入教学过程中，在实验教学环节，学生要主动参与进来。进入实验室后，用Multisim仿真软件对电路进行仿真，分析各种方案的优缺点，实现目标技术指标。

最后在模拟电路教学实验箱上，使用面包板连接实物，进行整体调试。对电路进行调试时，注意元件的有效使用。要求学生根据性能指标要求，自行设计测试方法，测试基本功能中不同的音节对应的频率值，同时对应的电压值，灯柱的显示情况等。记录测试结果，并对数据进行分析。

4 实验项目的考评与成效

与传统实验一样，实验的考评要从预习、仿真、实物连接、调试检测、实验报告等几个方面进行。与传统实验不同的是，我们引入多种评判手段，利用雨课堂的实时测试题对学生预习程度进行考核；以工程认证为依托，对不同的层次不同的阶段设置规范化的评判准则；以学生为主，将评价回归学生，通过类似答辩的形式，展示自己的成果，由其他同学进行评分。综合各方面的实施过程，对学生的课程完成过程进行评价。经过近两年的进阶式创新教学实施，多方面取得了良好的成效。

图4：学生成果实物图

不同层次的学生，通过进阶式的教学，各自取得了适用于不同知识水平的学习成果。传统的实验内容相对比较枯燥，改革后结合生活实际的实验案例，激发了学生的学习热情。开放性的实验内容，也锻炼了学生的创新思维，将普通的实验内容增添了趣味性和个性化。

考核评价方面，更加细化了不同层次的评分准则。对不同知识储备的学生，通过进阶式教学，为评分提供了多方面的依据，雨课堂的测试，同学之间的互评，多方面多角度的给出学生的成绩，使得最终的评分更公平，更能体现学生的真实能力。

教师在积极进行教学改革，参加实验案例竞赛的过程中，由教到学，扩展视野，在展示已有成果的同时也向其他优秀的参赛案例学习，并应用到接下来的教学改革中。教师的知识储备更加丰富，专业技能和技术水平也得到提高。

5 结语

实验案例的设计过程中，选择和设计出具有目的明确、客观真实、创新性强、结果多元化、实现过程分层进阶等特点的案例。通过实验任务要求、教学方法和教学模式设计，引导学生自主创新设计、研究发现、掌握实验知识方法与技能，综合运用知识、接触工程实际、开展进阶式探索研究，提高教学效果。

整个实验过程中牢固树立并落实“学生中心”的教育理念，通过三位一体、三元融合的在线教学体系构建与实践，最终实现教学方式从“以教为主”向“以学为主”转变，教学空间从以课堂教学为主向线上、线下相结合转变，教学资源供给从“以教定学”向“以学定教”转变，教学评价从结果性评价向形成性评价转变，完成进阶式创新教学的转换。

以赛促教，创新促学，针对不同层次的学生进阶式教学，激发学生的创新能力，保持好学生的学习热情，同时还可以带动教师的教学积极性，丰富课堂内容，促进电子线路实验的良好改革。