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開放式電子工程訓(xùn)練教學(xué)實(shí)踐與研究

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摘要:開放式電子工程訓(xùn)練是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的一種教學(xué)模式,其根本目的在于增強(qiáng)學(xué)生的工程制造能力和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合我校機(jī)電實(shí)習(xí)中心開展開放式電子工程訓(xùn)練的現(xiàn)狀,介紹了實(shí)踐教學(xué)改革的情況。實(shí)踐證明,開展以典型的、綜合的工程項(xiàng)目和產(chǎn)品為教學(xué)平臺(tái)的開放式電子工程訓(xùn)練,不僅可以更加有效地利用實(shí)驗(yàn)室資源,而且有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用綜合知識(shí)獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力,是值得推廣的實(shí)踐教學(xué)模式。
  關(guān)鍵詞:電子工程訓(xùn)練;工程制造能力;開放實(shí)驗(yàn)
  我國(guó)科技創(chuàng)新型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,需要大量具有創(chuàng)新精神、掌握現(xiàn)代專業(yè)技術(shù)知識(shí),并能靈活運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題、具有工程制造能力和素質(zhì)的專業(yè)人才。因此,改革舊的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,構(gòu)建培養(yǎng)工程科技人才的教學(xué)模式勢(shì)在必行。高等工程教育由于強(qiáng)化了工程實(shí)踐訓(xùn)練和案例教育,是造就工程科技人才的有效途徑,也是高校本科實(shí)踐教育必不可少的重要環(huán)節(jié)。[1,2]近年來(lái),我校在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了一系列的改革和創(chuàng)新,其中機(jī)電實(shí)習(xí)中心進(jìn)行了開放式電子工程訓(xùn)練教學(xué)的嘗試,并取得了很好的效果。
  一、開放式電子工程訓(xùn)練教學(xué)模式的構(gòu)建
  開放式電子工程訓(xùn)練以培養(yǎng)學(xué)生工程制造與創(chuàng)新能力為教學(xué)目地,使學(xué)生在本科期間積累一定的工程制造經(jīng)驗(yàn),培養(yǎng)工程實(shí)踐素質(zhì)。開放式教學(xué)模式采?。海?)內(nèi)容開放,即規(guī)定的教學(xué)內(nèi)容與自選內(nèi)容相結(jié)合;(2)時(shí)間開放,即學(xué)生可靈活選擇課余時(shí)間參與工程訓(xùn)練;(3)教學(xué)方式開放,采用教師重點(diǎn)講解與自學(xué)相結(jié)合、以及輔導(dǎo)與研討結(jié)合的教學(xué)方法。此外,開放式教學(xué)將采用多媒體、網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)畫、圖像等技術(shù),以增強(qiáng)工程訓(xùn)練的教學(xué)效果。
  二、開放式電子工程訓(xùn)練內(nèi)容的設(shè)置
  內(nèi)容是工程訓(xùn)練的靈魂。選擇能滿足市場(chǎng)需要的實(shí)用性工程項(xiàng)目和產(chǎn)品、引進(jìn)科研項(xiàng)目、培養(yǎng)電子產(chǎn)品研發(fā)的基本技能等,都可以作為開放式電子工程訓(xùn)練的內(nèi)容。在我校開展開放式工程訓(xùn)練的過(guò)程中,設(shè)置了豐富的訓(xùn)練題目,如:印刷電路板(PCB)的制作、電子產(chǎn)品的安裝和調(diào)試、單片機(jī)多種信號(hào)發(fā)生器的制作、單片機(jī)溫、濕度控制器的制作、可編程序控制器聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐、可編程序控制器與組態(tài)軟件相結(jié)合的組態(tài)監(jiān)控綜合應(yīng)用、智能車控制、交流電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等等。這些訓(xùn)練內(nèi)容涵蓋了電子工程訓(xùn)練的大部分內(nèi)容,既有基礎(chǔ)性的技能訓(xùn)練,也有提高性的創(chuàng)新訓(xùn)練,有的還結(jié)合了電子、電工、控制等綜合知識(shí)的應(yīng)用,適合不同層次的學(xué)生根據(jù)自身的特點(diǎn)選作。
  這種多層次、綜合性、應(yīng)用性、趣味性的教學(xué)內(nèi)容,可以使學(xué)生在訓(xùn)練過(guò)程中逐步掌握現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工技術(shù)以及工程應(yīng)用技能,初步具有電子產(chǎn)品研發(fā)和工程制作能力,從而為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和科學(xué)思維方法的高素質(zhì)人才提供了重要平臺(tái)。[3,4]
  三、開放式電子工程訓(xùn)練的教學(xué)方法
  傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)方法是教師系統(tǒng)講解實(shí)驗(yàn)原理,詳細(xì)安排實(shí)驗(yàn)方法和步驟,學(xué)生按照固定的模式去做。這樣不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間,而且缺少學(xué)生獨(dú)立思考和設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié),不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性,實(shí)驗(yàn)的效果也不好。
  在開放式電子工程訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)踐中,我們逐步改變了以往的教學(xué)方法。例如:在繪制印制電路板、制作單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板和開發(fā)板的電子工程訓(xùn)練中,為了充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科研能力,我們采用以學(xué)生為主體,教師只起輔助的指導(dǎo)作用。具體而言,學(xué)生可以參考視頻軟件、網(wǎng)絡(luò)資料和相關(guān)書籍來(lái)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)印制電路板和單片機(jī)應(yīng)用電路板的制作步驟和操作方法。教師則可根據(jù)需要采用多媒體課件講解protel99等繪圖軟件的使用方法、單片機(jī)硬件電路的知識(shí)、C語(yǔ)言的編程方法、killc51集成開發(fā)軟件的應(yīng)用等,并引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)訓(xùn)練內(nèi)容的需要主動(dòng)學(xué)習(xí)各種基本技能,解決單片機(jī)應(yīng)用電路板設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題。在單片機(jī)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),學(xué)生則可以根據(jù)個(gè)人的興趣和用途,采用不同的單片機(jī)芯片獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì),并完成實(shí)驗(yàn)板的制作、調(diào)試。這樣,才能使學(xué)生的創(chuàng)新思維和個(gè)性得到充分發(fā)展,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)際動(dòng)手能力。
  四、開放式電子工程訓(xùn)練典型案例介紹
  由于開放式電子工程訓(xùn)練一般都是貼近工程實(shí)際的訓(xùn)練項(xiàng)目,因此涉及到的知識(shí)領(lǐng)域也非常廣泛,要在有限的時(shí)間內(nèi)完成這些內(nèi)容,需要采取有效的教學(xué)組織。以“單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板的制作”為例,這項(xiàng)訓(xùn)練包括以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié):繪制電路原理圖和印制電路板圖(PCB圖)、制作印制電路板、安裝和焊接電路板、調(diào)試軟硬件等。
  1.單片機(jī)應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)
  通常情況下,參與“單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板的制作”工程訓(xùn)練的學(xué)生在此之前并沒(méi)有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)的知識(shí),因此在該環(huán)節(jié)的教學(xué)組織中以教師講解單片機(jī)應(yīng)用電路原理和元器件知識(shí)為主,學(xué)生借助視頻教學(xué)課件、網(wǎng)絡(luò)教材,以及相關(guān)教材自主學(xué)習(xí)為輔,并且通過(guò)實(shí)踐制作逐步應(yīng)用和理解單片機(jī)的知識(shí)。在上述理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上,要求學(xué)生能夠發(fā)揮主觀能動(dòng)性,自主設(shè)計(jì)出具有某些特定功能的單片機(jī)應(yīng)用電路。在這個(gè)從理論到實(shí)踐、實(shí)踐到認(rèn)識(shí)、再?gòu)恼J(rèn)識(shí)回到實(shí)踐的學(xué)習(xí)過(guò)程中,培養(yǎng)了學(xué)生的自學(xué)能力和利用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的興趣,從而為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。
  2.印制電路板圖的制作
  (1)繪制單片機(jī)應(yīng)用電路原理圖。應(yīng)用繪圖軟件繪制單片機(jī)應(yīng)用電路原理圖、印制電路板圖,是進(jìn)行電子產(chǎn)品開發(fā)必備的基本技能,也是需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐才能掌握的一項(xiàng)技術(shù)。其基本步驟為:1)學(xué)生通過(guò)自學(xué)掌握繪圖軟件的功能和基本用法;2)利用原理圖元件庫(kù)編輯器制作元件;3)編輯元件參數(shù);4)掌握在原理圖中放置元件、布線的方法和要求;5)用表格編輯器檢查元件的屬性遺漏;6)對(duì)原理圖進(jìn)行電氣法則測(cè)試;7)教師講解原理圖的編輯和調(diào)整、元器件的封裝等步驟,用具體實(shí)例來(lái)講解電路圖常見錯(cuò)誤,以盡可能減少原理圖中出現(xiàn)的錯(cuò)誤:如漏畫導(dǎo)線和元件、元件參數(shù)不全、導(dǎo)線沒(méi)有連通等,最終形成完好的單片機(jī)應(yīng)用電路原理圖。這一環(huán)節(jié)需要參與的學(xué)生既要有專業(yè)知識(shí)做基礎(chǔ),也要有對(duì)待工程設(shè)計(jì)一絲不茍的責(zé)任心,才能圓滿完成設(shè)計(jì)任務(wù)。
 ?。?)繪制印制電路板圖。在印制電路板圖的繪制過(guò)程中,首先需要利用protel繪制軟件的網(wǎng)絡(luò)表和自動(dòng)布局功能將疊加的元件分開,并手工調(diào)整元件的位置,使電路板整體布局合理;然后再利用自動(dòng)布線功能布置導(dǎo)線的寬度、焊盤的尺寸、通孔孔徑等。具體來(lái)講,繪制印制電路板圖的一般原則為:1)元間放置位置要緊湊、距離要短、元件間連線盡量短、盡可能縮小印制電路板的尺寸;2)導(dǎo)線間距大于4mil;3)電源線、地線盡量要粗,以提高電路板帶負(fù)載的能力;4)焊盤盡量大,采用橢圓型焊盤,防止鉆孔時(shí)損壞焊盤;5)導(dǎo)線與焊盤間距離應(yīng)盡量拉大,以防止產(chǎn)生干擾信號(hào)。
  在工程訓(xùn)練項(xiàng)目中,學(xué)生獨(dú)立制作的單片機(jī)應(yīng)用電路印制電路板圖如圖1所示。通過(guò)印制電路板的制作,學(xué)生還可以學(xué)習(xí)掌握轉(zhuǎn)印機(jī)、雕刻機(jī)、高速視頻鉆等設(shè)備的使用方法,進(jìn)一步了解印制電路板的制作工藝方法和過(guò)程。顯然,了解現(xiàn)代電子工業(yè)的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備等,也是積累工程制造經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。
  3.單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板的制作
  (1)元器件的選擇。單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板是集編程器、仿真器、ISP下載線、實(shí)驗(yàn)電路為一體的電路板,它利用單片機(jī)自身的資源,外加電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路,構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本次工程訓(xùn)練中,單片機(jī)采用應(yīng)用廣泛的AT89S52芯片(兼容STC89C系列芯片),與其他電路包括RS232串行通信接口、數(shù)碼管顯示、LED顯示、蜂鳴器、中斷控制、繼電器控制等,共同構(gòu)成了單片機(jī)應(yīng)用電路。在此基礎(chǔ)上,學(xué)生可以根據(jù)控制需要選擇加單片機(jī)片外存儲(chǔ)器RAM(6264)、ROM(2764),來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)存儲(chǔ)空間;或者加模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC0804)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC0800),來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制等。
  (2)電路板的安裝。元器件選定之后,學(xué)生就可以自行安裝并焊接電路板。在此環(huán)節(jié)要注意:1)焊接之前,應(yīng)檢測(cè)印制電路板,防止出現(xiàn)斷路、短路、焊盤脫落的問(wèn)題,以減少故障;2)電路板焊接重點(diǎn)是集成芯片,其管腳易出現(xiàn)焊接短路的故障,因此要提前練習(xí)焊接芯片管腳;3)焊接完成后,要用數(shù)字萬(wàn)用表檢查焊點(diǎn)之間有無(wú)短路故障,以確保電路板的焊接質(zhì)量。焊接好的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板如圖2所示。
 ?。?)聯(lián)機(jī)調(diào)試。單片機(jī)應(yīng)用電路實(shí)驗(yàn)板硬件部分制作完成以后,需要對(duì)其進(jìn)行軟件編程并進(jìn)行調(diào)試以實(shí)現(xiàn)特定的功能。步驟如下:1)將通信電纜接入裝有kill C51集成開發(fā)軟件的PC機(jī)串口和單片機(jī)電路板串口;2)為實(shí)驗(yàn)板接入9V直流電源;3)使用數(shù)字示波器檢測(cè)硬件電路各點(diǎn)信號(hào)(如復(fù)位信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、I/O輸出信號(hào));4)用C語(yǔ)言編寫源程序;5)使用kill C51集成開發(fā)軟件內(nèi)嵌的仿真調(diào)試軟件進(jìn)行模擬仿真;6)將調(diào)試好的源程序燒錄到單片機(jī)內(nèi),在實(shí)驗(yàn)板上實(shí)現(xiàn)輸入輸出實(shí)驗(yàn)。
  通過(guò)反復(fù)的調(diào)試,學(xué)生能夠掌握源程序的編輯、編譯、仿真、在線下載、在線調(diào)試方法和過(guò)程,并且學(xué)會(huì)自行解決調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的錯(cuò)誤,最終實(shí)現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)有的功能,圓滿完成工程訓(xùn)練的任務(wù)。
  五、教學(xué)改革效果
  實(shí)踐證明,開放式工程訓(xùn)練在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中所發(fā)揮的作用是十分重要的。通過(guò)典型工程項(xiàng)目和電子產(chǎn)品制作工程訓(xùn)練,學(xué)生的工程制作能力不僅有了顯著的提高,而且可以通過(guò)自主學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型項(xiàng)目的開發(fā),進(jìn)一步培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。我校參加過(guò)電子工程訓(xùn)練的學(xué)生在電子設(shè)計(jì)大賽中已經(jīng)初步展現(xiàn)了自己的工程實(shí)踐能力,取得了很好的成績(jī)。此外,開放式電子工程訓(xùn)練也為實(shí)踐教學(xué)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),有利于提高實(shí)踐教學(xué)的效果,由此引發(fā)的實(shí)踐教學(xué)模式的改革將更加適合現(xiàn)代人才的培養(yǎng)要求。
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