開放式電子工程訓練教學實踐與研究
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摘要：開放式電子工程訓練是培養(yǎng)學生工程實踐能力的一種教學模式，其根本目的在于增強學生的工程制造能力和實踐經驗。本文結合我校機電實習中心開展開放式電子工程訓練的現狀，介紹了實踐教學改革的情況。實踐證明，開展以典型的、綜合的工程項目和產品為教學平臺的開放式電子工程訓練，不僅可以更加有效地利用實驗室資源，而且有利于培養(yǎng)學生運用綜合知識獨立解決實際問題的能力，是值得推廣的實踐教學模式。
關鍵詞：電子工程訓練；工程制造能力；開放實驗
我國科技創(chuàng)新型的經濟發(fā)展模式和現代科學技術的發(fā)展，需要大量具有創(chuàng)新精神、掌握現代專業(yè)技術知識，并能靈活運用專業(yè)知識解決工程實際問題、具有工程制造能力和素質的專業(yè)人才。因此，改革舊的實驗教學模式，構建培養(yǎng)工程科技人才的教學模式勢在必行。高等工程教育由于強化了工程實踐訓練和案例教育，是造就工程科技人才的有效途徑，也是高校本科實踐教育必不可少的重要環(huán)節(jié)。[1，2]近年來，我校在實踐教學環(huán)節(jié)進行了一系列的改革和創(chuàng)新，其中機電實習中心進行了開放式電子工程訓練教學的嘗試，并取得了很好的效果。
一、開放式電子工程訓練教學模式的構建
開放式電子工程訓練以培養(yǎng)學生工程制造與創(chuàng)新能力為教學目地，使學生在本科期間積累一定的工程制造經驗，培養(yǎng)工程實踐素質。開放式教學模式采?。海?）內容開放，即規(guī)定的教學內容與自選內容相結合；（2）時間開放，即學生可靈活選擇課余時間參與工程訓練；（3）教學方式開放，采用教師重點講解與自學相結合、以及輔導與研討結合的教學方法。此外，開放式教學將采用多媒體、網絡、動畫、圖像等技術，以增強工程訓練的教學效果。
二、開放式電子工程訓練內容的設置
內容是工程訓練的靈魂。選擇能滿足市場需要的實用性工程項目和產品、引進科研項目、培養(yǎng)電子產品研發(fā)的基本技能等，都可以作為開放式電子工程訓練的內容。在我校開展開放式工程訓練的過程中，設置了豐富的訓練題目，如：印刷電路板（PCB）的制作、電子產品的安裝和調試、單片機多種信號發(fā)生器的制作、單片機溫、濕度控制器的制作、可編程序控制器聯(lián)網應用實踐、可編程序控制器與組態(tài)軟件相結合的組態(tài)監(jiān)控綜合應用、智能車控制、交流電動機自動控制系統(tǒng)等等。這些訓練內容涵蓋了電子工程訓練的大部分內容，既有基礎性的技能訓練，也有提高性的創(chuàng)新訓練，有的還結合了電子、電工、控制等綜合知識的應用，適合不同層次的學生根據自身的特點選作。
這種多層次、綜合性、應用性、趣味性的教學內容，可以使學生在訓練過程中逐步掌握現代電子產品設計、加工技術以及工程應用技能，初步具有電子產品研發(fā)和工程制作能力，從而為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和科學思維方法的高素質人才提供了重要平臺。[3，4]
三、開放式電子工程訓練的教學方法
傳統(tǒng)的實踐教學方法是教師系統(tǒng)講解實驗原理，詳細安排實驗方法和步驟，學生按照固定的模式去做。這樣不僅耗費大量的時間，而且缺少學生獨立思考和設計的環(huán)節(jié)，不利于調動學生的積極性，實驗的效果也不好。
在開放式電子工程訓練的教學實踐中，我們逐步改變了以往的教學方法。例如：在繪制印制電路板、制作單片機應用電路實驗板和開發(fā)板的電子工程訓練中，為了充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新意識和科研能力，我們采用以學生為主體，教師只起輔助的指導作用。具體而言，學生可以參考視頻軟件、網絡資料和相關書籍來學習設計印制電路板和單片機應用電路板的制作步驟和操作方法。教師則可根據需要采用多媒體課件講解protel99等繪圖軟件的使用方法、單片機硬件電路的知識、C語言的編程方法、killc51集成開發(fā)軟件的應用等，并引導學生根據訓練內容的需要主動學習各種基本技能，解決單片機應用電路板設計、安裝、調試過程中容易出現的問題。在單片機應用電路設計環(huán)節(jié)，學生則可以根據個人的興趣和用途，采用不同的單片機芯片獨立進行設計，并完成實驗板的制作、調試。這樣，才能使學生的創(chuàng)新思維和個性得到充分發(fā)展，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實際動手能力。
四、開放式電子工程訓練典型案例介紹
由于開放式電子工程訓練一般都是貼近工程實際的訓練項目，因此涉及到的知識領域也非常廣泛，要在有限的時間內完成這些內容，需要采取有效的教學組織。以“單片機應用電路實驗板的制作”為例，這項訓練包括以下幾個主要環(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、調試軟硬件等。
1.單片機應用電路的設計
通常情況下，參與“單片機應用電路實驗板的制作”工程訓練的學生在此之前并沒有系統(tǒng)學習過單片機的知識，因此在該環(huán)節(jié)的教學組織中以教師講解單片機應用電路原理和元器件知識為主，學生借助視頻教學課件、網絡教材，以及相關教材自主學習為輔，并且通過實踐制作逐步應用和理解單片機的知識。在上述理論和實踐的基礎上，要求學生能夠發(fā)揮主觀能動性，自主設計出具有某些特定功能的單片機應用電路。在這個從理論到實踐、實踐到認識、再從認識回到實踐的學習過程中，培養(yǎng)了學生的自學能力和利用專業(yè)知識解決實際問題的興趣，從而為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定了基礎。
2.印制電路板圖的制作
?。?）繪制單片機應用電路原理圖。應用繪圖軟件繪制單片機應用電路原理圖、印制電路板圖，是進行電子產品開發(fā)必備的基本技能，也是需要經過多次實踐才能掌握的一項技術。其基本步驟為：1）學生通過自學掌握繪圖軟件的功能和基本用法；2）利用原理圖元件庫編輯器制作元件；3）編輯元件參數；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）對原理圖進行電氣法則測試；7）教師講解原理圖的編輯和調整、元器件的封裝等步驟，用具體實例來講解電路圖常見錯誤，以盡可能減少原理圖中出現的錯誤：如漏畫導線和元件、元件參數不全、導線沒有連通等，最終形成完好的單片機應用電路原理圖。這一環(huán)節(jié)需要參與的學生既要有專業(yè)知識做基礎，也要有對待工程設計一絲不茍的責任心，才能圓滿完成設計任務。
?。?）繪制印制電路板圖。在印制電路板圖的繪制過程中，首先需要利用protel繪制軟件的網絡表和自動布局功能將疊加的元件分開，并手工調整元件的位置，使電路板整體布局合理；然后再利用自動布線功能布置導線的寬度、焊盤的尺寸、通孔孔徑等。具體來講，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）導線間距大于4mil；3）電源線、地線盡量要粗，以提高電路板帶負載的能力；4）焊盤盡量大，采用橢圓型焊盤，防止鉆孔時損壞焊盤；5）導線與焊盤間距離應盡量拉大，以防止產生干擾信號。
在工程訓練項目中，學生獨立制作的單片機應用電路印制電路板圖如圖1所示。通過印制電路板的制作，學生還可以學習掌握轉印機、雕刻機、高速視頻鉆等設備的使用方法，進一步了解印制電路板的制作工藝方法和過程。顯然，了解現代電子工業(yè)的新技術、新工藝、新設備等，也是積累工程制造經驗的過程。
3.單片機應用電路實驗板的制作
（1）元器件的選擇。單片機應用電路實驗板是集編程器、仿真器、ISP下載線、實驗電路為一體的電路板，它利用單片機自身的資源，外加電源電路、時鐘電路、復位電路，構成單片機應用系統(tǒng)。本次工程訓練中，單片機采用應用廣泛的AT89S52芯片（兼容STC89C系列芯片），與其他電路包括RS232串行通信接口、數碼管顯示、LED顯示、蜂鳴器、中斷控制、繼電器控制等，共同構成了單片機應用電路。在此基礎上，學生可以根據控制需要選擇加單片機片外存儲器RAM（6264）、ROM（2764），來擴展單片機存儲空間；或者加模數轉換芯片（ADC0804）和數模轉換芯片（DAC0800），來實現直流電動機的調速控制等。
?。?）電路板的安裝。元器件選定之后，學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，應檢測印制電路板，防止出現斷路、短路、焊盤脫落的問題，以減少故障；2）電路板焊接重點是集成芯片，其管腳易出現焊接短路的故障，因此要提前練習焊接芯片管腳；3）焊接完成后，要用數字萬用表檢查焊點之間有無短路故障，以確保電路板的焊接質量。焊接好的單片機實驗板如圖2所示。
（3）聯(lián)機調試。單片機應用電路實驗板硬件部分制作完成以后，需要對其進行軟件編程并進行調試以實現特定的功能。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機串口和單片機電路板串口；2）為實驗板接入9V直流電源；3）使用數字示波器檢測硬件電路各點信號（如復位信號、時鐘信號、I/O輸出信號）；4）用C語言編寫源程序；5）使用kill C51集成開發(fā)軟件內嵌的仿真調試軟件進行模擬仿真；6）將調試好的源程序燒錄到單片機內，在實驗板上實現輸入輸出實驗。
通過反復的調試，學生能夠掌握源程序的編輯、編譯、仿真、在線下載、在線調試方法和過程，并且學會自行解決調試過程中經常出現的錯誤，最終實現單片機應有的功能，圓滿完成工程訓練的任務。
五、教學改革效果
實踐證明，開放式工程訓練在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中所發(fā)揮的作用是十分重要的。通過典型工程項目和電子產品制作工程訓練，學生的工程制作能力不僅有了顯著的提高，而且可以通過自主學習實現創(chuàng)新型項目的開發(fā)，進一步培養(yǎng)綜合素質和創(chuàng)新能力。我校參加過電子工程訓練的學生在電子設計大賽中已經初步展現了自己的工程實踐能力，取得了很好的成績。此外，開放式電子工程訓練也為實踐教學積累了寶貴的經驗，有利于提高實踐教學的效果，由此引發(fā)的實踐教學模式的改革將更加適合現代人才的培養(yǎng)要求。
參考文獻：
[1]韓芝俠,脫慧,饒漢文,等.電子工藝實習教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2007,26(11):108-111.
[2]王璐,楊明.電工電子學開放實驗的改革與探索[J].中國電力教育,2010,(36):130-131.
[3]王濤,鐘穗東,張漢平,等.大學生開放實驗教學的探索與研究[J].中國現代教育裝備,2010,(13):125-127.
[4]宋鳳蓮,巫世晶,劉梅清.自主創(chuàng)新工程訓練教學模式的構建[J].實驗室研究與探索,2008,27(2):113-115.
關鍵詞：電子工程訓練；工程制造能力；開放實驗
我國科技創(chuàng)新型的經濟發(fā)展模式和現代科學技術的發(fā)展，需要大量具有創(chuàng)新精神、掌握現代專業(yè)技術知識，并能靈活運用專業(yè)知識解決工程實際問題、具有工程制造能力和素質的專業(yè)人才。因此，改革舊的實驗教學模式，構建培養(yǎng)工程科技人才的教學模式勢在必行。高等工程教育由于強化了工程實踐訓練和案例教育，是造就工程科技人才的有效途徑，也是高校本科實踐教育必不可少的重要環(huán)節(jié)。[1，2]近年來，我校在實踐教學環(huán)節(jié)進行了一系列的改革和創(chuàng)新，其中機電實習中心進行了開放式電子工程訓練教學的嘗試，并取得了很好的效果。
一、開放式電子工程訓練教學模式的構建
開放式電子工程訓練以培養(yǎng)學生工程制造與創(chuàng)新能力為教學目地，使學生在本科期間積累一定的工程制造經驗，培養(yǎng)工程實踐素質。開放式教學模式采?。海?）內容開放，即規(guī)定的教學內容與自選內容相結合；（2）時間開放，即學生可靈活選擇課余時間參與工程訓練；（3）教學方式開放，采用教師重點講解與自學相結合、以及輔導與研討結合的教學方法。此外，開放式教學將采用多媒體、網絡、動畫、圖像等技術，以增強工程訓練的教學效果。
二、開放式電子工程訓練內容的設置
內容是工程訓練的靈魂。選擇能滿足市場需要的實用性工程項目和產品、引進科研項目、培養(yǎng)電子產品研發(fā)的基本技能等，都可以作為開放式電子工程訓練的內容。在我校開展開放式工程訓練的過程中，設置了豐富的訓練題目，如：印刷電路板（PCB）的制作、電子產品的安裝和調試、單片機多種信號發(fā)生器的制作、單片機溫、濕度控制器的制作、可編程序控制器聯(lián)網應用實踐、可編程序控制器與組態(tài)軟件相結合的組態(tài)監(jiān)控綜合應用、智能車控制、交流電動機自動控制系統(tǒng)等等。這些訓練內容涵蓋了電子工程訓練的大部分內容，既有基礎性的技能訓練，也有提高性的創(chuàng)新訓練，有的還結合了電子、電工、控制等綜合知識的應用，適合不同層次的學生根據自身的特點選作。
這種多層次、綜合性、應用性、趣味性的教學內容，可以使學生在訓練過程中逐步掌握現代電子產品設計、加工技術以及工程應用技能，初步具有電子產品研發(fā)和工程制作能力，從而為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和科學思維方法的高素質人才提供了重要平臺。[3，4]
三、開放式電子工程訓練的教學方法
傳統(tǒng)的實踐教學方法是教師系統(tǒng)講解實驗原理，詳細安排實驗方法和步驟，學生按照固定的模式去做。這樣不僅耗費大量的時間，而且缺少學生獨立思考和設計的環(huán)節(jié)，不利于調動學生的積極性，實驗的效果也不好。
在開放式電子工程訓練的教學實踐中，我們逐步改變了以往的教學方法。例如：在繪制印制電路板、制作單片機應用電路實驗板和開發(fā)板的電子工程訓練中，為了充分發(fā)揮學生的創(chuàng)新意識和科研能力，我們采用以學生為主體，教師只起輔助的指導作用。具體而言，學生可以參考視頻軟件、網絡資料和相關書籍來學習設計印制電路板和單片機應用電路板的制作步驟和操作方法。教師則可根據需要采用多媒體課件講解protel99等繪圖軟件的使用方法、單片機硬件電路的知識、C語言的編程方法、killc51集成開發(fā)軟件的應用等，并引導學生根據訓練內容的需要主動學習各種基本技能，解決單片機應用電路板設計、安裝、調試過程中容易出現的問題。在單片機應用電路設計環(huán)節(jié)，學生則可以根據個人的興趣和用途，采用不同的單片機芯片獨立進行設計，并完成實驗板的制作、調試。這樣，才能使學生的創(chuàng)新思維和個性得到充分發(fā)展，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實際動手能力。
四、開放式電子工程訓練典型案例介紹
由于開放式電子工程訓練一般都是貼近工程實際的訓練項目，因此涉及到的知識領域也非常廣泛，要在有限的時間內完成這些內容，需要采取有效的教學組織。以“單片機應用電路實驗板的制作”為例，這項訓練包括以下幾個主要環(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、調試軟硬件等。
1.單片機應用電路的設計
通常情況下，參與“單片機應用電路實驗板的制作”工程訓練的學生在此之前并沒有系統(tǒng)學習過單片機的知識，因此在該環(huán)節(jié)的教學組織中以教師講解單片機應用電路原理和元器件知識為主，學生借助視頻教學課件、網絡教材，以及相關教材自主學習為輔，并且通過實踐制作逐步應用和理解單片機的知識。在上述理論和實踐的基礎上，要求學生能夠發(fā)揮主觀能動性，自主設計出具有某些特定功能的單片機應用電路。在這個從理論到實踐、實踐到認識、再從認識回到實踐的學習過程中，培養(yǎng)了學生的自學能力和利用專業(yè)知識解決實際問題的興趣，從而為創(chuàng)新能力的培養(yǎng)奠定了基礎。
2.印制電路板圖的制作
?。?）繪制單片機應用電路原理圖。應用繪圖軟件繪制單片機應用電路原理圖、印制電路板圖，是進行電子產品開發(fā)必備的基本技能，也是需要經過多次實踐才能掌握的一項技術。其基本步驟為：1）學生通過自學掌握繪圖軟件的功能和基本用法；2）利用原理圖元件庫編輯器制作元件；3）編輯元件參數；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）對原理圖進行電氣法則測試；7）教師講解原理圖的編輯和調整、元器件的封裝等步驟，用具體實例來講解電路圖常見錯誤，以盡可能減少原理圖中出現的錯誤：如漏畫導線和元件、元件參數不全、導線沒有連通等，最終形成完好的單片機應用電路原理圖。這一環(huán)節(jié)需要參與的學生既要有專業(yè)知識做基礎，也要有對待工程設計一絲不茍的責任心，才能圓滿完成設計任務。
?。?）繪制印制電路板圖。在印制電路板圖的繪制過程中，首先需要利用protel繪制軟件的網絡表和自動布局功能將疊加的元件分開，并手工調整元件的位置，使電路板整體布局合理；然后再利用自動布線功能布置導線的寬度、焊盤的尺寸、通孔孔徑等。具體來講，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）導線間距大于4mil；3）電源線、地線盡量要粗，以提高電路板帶負載的能力；4）焊盤盡量大，采用橢圓型焊盤，防止鉆孔時損壞焊盤；5）導線與焊盤間距離應盡量拉大，以防止產生干擾信號。
在工程訓練項目中，學生獨立制作的單片機應用電路印制電路板圖如圖1所示。通過印制電路板的制作，學生還可以學習掌握轉印機、雕刻機、高速視頻鉆等設備的使用方法，進一步了解印制電路板的制作工藝方法和過程。顯然，了解現代電子工業(yè)的新技術、新工藝、新設備等，也是積累工程制造經驗的過程。
3.單片機應用電路實驗板的制作
（1）元器件的選擇。單片機應用電路實驗板是集編程器、仿真器、ISP下載線、實驗電路為一體的電路板，它利用單片機自身的資源，外加電源電路、時鐘電路、復位電路，構成單片機應用系統(tǒng)。本次工程訓練中，單片機采用應用廣泛的AT89S52芯片（兼容STC89C系列芯片），與其他電路包括RS232串行通信接口、數碼管顯示、LED顯示、蜂鳴器、中斷控制、繼電器控制等，共同構成了單片機應用電路。在此基礎上，學生可以根據控制需要選擇加單片機片外存儲器RAM（6264）、ROM（2764），來擴展單片機存儲空間；或者加模數轉換芯片（ADC0804）和數模轉換芯片（DAC0800），來實現直流電動機的調速控制等。
?。?）電路板的安裝。元器件選定之后，學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，應檢測印制電路板，防止出現斷路、短路、焊盤脫落的問題，以減少故障；2）電路板焊接重點是集成芯片，其管腳易出現焊接短路的故障，因此要提前練習焊接芯片管腳；3）焊接完成后，要用數字萬用表檢查焊點之間有無短路故障，以確保電路板的焊接質量。焊接好的單片機實驗板如圖2所示。
（3）聯(lián)機調試。單片機應用電路實驗板硬件部分制作完成以后，需要對其進行軟件編程并進行調試以實現特定的功能。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機串口和單片機電路板串口；2）為實驗板接入9V直流電源；3）使用數字示波器檢測硬件電路各點信號（如復位信號、時鐘信號、I/O輸出信號）；4）用C語言編寫源程序；5）使用kill C51集成開發(fā)軟件內嵌的仿真調試軟件進行模擬仿真；6）將調試好的源程序燒錄到單片機內，在實驗板上實現輸入輸出實驗。
通過反復的調試，學生能夠掌握源程序的編輯、編譯、仿真、在線下載、在線調試方法和過程，并且學會自行解決調試過程中經常出現的錯誤，最終實現單片機應有的功能，圓滿完成工程訓練的任務。
五、教學改革效果
實踐證明，開放式工程訓練在高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中所發(fā)揮的作用是十分重要的。通過典型工程項目和電子產品制作工程訓練，學生的工程制作能力不僅有了顯著的提高，而且可以通過自主學習實現創(chuàng)新型項目的開發(fā)，進一步培養(yǎng)綜合素質和創(chuàng)新能力。我校參加過電子工程訓練的學生在電子設計大賽中已經初步展現了自己的工程實踐能力，取得了很好的成績。此外，開放式電子工程訓練也為實踐教學積累了寶貴的經驗，有利于提高實踐教學的效果，由此引發(fā)的實踐教學模式的改革將更加適合現代人才的培養(yǎng)要求。
參考文獻：
[1]韓芝俠,脫慧,饒漢文,等.電子工藝實習教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2007,26(11):108-111.
[2]王璐,楊明.電工電子學開放實驗的改革與探索[J].中國電力教育,2010,(36):130-131.
[3]王濤,鐘穗東,張漢平,等.大學生開放實驗教學的探索與研究[J].中國現代教育裝備,2010,(13):125-127.
[4]宋鳳蓮,巫世晶,劉梅清.自主創(chuàng)新工程訓練教學模式的構建[J].實驗室研究與探索,2008,27(2):113-115.