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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(jīng)驗。本文結(jié)合我校機電實習中心開展開放式電子工程訓練的現(xiàn)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(chǎn)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(guān)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(jīng)濟發(fā)展模式和現(xiàn)代科學技術(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,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(zhì)的專業(yè)人才。因此,改革舊的實驗教學模式,構(gòu)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(gòu)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(jīng)驗,培養(yǎng)工程實踐素質(zhì)。開放式教學模式采?。海?)內(nèi)容開放,即規(guī)定的教學內(nèi)容與自選內(nèi)容相結(jié)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(jié)合、以及輔導與研討結(jié)合的教學方法。此外,開放式教學將采用多媒體、網(wǎng)絡(luò)、動畫、圖像等技術(shù),以增強工程訓練的教學效果。
  二、開放式電子工程訓練內(nèi)容的設(shè)置
  內(nèi)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(chǎn)品、引進科研項目、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練的內(nèi)容。在我校開展開放式工程訓練的過程中,設(shè)置了豐富的訓練題目,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(wǎng)應(yīng)用實踐、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、交流電動機自動控制系統(tǒng)等等。這些訓練內(nèi)容涵蓋了電子工程訓練的大部分內(nèi)容,既有基礎(chǔ)性的技能訓練,也有提高性的創(chuàng)新訓練,有的還結(jié)合了電子、電工、控制等綜合知識的應(yīng)用,適合不同層次的學生根據(jù)自身的特點選作。
  這種多層次、綜合性、應(yīng)用性、趣味性的教學內(nèi)容,可以使學生在訓練過程中逐步掌握現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計、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、創(chuàng)新能力和科學思維方法的高素質(zhì)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(shè)計的環(huán)節(jié),不利于調(diào)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)資料和相關(guān)書籍來學習設(shè)計印制電路板和單片機應(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(yīng)用等,并引導學生根據(jù)訓練內(nèi)容的需要主動學習各種基本技能,解決單片機應(yīng)用電路板設(shè)計、安裝、調(diào)試過程中容易出現(xiàn)的問題。在單片機應(yīng)用電路設(shè)計環(huán)節(jié),學生則可以根據(jù)個人的興趣和用途,采用不同的單片機芯片獨立進行設(shè)計,并完成實驗板的制作、調(diào)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(lǐng)域也非常廣泛,要在有限的時間內(nèi)完成這些內(nèi)容,需要采取有效的教學組織。以“單片機應(yīng)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(diào)試軟硬件等。
  1.單片機應(yīng)用電路的設(shè)計
  通常情況下,參與“單片機應(yīng)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(yīng)用電路原理和元器件知識為主,學生借助視頻教學課件、網(wǎng)絡(luò)教材,以及相關(guān)教材自主學習為輔,并且通過實踐制作逐步應(yīng)用和理解單片機的知識。在上述理論和實踐的基礎(chǔ)上,要求學生能夠發(fā)揮主觀能動性,自主設(shè)計出具有某些特定功能的單片機應(yīng)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(chǔ)。
  2.印制電路板圖的制作
 ?。?)繪制單片機應(yīng)用電路原理圖。應(yīng)用繪圖軟件繪制單片機應(yīng)用電路原理圖、印制電路板圖,是進行電子產(chǎn)品開發(fā)必備的基本技能,也是需要經(jīng)過多次實踐才能掌握的一項技術(shù)。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(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)對原理圖進行電氣法則測試;7)教師講解原理圖的編輯和調(diào)整、元器件的封裝等步驟,用具體實例來講解電路圖常見錯誤,以盡可能減少原理圖中出現(xiàn)的錯誤:如漏畫導線和元件、元件參數(shù)不全、導線沒有連通等,最終形成完好的單片機應(yīng)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(chǔ),也要有對待工程設(shè)計一絲不茍的責任心,才能圓滿完成設(shè)計任務(wù)。
 ?。?)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(wǎng)絡(luò)表和自動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(yīng)盡量拉大,以防止產(chǎn)生干擾信號。
  在工程訓練項目中,學生獨立制作的單片機應(yīng)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(zhuǎn)印機、雕刻機、高速視頻鉆等設(shè)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(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)驗的過程。
  3.單片機應(yīng)用電路實驗板的制作
 ?。?)元器件的選擇。單片機應(yīng)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(gòu)成單片機應(yīng)用系統(tǒng)。本次工程訓練中,單片機采用應(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)成了單片機應(yīng)用電路。在此基礎(chǔ)上,學生可以根據(jù)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(shù)轉(zhuǎn)換芯片(ADC0804)和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(DAC0800),來實現(xiàn)直流電動機的調(diào)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(yīng)檢測印制電路板,防止出現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(zhì)量。焊接好的單片機實驗板如圖2所示。
 ?。?)聯(lián)機調(diào)試。單片機應(yīng)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(diào)試以實現(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(shù)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(nèi)嵌的仿真調(diào)試軟件進行模擬仿真;6)將調(diào)試好的源程序燒錄到單片機內(nèi),在實驗板上實現(xiàn)輸入輸出實驗。
  通過反復的調(diào)試,學生能夠掌握源程序的編輯、編譯、仿真、在線下載、在線調(diào)試方法和過程,并且學會自行解決調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤,最終實現(xiàn)單片機應(yīng)有的功能,圓滿完成工程訓練的任務(wù)。
  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(chǎn)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(xiàn)創(chuàng)新型項目的開發(fā),進一步培養(yǎng)綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力。我校參加過電子工程訓練的學生在電子設(shè)計大賽中已經(jīng)初步展現(xiàn)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(jīng)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(xiàn)代人才的培養(yǎng)要求。
  參考文獻:
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