谈创新实验实践教学.docx
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谈创新实验实践教学
谈创新实验实践教学
信息学院电子信息科学与技术专业
指导教师：
赵毓林
谈创新实验实践教学
内容摘要
本文以一次电工电子实验中的创新实验为例，介绍了创新实验实践教学不再采用传统的教学模式，而是创新教学思维，采用教学做“一体化”开放式实践教学——以学生为主体的新型教学模式，并达到了预期效果，取得了可喜的成果。
拉近了当代在校大学生与社会的距离，提高了整体素质，也为企业培养技术型人才做了前期的培训，是一件多赢的事情。
关键词：
创新开放式教学做“一体化”电工电子实验
引言：
创新是这个时代的主旋律，因而要建设创新型国家，提高综合国力，就使得高等学校向社会输送创新型人才显得尤为重要。
在高校，实践是一个十分重要的培养环节，实验教学是实践环节中最主要的形式之一。
[1]随着社会竞争的日益激烈，如何提高大学生的综合素质已成为了人们关注的焦点。
由于长期以来高校的教学模式都是以理论教学为主，实验教学着重强调的是对理论的验证，尽管验证型实验在学习初期必不可少，但还必须重视对学生多方面能力的培养和锻炼。
［２］就需要突破传统教学模式的束缚，对实验教学环节给予高度重视。
首先要树立创新的教育教学理念，开展创新型实验教学；其次是根据具体实际，探索开展创新实验教学的方法与途径。
［３］ 本学期我们电科班就在赵老师的指导下进行了一次创新实验的尝试，大家都收获颇多。
一、传统教学模式的问题
由于传统教育的惯性，高校毕业生大多是理论有余，动手不足，与企业需求存在差距，企业所需人才的素质培养难以在教学过程中得以实现。
究其原因主要有：
1）教育教学理念陈旧。
重理论轻实践，理论教学、实验教学、实践创新“三张皮”，教学计划、培养方案、教学过程与业界企业联系少，教师的科研不能很好地反哺教学。
2）“三少”现象限制了人才培养质量。
学生实验实践与创新的平台少，企业参与人才培养的合作机会少，学生在实验、实习、实训、创新、毕业设计、竞赛培训的全过程与社会接触少。
3）教学改革缺乏整体性和系统性。
多年来的教学改革，多以课堂教学或课程改革为核心，点多面广，各自为战，研究成果不具全局性与系统性，教学资源利用率依旧不高，对教育教学改革推动不大。
[4]
二、创新实验实践教学
（一）创新实验
“电子技术”是一门实践性很强的课程，其实践教学环节包括基础实验教学、课程设计、电子实习、以及课外的开放实验、创新实验和各类电子大赛等。
这些课程及相对独立又密不可分。
为确保学生很好地掌握电子技术方面的基本理论、基本知识、电路设计的基本技能培养学生的创新精神和实践能力，各教学环节必须互相渗透、有机结合，形成完整的教学体系，真正让学生在学习过程中做到学以致用，理论指导实践，实践巩固理论，进而有效的提高学生的动手能力、协调能力和创造性思维能力，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
[5]信息学院电子信息科学与技术专业在大一大二开设的模拟电子技术、数字电路与逻辑设计、信号与系统等课程及其相关实验课程，还有电子工艺实习等课程，都为本学期的创新实验课程打下了基础，提供了理论与基本操作技术的支持，使得我们能够更好地完成创新实验。
同时创新实验课程融合了之前几门课程的学习成果并进行了实际操作的验证与创新，让我们对这些课程的理解更加深刻，更锻炼了动手能力，激发了学习兴趣。
实验相较之前更贴近企业、工厂、市场的需求，开阔了思维，拉近了我们高校学生与社会的距离。
也起到了引导学生从步入大学前的被动学习模式转变为大学生活中的自主创新学习模式[5]的作用。
随着科技的发展教育的改革，对实验教学提出了更高的要求，带来了许多新的问题与挑战。
对于电工电子实验教学来说：
①实验室场地、实验仪器、实验设备等硬件条件的限制，难以保障每个学生有足够的动手时间；②实验学时数少，实验元器件的限制，使得一些设计性的实验难以实施；③创新型实验的开展给实验室配置及实验教学师资等都带来了极大的挑战。
[1]我们信息学院的电工电子实验室配备了PCB制作流程中的热转印机、电钻及相关试剂购置了覆铜板，还引入了工厂中的流水作业台、SMT焊接技术、焊膏印刷技术，非常贴近工厂实际生产的模式，给学生实验提供了强大的硬件支撑。
本次实验中就使用了SMT焊接技术和焊膏印刷技术，大大的缩短了焊接的时间，提高了焊接的质量和效率，减少了元器件及PCB板的损失，节省了人力、物力、财力，更令学生接触到了行业中的新新技术，与时代接轨，与社会接轨。
（二）教学做“一体化”开放式实验教学
教学做“一体化”开放式实验教学是指：
由教师教授学生基础知识并指导学生独立完成一次电子产品的制作，是以学生为主体的教学模式，其中包括最初的产品功能的构想，实现电路的设计，既要考虑功能实现的效果，还要考虑组装时的难易程度，以及成本的控制，规模化成产的可能，还包括产品外观的设计，用户体验的考虑。
真正的贴近实际，实现完成电子产品设计的体验，深化所学的理论知识，开拓创新性思维，提高动手能力，为日后的专业发展打下坚实的基础，也减轻了企业的培训压力。
这种教学模式令学生充分了解了一个电子产品的诞生过程，使其日后能够更好地利用此次经验完成改造或创新。
（三）创新实践体系的构架
首先面临的问题就是师资队伍的建设。
指导教师最好是由具有一定专业素养，基础理论知识扎实，且学识渊博，拥有丰富实践经验的教师来担任。
也可以考虑由其他专业课老师担任，当然随着创新实践体系的改革与推广，相信会有更多的人对其感兴趣，并具有一定的实践经验与理论基础，例如其他专业教师或相应专业的高年级本科生、研究生等，届时也可在全校范围内选聘指导教师，扩充指导教师的队伍，避免只有一个指导教师，过度劳累、力不从心、照顾不全面的情况的出现。
令建设实验室也需要实验室管理人员，应由工程技术人员担任，主要负责实验室的日常管理、设备维护、教学准备、实验指导、以及协助指导教师指导实验等工作。
由于客观原因的限制，目前实验室管理人员以专业教师为主，具有一定专业素养责任心强的学生为辅这一形式比较可行。
另一个比较重要的就是实验设备的硬件支持，首先要有实验室场地，实验室的建造最好在比较安静的地方，有条件的话可以安装门禁系统，能够保证实验室的财产安全。
实验室中能够实现所需功能的相应设备也应一一购置，除实验台以外最基本的就是焊接技术中电烙铁、钳子（剥线钳等）、镊子、吸锡器、台式折叠带灯放大镜等小工具，有条件的话还可以购置大型一点的仪器，例如波峰焊设备等。
制作PCB板中最基本的设备是热转印机以及电钻，有条件的话还可以添置烘干机。
实验最后还需要调试，测试必备的设备万用表、示波器、信号发生器等。
当然还有一些必备的消耗品，例如松香、焊锡丝、焊膏、腐蚀液、镀锡液、热转印纸、砂纸、各型号的小钻头、油墨等。
除了这些，一些周边的小工具螺丝刀、美工刀、胶枪等也最好配备齐全。
进行实验必不可免的就要谈到实验环境与安全的问题，当然最理想的就是在实验室中进行实验，实验室中使用电器要注意用电安全，对于电烙铁一类加热的设备更要注意，要防止烫伤，还要防止电烙铁过高的温度融化周围物品或引燃易燃物等。
使用腐蚀液等试剂要避免与皮肤直接接触，使用镊子等辅助工具，由于腐蚀液会挥发出有害气体，味道刺鼻，因此要尽量在室外宽阔通风的地方进行试验。
对于使用实验室进行实验的学生须对其提出一系列要求。
实验过程中要注意的用电安全、安全使用设备、严格遵守指导教师提出的需要特别注意的实验步骤、掌握一定处理实验中突发状况的简单处理方法；还有要爱护实验设备、保持实验室卫生、实验完毕要将实验设备工具归位摆放整齐、不要浪费实验室的资源等。
站在发展的角度看，创新实践体系中如果能实现校企合作，将形成一个双赢的局面。
一方面能够解决与提升师生实际工程项目的能力，另一方面还可以为企业培养人才或提供好的项目等。
但其中还需要有许多细节问题需要考虑，这就需要师生、校方与企业多方共同努力，一步步解决面临的问题，克服重重困难，早日建立合作关系，实现双赢。
三、课程教学内容
本次实验最初的计划是由学生自主选题，设计物理电路及PCB电路，制作PCB板，自行购买元器件等，并利用实验室条件独立进行制作、焊接、组装、调试等实验，最终完成作品，实现最初设计的功能。
实验初期学生通过课下搜索相关资料，按照老师给出的要求选定一个题目，设计出物理电路，并自学AltiumDesigner软件，设计PCB电路进行模拟仿真实验，最终保留一个最佳的能够实现所需功能的PCB电路。
PCB电路的设计除了要考虑功能能够实现外，还要考虑各元器件的排布、对板子的利用率、规整程度、制作成本、以及最后与其外部保护壳相匹配的形状与大小。
但由于课时限制，因为PCB电路的设计这一部分对于学生来说难度较大，最后是由指导教师确定了一个统一的题目——MP3-FM音乐盒，并将其自己已经设计好的PCB电路提供给学生，再由学生继续进行后续的制作等。
（一）具体实验制作
实验第一步是进行PCB板的制作。
首先要在流水中对已裁剪好适当大小的单面覆铜板铜箔面进行打磨除掉表面污垢，注意打磨时要朝着一个方向轻轻打磨，不能来回或者任意方向随意打磨，只需将像带有油污的手印等的表面污垢除去即可，切忌大力过度打磨。
将设计好的PCB电路打印在热转印纸上，裁剪出适当形状，四边中要将窄边一侧多留出一公分的空白部分，把打磨好的覆铜板铜箔一面与热转印纸上有油墨一面相对，边框对其，用手捏住，多余的空白部分沿覆铜板的边仔细的向其反面折去，并使用两段长度约为三公分左右的透明胶把热转印纸固定在覆铜板上。
然后经由热转印机把电路图转印在覆铜板的铜箔面上，这个过程应注意放置粘上热转印纸的覆铜板时应该将有热转印纸一面朝上，包裹热转印纸的一边朝前，小心平稳的送入热转印机，一共要在热转印机中过两次，此时转印效果基本达到要求且节省时间，是最佳的转印次数。
转印结束后待覆铜板热度退去在由没有胶带一端向有胶带一端轻轻揭开，除去热转印纸。
检查铜箔面上的油墨线条是否完整，部分残缺处可对照电路图用炭笔补全。
接着将覆铜板放入腐蚀液中进行腐蚀，时间大约在十分钟左右，在腐蚀的差不多时可以用镊子夹出在清水中涤荡一下，观察其多余铜箔部分是否腐蚀完全，若还有连接着的地方稍稍控下水再放入腐蚀液中继续腐蚀，再快腐蚀好的阶段可以多次放入清水中观察但次数不可过多以免使试剂稀释浪费资源与时间。
腐蚀时间不可过长，若发现有断线，须重头再来。
接下来就是选择适当的钻头对PCB板进行打孔，打孔时左手扶住PCB板要放稳，右手控制钻头慢慢接近PCB板，移动PCB板使其需要打孔的地方对准钻头，右手控制操作杆令钻头快速击穿PCB板并还原到原来高度，打孔时一定要仔细观察、双手配合，切忌心急打偏，还有争取一次成功避免一次没打通再二次加工。
而后用砂纸打磨铜线处，除掉油墨，注意须边冲水便打磨。
接下来将打磨好的覆铜板放入镀锡液中镀锡，时间大概在5分钟左右，时间若太短会造成镀锡不均匀易氧化，最后清水洗涤后烘干即可。
第二部分是对元器件进行表面贴装及插装。
我们在贴装的时候采用了焊膏印刷技术，把制作好的PCB板对齐固定紧贴在有特殊网孔的钢板下，将焊膏涂抹在有网孔的部位，使用刮板把焊膏均匀的刮涂在网孔中及对应着下方PCB板的需要焊接的位置。
在刮焊膏的过程中力度要适中，力度过大会使焊膏透过网孔在钢板背面受挤压移位甚至粘连在一起；力度过小焊膏涂抹不均，会有空隙。
印刷完并取下一块板后，应当使用干净的抹布等清洁钢板挨着PCB板一面，擦除上边受挤压附着在背面的焊膏，否则会发生取板时PCB板粘在钢板上的尴尬情形，致使印刷失败。
接下来把相应元器件对照图纸按由小到大的顺序仔细的安放在焊膏上，部分元器件要注意正负极，芯片引脚密集要注意焊膏不能桥接在一起，必要时可以用牙签调整焊膏位置和用量。
然后把PCB板小心平稳的放入波峰焊仪器的抽屉中，这个过程可以同时焊很多板，提高了效率。
要注意焊接过程中尽量不要触碰仪器使其震动影响焊接质量，时间到后拉开放置PCB板的抽屉，冷却下来再取出PCB板检查各元器件是否有虚焊漏焊的地方，若存在此类问题使用手工焊接进行修整。
余下还有一个晶振一个电源开关、一块电池、一个喇叭、一根天线需要插装手工焊接，都是从无铜箔一面穿过孔洞进行插装的。
第三部分便是调试以及电路系统技术指标的测试了。
第四部分是最后的外观设计与装配。
我们是使用购买来的小音箱，对其塑料外壳进行打孔改造使得它能够满足我们自己制作出来的PCB板的安装。
其中小音箱中的喇叭也被我们利用与PCB板焊接在一起。
组装时，将PCB板对准音箱外壳上的孔径插装进去，电池则捋顺连接线后插在外壳中的另一边，天线绕在外壳中的四个固定柱上，用胶枪把PCB板固定在音箱壳中，最后扣上盖子拧好螺丝，MP3-FM音乐盒制作完成。
（二）电路系统技术指标测试
1.实验目的：
1）了解功率放大器主要技术指标的含义。
2）了解整机电路工作原理及应用。
3）掌握功率放大器技术指标的测试和计算方法。
2.实验原理及作用：
1）原理
功率放大器的种类很多，本实验用的是8002集成功率放大器电路，采用8脚塑料封装结构。
该电路在电源电压2.3V-5.2V范围内可正常工作，负载阻抗4Ω，失度10%时，声道输出功率典型值为3W，8002失真度小，输出电流（500mA），负载阻抗低（最低可至1.6Ω）。
该集成电路适用于MP3-FM播放器作音频功率放大器，以下参数及内容需要同学自己利用网络查询后填入。
①电路参数
②应用电路
③内部电路
④管脚排列
2）作用
音响系统中功率放大器是非常重要的设备，无论室内室外对声音响度的要求也就是对功率放大器输出功率的大小的要求。
功率放大器的作用就是将前置放大器的低电平信号进行放大，使信号的电压和功率放大到足以驱动扬声器发出声音。
对功率放大器的要求是：
有平直的频响、足够大的输出功率、足够的储备功率富余量、而且信噪比高，失真要小。
3.实验仪器和器材：
1）信号发生器2）示波器
3）直流稳压电源4）万用电表
4、8002功率放大器电路测试
1）8002功率放大器实验电路板（小音箱自带功放电路部分）
①静态电压的测量
工作电压5V时：
引线脚
1
2
3
4
5
6
7
8
电压（V）
0
1.91
1.91
1.98
1.94
3.78
0
1.93
②电压增益（Av）测量与计算：
根据8002应用电路，调节信号发生器使f=1KHzV=50mV，并把信号接到放大器的输入端，用示波器测量输出电压，要求输出波形不失真，计算电压增益Av。
③额定输出功率（Po）测量与计算：
信号发生器f=1KHz保持不变，接入8002放大器的输入端，输出端负载电阻RL=4Ω，调节信号发生器输出电压，用示波器观察输出波形，直到正负半周同时要出现削波时（信号不失真）,计算额定输出功率Po。
④最大输出功率（Pmax）的测量与计算：
条件及测试方法同上相同，在f=1KHz时改变信号发生器的输出电压，用示波器观察输出直到输出电压幅度不能在增加时（信号失真）,计算出最大输出功率Pmax.
⑤频率响应的测量：
信号发生器Vi=50mV保持不变，放大器的输出端负载电阻RL=4Ω，根据下表，改变信号发生器频率把结果记入表中，根据结果作出频率响应特性曲线（f—V、A）。
f（Hz）
输出（V）
L（dB）
⑥功率放大器输出电阻与阻尼系数的测量：
功率放大器输出端开路电压Uoo是功放内阻Zo与负载电阻RL所分压的，利用这一特点可测量功率放大器的输出电阻Zo。
方法是调节信号发生器使f=1KHzV=10m，首先测量出输出端开路电压Uoo。
再接上负载电阻RL=4Ω，再测出此时输出电压UoL：
Uoo
UoL
Z０（Ω）
Df
a、计算输出内阻（Zo）：
b、功率放大器阻尼系数Df：
式中Zo为规定的功率放大器额定负载阻抗（Ω）
信号噪声比N（db）：
信号噪声比所测噪声包括50Hz、100Hz交流声以及热噪声等。
测量方法为：
a、以额定输入电平1KHz信号馈入放大器输入端,在额定负载电阻RL上测量出额定输出电压Uo值。
b、把输入信号从放大器输入端取除，接入等效电阻Ri（应屏蔽）要求不严时，可将输入端短接，此时，在负载电阻RL上的噪声电压UN，
信号噪声比N由下式计算：
2）使用MP3-FM实习产品，在电路功能正常工作情况下测量：
（a）GPD2856集成电路各管脚对地电压
测试条件：
工作电压3.7V时
引线脚
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
电压V
3.07
3.58
0.01
1.47
1.49
1.47
0.34
3.24
3.07
0.02
0.02
0.02
2.92
2.60
2.74
3.06
（b）RDA5807集成电路各管脚对地电压
测试条件：
工作电压3.7V时
引线脚
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
电压V
2.95
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
2.71
3.06
1.53
3.03
0.07
0.08
0.1
0.01
3.03
2.98
（c）8002A集成电路各管脚对地电压
测试条件：
工作电压3.7V时
引线脚
1
2
3
4
5
6
7
8
电压V
0.01
1.68
1.68
1.79
1.70
3.56
0.11
1.84
（d）SDC脚对地电压
测试条件：
工作电压3.7V时
引线脚
1
2
3
4
5
6
7
8
电压V
0.07
2.09
2.68
3.01
2.62
0
1.62
0
四、电路组成及电路原理图
1、充电电路
充电电路主要有二极管、三极管、电阻、电容组成，电路原理利用了二极管单项导电性和正负压降实现对系统电路的保护，利用三极管开关特性实现对锂电池的充放电，利用电阻电容实现简单的电源稳压、滤波实现充电功能。
2、主控电路（MCU）
主控电路主要采用GPD2856芯片实现对SD卡、收音机的控制，该芯片是为帶有FM收音功能和LineIn功能的MP3播放器而設計，该MCU同时可实现把存在U盘的歌曲进行读取、数据的存储和音量、音效的调节控制。
3、SD卡电路
此部分电路主要实现与主控MCU之间的SPI通信，并通过电阻、电容进行稳压。
4、收音机电路
此电路采用RDA5807芯片实现FM收音功能，该芯片可实现从87.5MHz到108MHz之间搜寻电台，并可与MCU之间通过I2C协议进行通信。
5、功放电路
功放部分主要通过8002芯片实现，该芯片具有低功耗、高功率放大的功能。
电路原理图分为两大部分：
第一部分是充电电路，该部分电路原理简单，采用三极管开关特性实现；第二部分是由主控MCU控制的多个功能电路组成，具体工作原理如下：
本系统采用GPD2856芯片作为主控MCU,并将程序部分固化在芯片ROOM中，利用SPI协议与SD卡通信，实现MP3格式音乐播放；利用I2C协议实现与收音机芯片RDA5807的通信,控制收音机频率从87.5MHz—108.0MHz进行电台搜索。
另外系统通过主控芯片ADC（模数转换器）引脚进行电压采集，通过外围不同采样电阻实现不同功能和模式的切换，从而达到系统智能控制目的。
此外主控芯片具有掉电记忆功能（包括歌曲信息、音量大小、播放模式的记忆）和电台存储功能。
电台存储后可通过左右键进行电台切换，芯片本身就具有30級音量输出功能，同时通过外部芯片8002进行功率放大，实现了很好的音质播放效果。
注：
在没有记忆音量大小的情况下，此播放系统，重新接通电源后的音量大小为第24级，本系统电路结构经电路处理后声音效果是单声道。
1、电路原理图绘制
本系统电路原理图和PCB设计都采用AltiumDesigner软件进行，在原理图绘制中可利用软件自带的元件库进行绘制，若没有对应的元器件则需要自己动手绘制相应的期间原理图库，本次系统电路原理图设计过程中主控芯片、SD卡、收音机芯片、USB卡套、功放芯片、按键都需要自己绘制对应的原理图库文件，下面具体讲解主控芯片原理图绘制。
（1）GPD2856原理图库文件绘制
打开软件AltiumDesigner，新建PCB工程，并给工程添加对应的原理图和原理图库文件，点击【保存】，并将原理图库文件更名为“SD原理图.SchLib”,打开原理图库文件执行【放置】-【矩形】，将矩形放置在编辑面板零点处，将矩形调整至合适位置后按【Esc】退出编辑状态，其结果如图2所示，完成后点击【放置】-【引脚】，将器件对应的引脚进行放置于矩形框外（注：
放置引脚时，引脚起始点（带有X一端需在远离矩形框一边，如图3所示，且引脚电器属性都设置为Passive（无源）类型）依次放置完成16个引脚后，点击【工具】-【重命名器件】，将器件命名为GPD2856后点击【确定】退出，以上工作都完成后，需要进行一些优化和表明注释，此时执行【放置】-【文本框】即可打开注释添加窗口，将注释添加完成后放到适当的位置点击【保存】即完成了新元器件原理图库文件的绘制，最终结果如图1-3所示。
图1图2图3
图1-3所示
依次绘制完成相应的库文件后即可在原理图文件中设计电路原理图，系统最终原理图如图1-4所示。
图1-4MP3-FM播放器电路原理图
五、PCB设计
原理图绘制完成后即可进行PCB的绘制，打开在绘制原理图一节所新建的PCB工程中文件，并添加一个新的PCB文件和新的PCB库文件并点击【保存】,并将PCB库文件更名为“SDPCB.PcbLib”，此时需要给绘制完成的原理图库文件中的器件增加封装，打开PCB库文件执行【放置】-【线】，在放置过程中按下
【Tab】键，此时弹出线的属性面板，将导线层设置为TopOverlay层点击确定，此时即可在面板零点处绘制SD卡套PCB封装外观，外观形状和大小需要依据SD卡套的模样和具体规格进行设计（详细规格可查阅SD卡套技术文档查看），结果如图6所示，绘制完成后点击【放置】-【焊盘】，在放置过程中按下【Tab】键，打开焊盘属性面板，将焊盘属性中的层改为TopLayer层后点击确定，此时即可在SD卡边框处放置表贴焊盘（放置的位置和焊盘大小需要依据SD卡套实际引脚位置进行放置，详细规格请查阅SD卡套技术文档），其中焊盘大小、焊盘标识和网络连接都可在焊盘属性文档中设置，焊盘放置完成后即可利用简单的文本框进行注释，以便于查阅和修改，执行【放置】-【文本框】即可在文本框面板中设置注释信息，其结果如图7所示，绘制完成后点击【工具】-【器件属性】，在所打开的面板上找到【名字】并给器件重新命名后点击【确定】退出并保存所有文档。
图6图7
注：
在绘制原理图库或者PCB库文件中，器件绘制都应从零点处开始绘制，以避免器件移动时带来的难移动、不好选择器件等问题；有的器件引脚不与任何其它器件引脚相连，只为了起器件固定作用，此类引脚所有标识属性都建议删除或更改为0，以避免出现网络连接混乱出错的情况。
绘制完成后即可将库文件添加到软件中，在软件右下端找到【System】并点击，在【Sy
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