“积木”式通信电子电路实验平台在教学中的应用_李然.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)“积木”式通信电子电路实验平台在教学中的应用李然，余萍，韩东升，贾惠彬，李星蓉（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）摘要：针对通信电子电路实验教学改革，改变传统固定电路板的验证性实验，注重培养学生自主设计实验能力和创新实践能力，提出并设计“积木”式通信电子电路实验平台。该实验平台以通信电子电路收发系统为主线，将各个功能电路设计成可供组合的“积木”单元，为学生提供分层次、差异化和个性化的实验任务，同时辅助平台应用构建全过程监控教学模式和过程评价体系，激发学生自主学习并在教师引导下自主开展实验，帮助学生深化系统概念的建立，提高电路分析能力和故障排除能力。关键词：通信电子电路实验；积木式；实验教学；全过程监控中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2022)36-0133-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：“通信电子电路实验”课程是普通高校通信、电子类专业的必修实践课程，它不仅使学生加深对通信电子电路基本理论知识的理解和认识，更重要的是培养学生的创新实践能力和建立系统工程概念1-3。因为实验中涉及大量的高频电路，所以学生普遍感觉课程难学、实验操作调试困难4-5。多年的教学实践表明，优化的实验内容设置和合理的实验方法不仅使学生对课堂教学的基本概念和基本理论得到反馈，还可有效培养学生的动手操作能力和科研能力。简单针对固定实验板或实验箱的验证性实验，及实验项目相对固定单一的实验模式，既不适应课程的特点，也无法使学生真正弄懂通信电子电路设计的内涵，对学生真正掌握课程知识的综合运用和实际工程应用存在明显的差距5-6。因此，根据课程特点，探索和研究可激发学生自主设计系统电路、拓展学生思维的实验内容和实验方法尤为重要。本文从提高学生开展设计性、综合性实验的积极性出发，提出“积木”式通信电子电路实验平台改革方案，将通信电子电路收发系统按功能细分为子模块电路，选择不同的子模块可组合成具有一定功能的通信系统。同时为保证实验教学质量，教学实践中对教学活动的全过程进行监控，引入“全过程监控”教学模式7-8和过程评价体系。该实验教学改革可促使学生将课程学习的抽象概念和实验任务紧密结合，帮助学生将课程学习的基本理论和工程实践有机结合，有效培养学生自主开展设计性、综合性实验的意识，真正实现以学生为中心的实验课堂。1“积木”式通信电子电路实验平台的设计传统的通信电子电路实验多为单个功能电路的验证性实验，如“高频小信号放大电路实验”“高频功率放大电路实验”和“中频放大电路实验”等，实验内容相对单一独立，较少考虑由单个功能电路拓展到整个通信电子电路收发系统的实现。因此，很难通过实验使学生熟悉通信电子电路收发系统的构成，做到理论知识学习与实验实施的有机融合，不能有效地发挥实验课对基本理论学习的反馈弥补作用。通过通信电子电路实验使学生自主完成收发系统的搭建，从而建立通信电子电路的系统整机概念，才能使学生真正掌握通信电子电路系统的基本内涵9-10。为在实验教学过程中充分体现学生的主体地位，真正引导学生自主学习，课程组对通信电子电路课程内容进行了梳理和凝练，其中涉及的功能模块电路包含滤波器、选频放大器、混频器、振荡器、调制与解调器、高频谐振功放、锁相环、频率合成器等，将每个功能模块制成独立电路作为“积木”式功能电路单元，在其上设置输入输出端口，以此替代传统的实验板，形成更加灵活的实验平台。将19个“积木”单元按功能和布局分布在五块实验板上，每块实验板都配备一个直流供电模块，系统结构框图如图1所示。图1中每个“积木”单元都可完成功能独立的基础性实验，通过基础实验操作，使学生熟悉每个“积木”单元电路的功能，并且和课堂学到的基本知识点建立联系，同时熟练仪器使用和电路调试测量方法，为通信电子电路收发系统的搭收稿日期：2022-04-15基金项目：2021年华北电力大学课程思政示范课；2022年华北电力大学教育教学改革立项项目“基于产教融合的 通信电子电路 线上线下混合式教学模式改革与实践”；2021年华北电力大学教育教学改革立项项目“以 一流专业 建设为抓手的通信工程专业人才培养与课改协同研究”作者简介：李然（1980），女，河北保定人，博士，讲师，主要从事高频电路、无线充电等研究。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.18,No.36,December2022133DOI:10.14004/ki.ckt.2022.2273本栏目责任编辑：王力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)建打下基础。图1中的每个“积木”单元都引出标准接口可和其他单元互联组合，将不同的“积木”单元按系统构成原理互联即可构建通信电子电路收发系统。“积木”单元电路的部分核心元件还设置一些空白，实验中学生需从更为基本的“积木”式元件库中选择合适的元件以搭建一完整的功能电路，如图2所示。学生通过自主梳理功能电路基本理论，完成核心元件的选择，进一步加深对基本电路的认识和理解，为后续的系统搭建实验做好充分的知识储备。图2“积木”式元件库2“积木”式通信电子电路实验平台的教学实践我校于2017年开始对通信电子电路实验课程进行改革，开展“积木”式通信电子电路实验平台的应用。在教学实施过程中，以通信电子电路收发系统构成为主线，按需灵活选择合适的电路模块“积木”搭建能实现相应功能的实用系统，实验任务由基本任务和系统综合设计任务构成，施行以必做任务为基础的任务不封顶实验制度。改革后的实验内容更具层次性，知识点覆盖面更为广泛，不仅有利于学生建立通信电子电路的大系统概念，加强学生对基本理论的理解，而且可有效激发学生自主学习的兴趣，构建灵活多样的通信电路系统，充分发挥学生潜能。新的实验模式在学生学习和教师教学方面较以往都有很大的改变，教学实践过程中都做了相应的改革。2.1“全过程监控”教学模式的构建由“积木”式通信电子电路实验平台开展的实验更具灵活性，传统的教师示范式的验证性实验模式不再适合，因此引入“全过程监控”的教学模式。教学过程是教师的“教”与学生的“学”两方面活动的一种特殊形式，是教学活动的启发、发展、变化和结束在时间上连续展开的程序结构11。教学全过程监控注重学生学习的过程，通过针对新的教学内容开展一种全新的学习方式，丰富和加强通信电子电路实验教学载体，实现提升学生自主实验能力的目的。全过程监控教学模式下，教师的“教”与学生的“学”不仅限于课堂，还包括课前和课后的相关活动，如图3所示。实验内容设置预习任务设置教学过程设计完成预习任务撰写预习报告“教”“学”实验操作实验结果记录实验环境讲解实验要求分析实验指导与验收实验验收总结实验报告批改实验问题分析实验结果分析实验过程总结课前课中课后图3 实验“全过程监控”教学模式框架由图3可知，教学全过程监控框架下，教学贯穿于课前预习、课中实验和课后的结果整理全过程，因此为实现有效的过程监控，除了常规的实验操作过程指导，将“课堂派”等现代化教学平台引入实验教学中12-13。课前预习阶段教师通过平台发布预习任务和练习，根据学生的完成情况，集中针对共性问题做进一步的指导。学生通过平台和指导教师进行一对一交流，解决预习过程中遇到的困惑和难点，保证实验操作的顺利进行。教学平台引入的多种交互方式，打破了实验课时间和空间的限制，避免了传统模式下进入实验室才能修正实验方案的问题，及时解决了学生的预习疑难。“积木”式通信电子电路实验平台小信号调谐电路模块1、单调谐放大单元2、双调谐放大单元3、检波单元4、串/并联谐振回路特性测试单元c振荡电路模块1、晶体振荡单元2、LC振荡单元3、音频放大电路单元功放、调幅/解调模块1、C类功放/基极调幅单元2、包络检波单元3、乘法器调幅单元4、乘法器解调单元锁相、调频/解调模块1、变容二极管调频电路单元2、斜率/相位鉴频单元3、频率合成/调频单元4、锁相鉴频单元混频/中放电路模块1、三极管混频单元2、集成混频单元3、中频放大单元4、自动增益控制电路单元图1“积木”式通信电子电路实验平台构成框图134信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)实验课程中，指导教师集中介绍实验任务、实验形式和基本要求之后，学生将预习阶段与教师沟通或小组协商制定的实验步骤和实验方案交由指导教师审核，审核合格的实验小组方可领取“积木”式通信电子电路实验平台开展实验。实验操作过程中，学生自主学习实验仪器的使用和“积木”实体电路模块的调试，指导教师对实验进度做总体把握，不干预学生具体操作，将传统被动实验模式转变为主动实验模式。学生在操作中遇到的电路调试和测试问题可向指导教师咨询，教师给予指导和提示。学生除完成独立“积木”单元的实验，还需自主将“积木”单元组合成通信电子电路收发系统形成最终结果。独立“积木”单元实验和综合性系统实验都经由指导教师验收后，给出评价，以备最终的实验评定参考。实验结束后，学生整理实验数据，分析实验结果绘制曲线，并做实验过程总结，撰写一份完整的实验报告。教师综合验收结果和实验报告质量给出学生个体评价，并对实验共性问题分析总结形成下届学生实验任务布置的储备资料。“全过程监控”的教学模式，教学活动不仅仅局限于实验室，而是将教学平台指导、操作面对面指导和课后评价总结紧密结合起来，形成一个闭合环，大大提高了实验效率，明显改善了实验效果，避免了传统实验过程中学生被动实验，进度慢，效率低的问题。2.2过程评价体系的构建配合“积木”式通信电子电路实验平台实行任务上不封顶的实验模式，并对应“全过程监控”的教学模式，对学生的评价体系由单一的实验报告结果考评向实验全过程评价的模式转变，如表1所示。（1）课前预习学生进入实验室前，教师通过教学平台发布实验安排、实验内容、实验指导、预习要求和实验操作思考题等相关资料。学生通过自主学习完成预习题目解答和预习报告，并按要求将结果提交到平台，教师通过分析学生答题情况和预习报告的实验计划制定给出实验预习成绩。通过平台教师和学生之间可实现一对一的指导，帮助学生做好进入实验室前的准备工作，确保后续实验过程的有效开展。表1 实验成绩评定表评价项目实验预习实验过程评价内容1预习任务完成情况2实验方案、实验步骤制定3实验仪器的选择，电路仪器连接框图的绘制1规范、合理使用仪器2电路调试、故障排除能力3实验数据是否合理并做简单分析4实验任务量权值3432323成绩比例20%40%实验考试实验报告撰写1故障排除能力2收发系统整机连接是否正确1实验数据整理，表格、曲线的绘制2实验数据的分析3实验问题解答4实验总结、实验心得64332220%20%（2）实验过程依照课前制定好并由指导教师审核的预习报告，学生自主选择“积木”单元和元件库中的元件搭建实验电路，完成一个独立功能的电路即可向指导教师提出对该功能电路的验收，教师根据电路连接、实验操作和结果记录给出成绩。该过程中特别强调学生对实验电路故障的排查能力，由实验电路自身故障导致的结果偏差，若学生能给出导致偏差的原因则不会影响实验成绩，并且可依照故障排查能力适当加分。这样可有效避免学生过分追求和理论结果的一致性，提高学生解决实际工程问题的能力。除了搭建实验电路完成测试，由“积木”单元构成无线收发整机系统后，还增加了实验考试环节。实验考试采用考试机，考核主要包括两个方面：一是由学生独立操作将和硬件实体“积木”单元基本一致的模块组成系统，以此