張 璞 劉寧艷 金印彬

西安交通大學電工電子教學實驗中心 陜西西安 710049

隨著電子技術的發(fā)展和進步，電子系統(tǒng)被廣泛應用于各行各業(yè)中，大到工廠的加工設備，小到生活中的智能電燈，都有電子系統(tǒng)的應用[1]。西安交通大學電氣工程學院自2001年起開設電子系統(tǒng)設計與實踐課程，旨在培養(yǎng)學生系統(tǒng)設計能力和實踐創(chuàng)新能力，并選用多功能電子學習機作為實驗平臺[2]。與許多高校的實驗平臺類似[3,4]，學習機采用一體化設計，學生上課時只需要簡單連幾根線就可以完成規(guī)定的驗證性實驗。雖然這類實驗箱使用方便，但也存在著許多問題，如不適合學生鍛煉硬件設計能力和開展系統(tǒng)設計實驗；無法升級換代；維修成本較高等。

為解決傳統(tǒng)學習機的問題，培養(yǎng)學生的綜合設計能力，電子系統(tǒng)設計與實踐課程組借鑒其他高校在同類課程硬件平臺的改革經驗[5-8]，結合課程教學目標和本專業(yè)學生特點，研制出電子系統(tǒng)模塊化實驗平臺，并基于該平臺開發(fā)了層次化的實驗項目。目前實驗平臺和相關實驗均已投入實踐教學中，取得了良好的效果。

1 模塊化實驗平臺

1.1 單元模塊

課程組在對常見電子系統(tǒng)功能分析的基礎上，劃分并設計了一系列功能獨立的單元模塊，包括C51模塊、STM32模塊、SRAM模塊、ADC0809模塊、DAC0832模塊、液晶模塊、ISD1760模塊和EPIC3模塊等，見表1。這些模塊共同構建了電子系統(tǒng)模塊化實驗平臺，作為學生掌握電子系統(tǒng)設計方法、開展電子系統(tǒng)綜合設計、鍛煉自主創(chuàng)新能力的實驗裝置。

表1 單元模塊列表

1.2 平臺架構

模塊化實驗平臺整體架構如圖1所示，學生根據實驗項目選擇單元模塊，通過扁平電纜或杜邦線將其連接，組合成所需的電子系統(tǒng)。模塊對外接口采用冗余設計，支持學生進行系統(tǒng)功能拓展。因此，實驗平臺既能滿足課程內實驗項目的教學需求，又便于學生進行自主創(chuàng)新。

圖1 模塊化實驗平臺整體架構

2 模塊化實驗平臺的優(yōu)點

模塊化實驗平臺具有靈活性、開放性、便攜性、可拓展性等顯著優(yōu)點。

2.1 靈活性

教師可以基于該平臺靈活開發(fā)多層次的實驗，如針對C51模塊的基礎實驗，包含多個模塊的系統(tǒng)實驗等。學生也可以根據個人情況靈活選取模塊進行系統(tǒng)設計，如選擇使用液晶屏模塊或者數碼管模塊來實現實驗項目的顯示要求。

2.2 開放性

模塊化實驗平臺中的各單元模塊相互獨立，可以靈活替換。隨著電子技術的發(fā)展，平臺可以不斷添加、刪減、更新模塊，構成一個可持續(xù)發(fā)展的開放性實驗系統(tǒng)。

2.3 便攜性

單元模塊體積較小，方便攜帶。模塊可使用USB電源直接供電，降低了對供電設備的要求。實驗室為學生提供平臺專用線纜和設計軟件，便于學生在課下調試。模塊化平臺突破了實驗場地的約束。無論是在宿舍或是自習教室，只需要一臺電腦和幾根線纜，學生就可以開展實驗。

2.4 可拓展性

實驗平臺預留了擴展接口，當學生覺得平臺中現有單元模塊無法滿足系統(tǒng)設計需求時，可以基于擴展接口研發(fā)新的模塊，以豐富電子系統(tǒng)的功能。相比傳統(tǒng)的實驗箱，實驗平臺不會由于自身模塊的品種和功能限制學生的創(chuàng)造能力，給予學生更多的設計自主權。

3 基于平臺的層次化實驗教學體系

《電子系統(tǒng)設計與實踐》課題組借鑒其他高校研究經驗[9,10]，將課程實驗項目劃分為基于單片機設計的基礎實驗、側重于功能模塊應用的綜合實驗、培養(yǎng)綜合設計能力的系統(tǒng)實驗以及鼓勵學生拓展思路并實踐的創(chuàng)新實驗，從而形成“基礎實驗—綜合實驗—系統(tǒng)實驗—創(chuàng)新實驗”四個層次遞進的實驗教學體系，如圖2所示。對于能力較強的學生，可以跳過基礎實驗和綜合實驗直接開始系統(tǒng)設計。

圖2 層次化實驗

基礎實驗和綜合實驗的目的是讓學生掌握設計方法，實驗內容由實驗原理講解、實驗步驟演示、樣例程序驗證、拓展設計四部分組成。前三部分實驗內容便于學生從零學起，讓他們盡快熟悉電子系統(tǒng)的設計方法，拓展設計則促進學生靈活運用所學設計方法。

系統(tǒng)實驗訓練學生將設計方法和技巧綜合應用于電子系統(tǒng)設計中。教師提供一些實用性強、新鮮有趣的設計題目，如電子鐘系統(tǒng)和網約車電子系統(tǒng)等，以此激發(fā)學生的學習興趣。學生分析設計題目后在模塊化平臺上設計、實現一個完整的電子系統(tǒng)。以電子鐘系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)從硬件上可以分為主控單元、按鍵輸入單元、溫度測量單元、實時時間日歷單元、顯示單元、語音單元六個部分。學生使用模塊化平臺中的C51模塊、多功能模塊1(集成了溫度傳感器、日歷時鐘芯片和按鍵矩陣等)、ISD1760模塊和液晶模塊即可完成系統(tǒng)硬件的構建，具體結構如圖3所示。學生在搭建好的系統(tǒng)上編寫、調試程序，最終實現一個可實時顯示時間、定時報溫報時的電子鐘。

圖3 電子鐘系統(tǒng)框圖

為促進學生創(chuàng)新能力的提升，教師鼓勵學生在給定設計題目的基礎上進行功能拓展和創(chuàng)新，也支持學生自行設計實驗題目并完成。這類實驗稱為創(chuàng)新實驗。如針對電子鐘系統(tǒng)，學生可以自行設計感光模塊，并通過模塊化平臺的擴展接口將它添加到電子鐘硬件電路中，從而實現一個可以根據光線動態(tài)調節(jié)亮度的智能電子鐘系統(tǒng)。較之系統(tǒng)實驗，創(chuàng)新實驗對于學生的軟硬件設計能力要求更高，因此學生選擇二者之一完成即可。

以上給出了基于電子系統(tǒng)模塊化實驗平臺開發(fā)的層次化實驗教學體系。該教學體系通過循序漸進的實驗模式，充分利用模塊化實驗平臺的特點，實現了從基礎教學到創(chuàng)新設計的無縫連接，對培養(yǎng)學生的電子系統(tǒng)綜合設計能力和實踐創(chuàng)新能力有極大的幫助。

4 實踐效果

基于模塊化平臺的電子系統(tǒng)綜合設計實驗選取我校電氣專業(yè)2005級35名學生進行了試點教學，所有學生都順利完成系統(tǒng)設計。如圖4所示，共有7組(15名)學生完成創(chuàng)新實驗，成績均高于90分。其中12名學生原本對系統(tǒng)設計并不了解，經過層次化的實驗訓練后，不但具備了系統(tǒng)綜合設計能力，而且拓展思路、積極創(chuàng)新，完成了類型多樣的設計作品，包括偏重于模擬電路的吉他綜合效果器，使用C51作為處理器的智能液晶數字電壓表，使用STM32處理器的語音出租車計價器等。

圖4 試點班實驗情況

5 結語

電子系統(tǒng)模塊化實驗平臺已在西安交通大學投入使用，取得了良好的教學效果。與傳統(tǒng)的實驗箱相比，模塊化實驗平臺提供多種功能齊全的單元模塊，具備靈活性、便攜性、開放性和可拓展性等顯著優(yōu)點，可以根據教學需求靈活構建電子系統(tǒng)，有利于教師開展豐富的教學實踐?；谠撈脚_開發(fā)的層次化實驗教學體系充分利用模塊化平臺的特點，通過循序漸進的實驗教學體系，幫助學生逐步掌握系統(tǒng)設計方法，鍛煉其綜合實踐能力，激發(fā)其工程創(chuàng)新意識，提高他們的自主創(chuàng)新能力。