基于应用对象的模块化开放式综合实验及其平台建设

２０１　１年第１１期　总第１２３期　中国观代　装备　ＩＳＳＮ１６７２．１４３８　ＣＮ１　１￣９９４／Ｔ　

姚缨英樊伟敏张伟　浙江大学电气工程学院浙江杭州３１００２７　

摘要：为进一步提高学生的动手能力和自主探究精神，开发并实施了“系统关联性、模块化、开放式综合实验”，实验　内容与一定的应用背景相关，体现了相关课程知识体系之间的系统关联性，并通过波形、声音、光、运动等可视化效果使　实验趣味化。其模块化的结构便于自主、开放地设计解决方案。　关键词：模块化；综合实验；自主创新　

Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｏｐｅｎ　ｉｎｔｅ￣ａｔｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｐｌａｔｆｏＩＴｆｌ　Ｙａｏ　Ｙｉｎｇｙｉｎｇ．Ｆａｎ　Ｗｅｉｍｉｎ．Ｚｈａｎｇ　Ｗ＿ｅｉ　Ｚｈｅｉｉｕｎｇ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕｎｇｚｈｏｕ，３　１　００２７，Ｃｈｉｎａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｅ￣ｌｏｒｉｎｇ　ｓｐｉｒｉｔ，ｄｅｖｅｌｏｐ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌａｔｅｄ，ｍｏｄｕｌａｒ，　ｏｐｅｎ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｈａｓ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｒｅｆｌｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｕｒｓｅｓ．１１１ｅ　ｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｇ　ｖｉｓｕａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｉｇｈｔ　ｂｅ　ｓｅｅｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｓｏｕｎｄ，ｌｉｇｈｔ，ｅｔｃ．１１１ｅ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ａｎｄ　ｏｐｅｎ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌａｒ；ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ；ｉｎｎｏｖｍｉｏｎ　ａｂｉｌｉｔｙ　

实践是检验基础知识点掌握程度的最好方式，也是　创新教育的最佳载体，因此，以工程应用为核心整合电　工电子系列实验课程，在复杂的应用背景下学习基本理　论和实验，容易构建知识间的关联关系，激发学生的学　习热情，提高发现问题和解决问题的能力，并进一步培　养学生的创新意识。　独立设课的电路、电子技术实验课程一般具有下　述几个特点：（１）实验内容常常是为了加深对理论的理　解，因此，各实验内容几乎毫无关联，目的性和趣味性不　明显。（２）依附理论知识的构建进程，自下而上，各环节　逐一进行。（３）电路、模拟电子技术、数字电子技术、　信号分析等课程的实验相互独立，自成体系。这样很容　易造成知识体系的碎片化和纸面化，也会造成一些基本　实验在各课程中的重复设置。因此很多同学或觉得实　验太简单，或认为枯燥无味，或因目的性不强而难以写　实验报告等。事实上，在掌握基本理论和基本实验技能　后，如果不设置综合训练，那么学生能力就无法得到提　升。但是，复杂的系统如果不经提炼和处理，直接让学　生来实践，也肯定起不到预期的作用。　为了改变这一状况，笔者对电类基础实验系列课　程进行了基于系统、基于复杂应用背景的教学改革探　索。第一，将“自下而上”组织实验内容，改成“功能　或系统目标驱动的由上带下”方式安排课程内容，在复　杂的应用背景下学习基础理论和实验。第二，由于实验　与应用背景有关，因此实验内容的选择、教学方法以及　相应的实验器材与设施，必须与之配套。第三，教学手　收稿日期：２０１１－０４．２４　作者简介：姚缨英，博士，教授。　２０１１年６月　段和考核的方式也随之变化。这样一些综合设计型实　验、工程应用型实验内容就可在低端实验课程中引入，　使学生体验到理论是实际的高度抽象和概念性演练，以　及知识的关联性，从而推动了学生自主实验研究和创新　研究的能力培养。　应该指出，开发基于应用或系统的综合实验是一个　系统工程，不仅包含应用问题的选取，还涉及配套硬件　平台的构建，实验内容的安排，实验方法和手段的应用，　以及实验教学管理是否合适等多个方面。从简单到复　杂、从基础到综合、从应用￣ＵＣ，Ｊ新设立多个层次的实　验内容。最后。在实验教学过程中实施启发式、研讨式　教学。实验过程按照模块化予以实施，实验室和实验教　学实行开放式管理，并与课程网站、虚拟实验系统、计　算机仿真实验系统等立体化的实验教学资源相配合，由　此构建一种自主、开放、研究、创新的学习氛围，才能　有效实现创新人才的培养。　

１　综合创新实验平台简介　为了使低年级的同学能够在复杂的应用背景下进　行自己的实验和设计，需要打造一个实验平台，该平台　应该具备开放性、补充性和兼容性。开放性是指当这　个系统中的某些功能模块被学生设计的电路模块替换　或增加某个功能电路模块时，系统功能能够照常发挥。　补充性是指系统中的某些模块作为预设的固有部件配　备，如，做电路原理实验时，单片机与键盘显示模块不可　能让学生来设计，需要作为类似仪器设备那样提供给学　生，因此，只要有该模块相应的原理和使用说明，就可以　

９　ＳＳＮ１６７２．１４３８　ＣＮ１１．４９９４／Ｔ　中国现代　装备　２０１　１年第１１期　总第

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正确地与客户模块拼接。兼容性则需要具备自检、保　护以及便捷的接口功能。　笔者仿照科学研究环境，研制了综合创新实验平　台，该平台由仪器控制屏和功能板卡库组成ｒ如图ｌ所　示）。仪器控制屏由直流电源、信号源、毫伏表、虚　拟仪器接口卡、示波器和计算机构成，功能板卡库包含　逻辑控制系列、信号处理系列、非电量电测系列、微　处理器系列、Ａ／Ｄ和Ｄ，Ａ转换系列、信号隔离与变换　系列、功率放大系列、测控技术系列、语音信号处理　系列、电能传输系列，共计２Ｏ多个基本电路模块。基于　该平台，将电路分析、模拟电路、数字电路、信号与系　统、测控技术等多门课程的实验教学有机结合，并包含　单片机和虚拟仪器的实验教学。　一　图１综合创新实验平台及部分电路板卡　综合创新平台可以满足以下３种层次实验的要求：　（１）选择合适的功能电路，组成目标系统进行功能　和参数测试。　（２）从原理设计，元器件选型，线路板绘制、制作、安装　到调试金过程地实现对以往单纯功能电路实验的替代。　（３）多位实验者合作完成一个系统的设计制作和调试。　学生的实验也可按３个阶段来实施：　第一阶段是实验者根据具体的实验要求，选择合适　的功能电路，依据各功能电路的技术参数，组成一个目　标系统，然后对目标系统进行功能和参数测试，最后完　成实验测试报告。　第二阶段由实验者自主设计和制作系统中的某一　功能电路。从原理设计，元器件选型，线路板绘制、制　作、安装、调试。实现对原有功能电路的替代。　通过实验第一阶段的训练，可以帮助学生建立一个　系统的概念。通过第二阶段的训练，可以给学生一个研　发的完整过程。这两个阶段的实验可以用最短的时间　达到最佳的实验效果。同时由学生开发的功能电路又　可以作为下一届学生的实验模块，通过几年的积累可以　为实验室积累起丰富的功能电路库。　第三阶段的训练为多位实验者合作完成一个系统　的设计制作和调试。首先由所有参加人员共同完成系　统的整体方案设计，然后进行功能划分，由每位实验学　生分别完成，完成的过程与第二阶段的训练相同。在这　一阶段，主要训练学生的团队合作精神和互相帮助作　风，体会共同解决问题的乐趣，分享经验教训。　１０　图２所示对象和板卡分别对应于“水箱温度液面　控制”“小车运动”等实验系列。该平台不仅可以进　行基于课程的各种层次实验，也可以服务于综合性课程　设计和学生的课外创新实践，通过自主选择功能电路模　块，构建个性化研究和探索的实验系统，有效地拓展开　放实践内涵，提升自主实践的层次。　

图２基于应用对象的综合实验　通过这种实验模式，可以极大地提高学生的实验　积极性。使学生从原来单纯地完成某个实验内容，到由　学生自主地确定实验方案，选配或制作不同的功能电路　板，再到一个完整的系统。这种实验模式具有很强的工　程背景和科研性质，提高了学生的实验兴趣，同时激发　学生的实验积极性和挑战精神。　

２　基于综合创新实验平台开发的模块化开　放式综合实验　

基于上述平台和实验模式，为二年级的学生开发了　与下述应用背景相关的模块化开放式综合实验。　２．１语音信号处理系统　（１）音频回放系统设计：设计时钟、ＤＡＣ、滤波　器、调音器，将预存在系统存储器中的语音回放出来。　（２）电子有源分频器设计：将ＭＰ３或收音机中播放　的语音，分成高、中、低音，分别通过三个Ｐ￣ｔ＂Ａ播放，要　求能够清晰地分辨出分频的效果。　（３）音频信号的放大和调节控制电路设计：将通过　麦克（或ＭＰ３或收音机）输入的模拟信号采集、放大，经　音调控制和功率放大，驱动音箱播放。　（４）音乐播放电路设计：通过上位机将二进制的音　乐文件存入可掉电保存的Ｆｌａｓｈ存储器，利用单片机Ｉ／Ｏ　口模拟ＳＰＩ通信来提取Ｆｌａｓｈ里的信息，同时经过ＤＡＣ转　化成模拟信号，经滤波器后在有源音箱上放出音乐。　（５）基于单片机的语音信号采集与回放系统设计：　通过话筒或其他媒介采集一段时间长度的模拟语音信　号，将其经ＡＤＣ数字化处理后存入单片机，完成一定的　

２０１１年６月　２０１１年第１１期　总第１２３期　中国砚代　孀袭备　ＳＳＮ１６７２—１４３８　ＣＮ１１

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处理后，再通过单片机输出￣ＩＪＤＡＣ转化为模拟信号通过　扬声器输出，回放原始的语音。　２．２有源器件应用系统　ｆ１１基本要求：基于带通滤波器、移相器以及加法器　设计的简易波形分解合成仪设计；基于负阻和回转器实　现的振荡器、混沌发生器、理想变压器或滤波器设计。　ｒ２）提高要求：基于混沌掩盖的保密通信电路设计。　２－３电能传输系统　（１）稳压电源系列设计：单路或双路直流稳压电源。　（２）无接触电能传输系统：重点设计分离式变压器　及其补偿电路，并在与系统其他部分，如高频逆变模块　等连接后，能够点亮灯泡或带动其他负载。　２．４小车运动系统　（１）单片机控制的变速往复运动实验。　（２）单片机控制的定速往复运动实验。　ｆ３）运动小车开关量虚拟仪器控制实验。　（４　运动小车虚拟仪器ＰＩＤ控制实验。　（５　运动小车虚拟仪器变速控制实验。　２．５水箱液位和温度控制系统　（１）水箱温度单片机ＰＩＤ控制实验。　ｆ２）水箱温度虚拟仪器ＰＩＤ控制实验。　（３）水箱温度开关量单片机控制。　ｆ４）水箱温度开关量虚拟仪器控制实验。　ｆ５）液位高度单片机ＰＩＤ控制实验。　（６１液位高度开关量单片机控制。　ｆ７）液位高度开关量虚拟仪器控制实验。　（８）液位高度模拟ＰＩＤ控制实验。　ｒ９）液位高度虚拟仪器ＰＩＤ控制实验。　２．６电子秤——单片机控制电子秤实验　综合性实验项目涉及多方面的基础理论和专业知　识，因此，若想顺利实施综合实验，获得良好的实验效果，　建立系统和功能模块的概念是必要的也是必需的，除此　之外，相关的工程背景、原理，特别是电路原理在不同　领域的应用应该易于同学掌握，因此编写适合于工程技　术使用的理论与实践相结合的教材以及综合实践指导　书是十分必要的。另外，还配备了可２４ｄｘ时开放的实验　室（强电实验除外）；丰富的参考资料以及网络在线答　疑等辅助措施。　在教学方法和考核方法上也做了配套改革。将教　学进程分成基本环节训练和综合实验专题两个阶段。　前面一个阶段，训练学生分析和设计特定的功能电路（ＬＬ　如，移相、匹配、滤波等）。后一阶段，推荐一些综合实践　选题，或同学自己拟题，引导他们用功能模块或补充自己　设计的模块拼合成一个预设功能的系统。为培养学生　的自主能力，基本环节训练，递交实验日志（３０％），而综合　２０１１年６月　实验专题则需要依次完成理论分析、设计仿真、电路　制作、现场测试、研究报告ｆ５０％），并结合答辩、创新性　以及其他综合能力（２０％）进行综合评价。　图３为电路实验课程中２００９级爱迪生班学生的作　品示例，其中，不少功能是学生自己添加的，比如，图３（ａ）　是两位同学在各自完成部分功能后，组合在一起而形成　的复杂功能语音信号处理系统。在红外检测中，只要求　寻线并表示与线的相对位置，但同学们无一例外地加入　了多功能数显，有一组同学利用单片机自编了音乐表　示黑线检测的相对位置，而另一组更是将黑白线的检测　扩展成了循迹功能，如图３（ｂ）所示。在非接触电能传输　系统综合实验中，原本是要求根据负载设计分离式变压　器，但是同学完成的作品，不仅包含完整的系统，还增加　了负载电压的数字显示，另外还设计了稳压环节，以确　保分离式变压器问距改变或输入功率改变时，负载有恒　定的输出。