摘要：电工电子课程是电学类专业的一门重要的专业基础课程，其中实验教学在培养学生的基本动手能力和基本专业知识方面起着较为重要的作用，学生能否扎实地掌握电工电子线路的基本理论和分析方法，在此基础上完成电路设计对学习后续课程、毕业后从事该领域工作起着重要影响。在应用型人才培养中，对培养学生的实践技能、创新能力和综合运用能力提出了更高的要求，很多院校对此进行了多方尝试，学者们从教学体系构建、实验装置研制、实验课程改革和实验教学改革等方面进行了深入探索，纷纷提出了各种设计思路和改革措施。其中，“主题实验”教学模式、“分级”教学模式、开放实验室等教学理念特别值得结合本校实验资源和实际情况进行深入细化和研究。
关键词：电工电子技术；实验设计；插件系统；实践能力
引言
本文利用模块化的工业插件系统对电工电子实验课程进行了全新尝试，设计的“主题组实验”以系统实验为主线，以促进学生实践能力和创新能力为目标，充分调动学生学习积极性，构建以基础验证能力、测试总结能力、综合应用能力三个层次的实验教学体系。实践表明，学生对一个“主题组实验”从多角度、多种方法来理解和掌握实验原理，经过认真思考后完成仿真、搭接和制作，这无疑大大提高了实验课程的效果。
1.实验平台设计
工业插件系统将电工电子实验课程划分为各主题组，帮助学生达成更高的学习目标。模块化的实验系统的优势在于，可以根据教师和学生的需要，选择相应的主题，由浅入深进行电路测试，学生通过总结得出运行原理。工业插件系统由插件元件、插座面板、AC/DC电源、函数发生器、桥接插头、连接引线、示波器和万用表等组成。其中插件元件有两端子和四端子两种，由透明外壳、可拆分前面板、长使用寿命的插头构成，方便学生观察元件实物，损坏时也可以轻松更换，前面板上有电气标识符号，方便学生进行电路搭建和测量；插座面板用于清晰地排列电路，拥有24块对称排列的插座区域，每个插座包含9个电气互连的4mm插座，可以使用不同尺寸的插件元件，兼容的引脚间距有19mm、50mm和100mm，接触阻抗小于5×10-3欧姆，允许通过电流最大为10A；AC/DC电源可调和稳压输出交流和直流电压，交流和直流电压输出电气隔离，具有过载、短路等保护功能；函数发生器产生正弦、三角、方波、DC四种信号，方波信号占空比10%至90%，频率范围为1Hz至200kHz，输出0至20V连续可调电压；桥接插头引脚间距为19mm，用于将不同插座区域连接到一起；连接引线分成红色、黑色和蓝色，拥有1mm2截面积线缆，用于电路的连接。针对不同的“主题组实验”，需要配备不同套件，每个套件包括各种所需的电子电路元器件、开关、负载等。本实验系统灵活性很高，特别适用于学生的自主学习和综合型电路设计。插件元件可以快速安装，与插件板良好接触；每个插件含独立部件，可以逐步组装和分立组合电路，电路中的每个点都可以测量，这样有利于将电路研究和分析得更加透彻；在插件系统中的所有元件都是互相兼容的，可以通过增加独立插件单元进行拓展，既可以增加单个元件，也可以增加额外套件，满足各种不同需要。
2.实验任务设计举例
本文以“多谐振荡器电路”为例，详细介绍该主题电路实验的递进过程，在总结出电路原理的基础上，通过电路仿真、电路实际搭建、电路焊接调试三个阶段的学习，力求让学生循序渐进的认识和掌握多谐振荡器的工作原理和应用。
2.1晶体管的开关特性
测试电路图如图1所示，当开关S1不操作时，测量电流IC和电压UCE；闭合开关S1，测量电流IC、IB和电压UCE，学生得到测试数据（开关S1断开，CI0≈µA，15UVCE=；开关S1闭合，CI10.12=mA，0.95BImA=，0.047UVCE=），通过对比总结出结论：开关S1可以触发晶体管导通，晶体管“导通”意味着开关闭合，晶体管“不导通”意味着开关断开。
2.2双稳态多谐振荡器
测试电路如图2所示，用灯H1、H2显示导通状态，通过按下开关S1、S2观察两盏灯的状态。学生通过观察总结出结论：该电路处于“翻转”状态，按下S1和S2，灯H2和H1交替亮起，两个晶体管开关彼此静态耦合，双稳态多谐振荡器适用于开关内存，可以存储1个数据位。
2.3稳定的多谐振荡器
测试电路如图3所示，观察灯H1、H2的状态，当电容C1、C2大小改变时，观察电路发生的变化。学生通过观察总结出结论：该电路通过C1和C2充放电实现两个灯的交替闪烁，C1和C2的大小直接影响时间常数，表现出闪烁频率不同。电路搭建实物图如图7所示。用示波器观测电压V（测1量点01和地之间的电压）、电压V2（测量点02和地之间的电压）和电压V3（测量点B2和地之间的电压），如图8所示，实验表明只要V3小于1.4V，V2就会保持不导通状态，只有当基极电压达到1.4V时，V2导通。
2.4定时器构成的多谐振荡器
555定时器的应用十分广泛，其中可以构成简单的多谐振荡器。定时器内部包括一个分压器、两个运算放大器和一个RS触发器。两个运算放大器在定时器中作为电压比较器工作：如果在输入端超过特定阈值，则改变输出电压值；通过分压器获得阈值。该分压器由三个大致相等的电阻组成，分压器在上面的运算放大器的反相输入端产生2/3UB，在下面运算放大器的正相输入端产生1/3UB。两个比较器的输出连接到RS触发器。PIN2和PIN6构成定时器的主要输入。PIN2称为触发输入，PIN6称为阈值输入。PIN3是实际的电路输出。此外，定时器在PIN7处有一个额外的输出，具有与PIN3相反的相位，PIN7特别用于多谐振荡器电路中，用于外部电容器的放电。RS触发器也可以通过PIN4从外部复位。PIN5位于上部两个分压电阻之间，同时与上面运算放大器的反相输入端连接，此输入也称为控制输入，通常在PIN5和地（PIN1）之间连接一个电容器，这是为了防止两个运算放大器的阈值电压值在电压骤降或工作电压变化的情况下改变。PIN8提供定时器的工作电压。
结论
简而言之，在“层次化，阶梯式”的教学模式下，将实验内容分成基础验证型、测试总结型、综合应用型三个层次，并利用工业插件系统将电工电子课程中的测试总结型实验进行了系统性设计，以多谐振荡器为例，详细介绍了“主题组实验”过程。实践表明，模块化的实验平台非常适合应用于更高阶段的电路知识学习，提高学生的实践能力和创新能力。循序渐进的实验设计和电路仿真、电路搭建、焊接调试的综合应用对进一步消化吸收理论知识具有高效的促进作用。
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论文作者:慕玲
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/25
标签：电路论文; 电压论文; 多谐振荡器论文; 插件论文; 运算放大器论文; 定时器论文; 学生论文; 《基层建设》2019年第20期论文;