開放式電子工程訓練教學實踐與研究
摘要：開放式電子工程訓練是培養學生工程實踐能力的一種教學模式，其根本目的在於增強學生的工程製造能力和實踐經驗。本文結合我校機電實習中心開展開放式電子工程訓練的現狀，介紹了實踐教學改革的情況。實踐證明，開展以典型的、綜合的工程專案和產品為教學平臺的開放式電子工程訓練，不僅可以更加有效地利用實驗室資源，而且有利於培養學生運用綜合知識獨立解決實際問題的能力，是值得推廣的實踐教學模式。
關鍵詞：電子工程訓練；工程製造能力；開放實驗
我國科技創新型的經濟發展模式和現代科學技術的發展，需要大量具有創新精神、掌握現代專業技術知識，並能靈活運用專業知識解決工程實際問題、具有工程製造能力和素質的專業人才。因此，改革舊的實驗教學模式，構建培養工程科技人才的教學模式勢在必行。高等工程教育由於強化了工程實踐訓練和案例教育，是造就工程科技人才的有效途徑，也是高校本科實踐教育必不可少的重要環節。[1，2]近年來，我校在實踐教學環節進行了一系列的改革和創新，其中機電實習中心進行了開放式電子工程訓練教學的嘗試，並取得了很好的效果。
一、開放式電子工程訓練教學模式的構建
開放式電子工程訓練以培養學生工程製造與創新能力為教學目地，使學生在本科期間積累一定的工程製造經驗，培養工程實踐素質。開放式教學模式採取：（1）內容開放，即規定的教學內容與自選內容相結合；（2）時間開放，即學生可靈活選擇課餘時間參與工程訓練；（3）教學方式開放，採用教師重點講解與自學相結合、以及輔導與研討結合的教學方法。此外，開放式教學將採用多媒體、網路、動畫、影象等技術，以增強工程訓練的教學效果。
內容是工程訓練的靈魂。選擇能滿足市場需要的實用性工程專案和產品、引進科研專案、培養電子產品研發的基本技能等，都可以作為開放式電子工程訓練的內容。在我校開展開放式工程訓練的過程中，設定了豐富的訓練題目，如：印刷電路板（PCB）的製作、電子產品的安裝和除錯、微控制器多種訊號發生器的製作、微控制器溫、溼度控制器的製作、可編程式控制器聯網應用實踐、可編程式控制器與組態軟體相結合的組態監控綜合應用、智慧車控制、交流電動機自動控制系統等等。這些訓練內容涵蓋了電子工程訓練的大部分內容，既有基礎性的技能訓練，也有提高性的創新訓練，有的還結合了電子、電工、控制等綜合知識的應用，適合不同層次的學生根據自身的特點選作。
三、開放式電子工程訓練的教學方法
傳統的實踐教學方法是教師系統講解實驗原理，詳細安排實驗方法和步驟，學生按照固定的模式去做。這樣不僅耗費大量的時間，而且缺少學生獨立思考和設計的環節，不利於調動學生的積極性，實驗的效果也不好。
在開放式電子工程訓練的教學實踐中，我們逐步改變了以往的教學方法。例如：在繪製印製電路板、製作微控制器應用電路實驗板和開發板的電子工程訓練中，為了充分發揮學生的創新意識和科研能力，我們採用以學生為主體，教師只起輔助的指導作用。具體而言，學生可以參考視訊軟體、網路資料和相關書籍來學習設計印製電路板和微控制器應用電路板的製作步驟和操作方法。教師則可根據需要採用多媒體課件講解protel99等繪圖軟體的使用方法、微控制器硬體電路的知識、C語言的程式設計方法、killc51整合開發軟體的應用等，並引導學生根據訓練內容的需要主動學習各種基本技能，解決微控制器應用電路板設計、安裝、除錯過程中容易出現的問題。在微控制器應用電路設計環節，學生則可以根據個人的興趣和用途，採用不同的微控制器晶片獨立進行設計，並完成實驗板的製作、除錯。這樣，才能使學生的創新思維和個性得到充分發展，培養學生創新意識和實際動手能力。
四、開放式電子工程訓練典型案例介紹
由於開放式電子工程訓練一般都是貼近工程實際的訓練專案，因此涉及到的知識領域也非常廣泛，要在有限的時間內完成這些內容，需要採取有效的教學組織。以“微控制器應用電路實驗板的製作”為例，這項訓練包括以下幾個主要環節：繪製電路原理圖和印製電路板圖（PCB圖）、製作印製電路板、安裝和焊接電路板、除錯軟硬體等。
1.微控制器應用電路的設計
通常情況下，參與“微控制器應用電路實驗板的製作”工程訓練的學生在此之前並沒有系統學習過微控制器的知識，因此在該環節的教學組織中以教師講解微控制器應用電路原理和元器件知識為主，學生藉助視訊教學課件、網路教材，以及相關教材自主學習為輔，並且通過實踐製作逐步應用和理解微控制器的知識。在上述理論和實踐的基礎上，要求學生能夠發揮主觀能動性，自主設計出具有某些特定功能的微控制器應用電路。在這個從理論到實踐、實踐到認識、再從認識回到實踐的學習過程中，培養了學生的自學能力和利用專業知識解決實際問題的興趣，從而為創新能力的培養奠定了基礎。
2.印製電路板圖的製作
（1）繪製微控制器應用電路原理圖。應用繪圖軟體繪製微控制器應用電路原理圖、印製電路板圖，是進行電子產品開發必備的基本技能，也是需要經過多次實踐才能掌握的一項技術。其基本步驟為：1）學生通過自學掌握繪圖軟體的功能和基本用法；2）利用原理圖元件庫編輯器製作元件；3）編輯元件引數；4）掌握在原理圖中放置元件、佈線的方法和要求；5）用表格編輯器檢查元件的屬性遺漏；6）對原理圖進行電氣法則測試；7）教師講解原理圖的編輯和調整、元器件的封裝等步驟，用具體例項來講解電路圖常見錯誤，以儘可能減少原理圖中出現的錯誤：如漏畫導線和元件、元件引數不全、導線沒有連通等，最終形成完好的微控制器應用電路原理圖。這一環節需要參與的學生既要有專業知識做基礎，也要有對待工程設計一絲不苟的責任心，才能圓滿完成設計任務。
（2）繪製印製電路板圖。在印製電路板圖的繪製過程中，首先需要利用protel繪製軟體的網路表和自動佈局功能將疊加的元件分開，並手工調整元件的位置，使電路板整體佈局合理；然後再利用自動佈線功能佈置導線的寬度、焊盤的尺寸、通孔孔徑等。具體來講，繪製印製電路板圖的一般原則為：1）元間放置位置要緊湊、距離要短、元件間連線儘量短、儘可能縮小印製電路板的尺寸；2）導線間距大於4mil；3）電源線、地線儘量要粗，以提高電路板帶負載的能力；4）焊盤儘量大，採用橢圓型焊盤，防止鑽孔時損壞焊盤；5）導線與焊盤間距離應儘量拉大，以防止產生干擾訊號。
在工程訓練專案中，學生獨立製作的微控制器應用電路印製電路板圖如圖1所示。通過印製電路板的製作，學生還可以學習掌握轉印機、雕刻機、高速視訊鑽等裝置的使用方法，進一步瞭解印製電路板的製作工藝方法和過程。顯然，瞭解現代電子工業的新技術、新工藝、新裝置等，也是積累工程製造經驗的過程。
3.微控制器應用電路實驗板的製作
（1）元器件的選擇。微控制器應用電路實驗板是集程式設計器、模擬器、ISP下載線、實驗電路為一體的電路板，它利用微控制器自身的資源，外加電源電路、時鐘電路、復位電路，構成微控制器應用系統。本次工程訓練中，微控制器採用應用廣泛的AT89S52晶片（相容STC89C系列晶片），與其他電路包括RS232序列通訊介面、數碼管顯示、LED顯示、蜂鳴器、中斷控制、繼電器控制等，共同構成了微控制器應用電路。在此基礎上，學生可以根據控制需要選擇加微控制器片外儲存器RAM（6264）、ROM（2764），來擴充套件微控制器儲存空間；或者加模數轉換晶片（ADC0804）和數模轉換晶片（DAC0800），來實現直流電動機的調速控制等。
（2）電路板的安裝。元器件選定之後，學生就可以自行安裝並焊接電路板。在此環節要注意：1）焊接之前，應檢測印製電路板，防止出現斷路、短路、焊盤脫落的問題，以減少故障；2）電路板焊接重點是整合晶片，其管腳易出現焊接短路的故障，因此要提前練習焊接晶片管腳；3）焊接完成後，要用數字萬用表檢查焊點之間有無短路故障，以確保電路板的焊接質量。焊接好的微控制器實驗板如圖2所示。
（3）聯機除錯。微控制器應用電路實驗板硬體部分製作完成以後，需要對其進行軟體程式設計並進行除錯以實現特定的功能。步驟如下：1）將通訊電纜接入裝有kill C51整合開發軟體的PC機串列埠和微控制器電路板串列埠；2）為實驗板接入9V直流電源；3）使用數字示波器檢測硬體電路各點訊號（如復位訊號、時鐘訊號、I/O輸出訊號）；4）用C語言編寫源程式；5）使用kill C51整合開發軟體內嵌的模擬除錯軟體進行模擬模擬；6）將除錯好的源程式燒錄到微控制器內，在實驗板上實現輸入輸出實驗。
通過反覆的除錯，學生能夠掌握源程式的編輯、編譯、模擬、線上下載、線上除錯方法和過程，並且學會自行解決除錯過程中經常出現的錯誤，最終實現微控制器應有的功能，圓滿完成工程訓練的任務。
五、教學改革效果
實踐證明，開放式工程訓練在高校創新人才培養過程中所發揮的作用是十分重要的。通過典型工程專案和電子產品製作工程訓練，學生的工程製作能力不僅有了顯著的提高，而且可以通過自主學習實現創新型專案的開發，進一步培養綜合素質和創新能力。我校參加過電子工程訓練的學生在電子設計大賽中已經初步展現了自己的工程實踐能力，取得了很好的成績。此外，開放式電子工程訓練也為實踐教學積累了寶貴的經驗，有利於提高實踐教學的效果，由此引發的實踐教學模式的改革將更加適合現代人才的培養要求。
參考文獻：
[1]韓芝俠,脫慧,饒漢文,等.電子工藝實習教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2007,2611:108-111.
[2]王璐,楊明.電工電子學開放實驗的改革與探索[J].中國電力教育,2010,36:130-131.
[3]王濤,鍾穗東,張漢平,等.大學生開放實驗教學的探索與研究[J].中國現代教育裝備,2010,13:125-127.
[4]宋鳳蓮,巫世晶,劉梅清.自主創新工程訓練教學模式的構建[J].實驗室研究與探索,2008,272:113-115.
關鍵詞：電子工程訓練；工程製造能力；開放實驗
我國科技創新型的經濟發展模式和現代科學技術的發展，需要大量具有創新精神、掌握現代專業技術知識，並能靈活運用專業知識解決工程實際問題、具有工程製造能力和素質的專業人才。因此，改革舊的實驗教學模式，構建培養工程科技人才的教學模式勢在必行。高等工程教育由於強化了工程實踐訓練和案例教育，是造就工程科技人才的有效途徑，也是高校本科實踐教育必不可少的重要環節。[1，2]近年來，我校在實踐教學環節進行了一系列的改革和創新，其中機電實習中心進行了開放式電子工程訓練教學的嘗試，並取得了很好的效果。
一、開放式電子工程訓練教學模式的構建
開放式電子工程訓練以培養學生工程製造與創新能力為教學目地，使學生在本科期間積累一定的工程製造經驗，培養工程實踐素質。開放式教學模式採取：（1）內容開放，即規定的教學內容與自選內容相結合；（2）時間開放，即學生可靈活選擇課餘時間參與工程訓練；（3）教學方式開放，採用教師重點講解與自學相結合、以及輔導與研討結合的教學方法。此外，開放式教學將採用多媒體、網路、動畫、影象等技術，以增強工程訓練的教學效果。
內容是工程訓練的靈魂。選擇能滿足市場需要的實用性工程專案和產品、引進科研專案、培養電子產品研發的基本技能等，都可以作為開放式電子工程訓練的內容。在我校開展開放式工程訓練的過程中，設定了豐富的訓練題目，如：印刷電路板（PCB）的製作、電子產品的安裝和除錯、微控制器多種訊號發生器的製作、微控制器溫、溼度控制器的製作、可編程式控制器聯網應用實踐、可編程式控制器與組態軟體相結合的組態監控綜合應用、智慧車控制、交流電動機自動控制系統等等。這些訓練內容涵蓋了電子工程訓練的大部分內容，既有基礎性的技能訓練，也有提高性的創新訓練，有的還結合了電子、電工、控制等綜合知識的應用，適合不同層次的學生根據自身的特點選作。
三、開放式電子工程訓練的教學方法
傳統的實踐教學方法是教師系統講解實驗原理，詳細安排實驗方法和步驟，學生按照固定的模式去做。這樣不僅耗費大量的時間，而且缺少學生獨立思考和設計的環節，不利於調動學生的積極性，實驗的效果也不好。
在開放式電子工程訓練的教學實踐中，我們逐步改變了以往的教學方法。例如：在繪製印製電路板、製作微控制器應用電路實驗板和開發板的電子工程訓練中，為了充分發揮學生的創新意識和科研能力，我們採用以學生為主體，教師只起輔助的指導作用。具體而言，學生可以參考視訊軟體、網路資料和相關書籍來學習設計印製電路板和微控制器應用電路板的製作步驟和操作方法。教師則可根據需要採用多媒體課件講解protel99等繪圖軟體的使用方法、微控制器硬體電路的知識、C語言的程式設計方法、killc51整合開發軟體的應用等，並引導學生根據訓練內容的需要主動學習各種基本技能，解決微控制器應用電路板設計、安裝、除錯過程中容易出現的問題。在微控制器應用電路設計環節，學生則可以根據個人的興趣和用途，採用不同的微控制器晶片獨立進行設計，並完成實驗板的製作、除錯。這樣，才能使學生的創新思維和個性得到充分發展，培養學生創新意識和實際動手能力。
四、開放式電子工程訓練典型案例介紹
由於開放式電子工程訓練一般都是貼近工程實際的訓練專案，因此涉及到的知識領域也非常廣泛，要在有限的時間內完成這些內容，需要採取有效的教學組織。以“微控制器應用電路實驗板的製作”為例，這項訓練包括以下幾個主要環節：繪製電路原理圖和印製電路板圖（PCB圖）、製作印製電路板、安裝和焊接電路板、除錯軟硬體等。
1.微控制器應用電路的設計
通常情況下，參與“微控制器應用電路實驗板的製作”工程訓練的學生在此之前並沒有系統學習過微控制器的知識，因此在該環節的教學組織中以教師講解微控制器應用電路原理和元器件知識為主，學生藉助視訊教學課件、網路教材，以及相關教材自主學習為輔，並且通過實踐製作逐步應用和理解微控制器的知識。在上述理論和實踐的基礎上，要求學生能夠發揮主觀能動性，自主設計出具有某些特定功能的微控制器應用電路。在這個從理論到實踐、實踐到認識、再從認識回到實踐的學習過程中，培養了學生的自學能力和利用專業知識解決實際問題的興趣，從而為創新能力的培養奠定了基礎。
2.印製電路板圖的製作
（1）繪製微控制器應用電路原理圖。應用繪圖軟體繪製微控制器應用電路原理圖、印製電路板圖，是進行電子產品開發必備的基本技能，也是需要經過多次實踐才能掌握的一項技術。其基本步驟為：1）學生通過自學掌握繪圖軟體的功能和基本用法；2）利用原理圖元件庫編輯器製作元件；3）編輯元件引數；4）掌握在原理圖中放置元件、佈線的方法和要求；5）用表格編輯器檢查元件的屬性遺漏；6）對原理圖進行電氣法則測試；7）教師講解原理圖的編輯和調整、元器件的封裝等步驟，用具體例項來講解電路圖常見錯誤，以儘可能減少原理圖中出現的錯誤：如漏畫導線和元件、元件引數不全、導線沒有連通等，最終形成完好的微控制器應用電路原理圖。這一環節需要參與的學生既要有專業知識做基礎，也要有對待工程設計一絲不苟的責任心，才能圓滿完成設計任務。
（2）繪製印製電路板圖。在印製電路板圖的繪製過程中，首先需要利用protel繪製軟體的網路表和自動佈局功能將疊加的元件分開，並手工調整元件的位置，使電路板整體佈局合理；然後再利用自動佈線功能佈置導線的寬度、焊盤的尺寸、通孔孔徑等。具體來講，繪製印製電路板圖的一般原則為：1）元間放置位置要緊湊、距離要短、元件間連線儘量短、儘可能縮小印製電路板的尺寸；2）導線間距大於4mil；3）電源線、地線儘量要粗，以提高電路板帶負載的能力；4）焊盤儘量大，採用橢圓型焊盤，防止鑽孔時損壞焊盤；5）導線與焊盤間距離應儘量拉大，以防止產生干擾訊號。
在工程訓練專案中，學生獨立製作的微控制器應用電路印製電路板圖如圖1所示。通過印製電路板的製作，學生還可以學習掌握轉印機、雕刻機、高速視訊鑽等裝置的使用方法，進一步瞭解印製電路板的製作工藝方法和過程。顯然，瞭解現代電子工業的新技術、新工藝、新裝置等，也是積累工程製造經驗的過程。
3.微控制器應用電路實驗板的製作
（1）元器件的選擇。微控制器應用電路實驗板是集程式設計器、模擬器、ISP下載線、實驗電路為一體的電路板，它利用微控制器自身的資源，外加電源電路、時鐘電路、復位電路，構成微控制器應用系統。本次工程訓練中，微控制器採用應用廣泛的AT89S52晶片（相容STC89C系列晶片），與其他電路包括RS232序列通訊介面、數碼管顯示、LED顯示、蜂鳴器、中斷控制、繼電器控制等，共同構成了微控制器應用電路。在此基礎上，學生可以根據控制需要選擇加微控制器片外儲存器RAM（6264）、ROM（2764），來擴充套件微控制器儲存空間；或者加模數轉換晶片（ADC0804）和數模轉換晶片（DAC0800），來實現直流電動機的調速控制等。
（2）電路板的安裝。元器件選定之後，學生就可以自行安裝並焊接電路板。在此環節要注意：1）焊接之前，應檢測印製電路板，防止出現斷路、短路、焊盤脫落的問題，以減少故障；2）電路板焊接重點是整合晶片，其管腳易出現焊接短路的故障，因此要提前練習焊接晶片管腳；3）焊接完成後，要用數字萬用表檢查焊點之間有無短路故障，以確保電路板的焊接質量。焊接好的微控制器實驗板如圖2所示。
（3）聯機除錯。微控制器應用電路實驗板硬體部分製作完成以後，需要對其進行軟體程式設計並進行除錯以實現特定的功能。步驟如下：1）將通訊電纜接入裝有kill C51整合開發軟體的PC機串列埠和微控制器電路板串列埠；2）為實驗板接入9V直流電源；3）使用數字示波器檢測硬體電路各點訊號（如復位訊號、時鐘訊號、I/O輸出訊號）；4）用C語言編寫源程式；5）使用kill C51整合開發軟體內嵌的模擬除錯軟體進行模擬模擬；6）將除錯好的源程式燒錄到微控制器內，在實驗板上實現輸入輸出實驗。
通過反覆的除錯，學生能夠掌握源程式的編輯、編譯、模擬、線上下載、線上除錯方法和過程，並且學會自行解決除錯過程中經常出現的錯誤，最終實現微控制器應有的功能，圓滿完成工程訓練的任務。
五、教學改革效果
實踐證明，開放式工程訓練在高校創新人才培養過程中所發揮的作用是十分重要的。通過典型工程專案和電子產品製作工程訓練，學生的工程製作能力不僅有了顯著的提高，而且可以通過自主學習實現創新型專案的開發，進一步培養綜合素質和創新能力。我校參加過電子工程訓練的學生在電子設計大賽中已經初步展現了自己的工程實踐能力，取得了很好的成績。此外，開放式電子工程訓練也為實踐教學積累了寶貴的經驗，有利於提高實踐教學的效果，由此引發的實踐教學模式的改革將更加適合現代人才的培養要求。
參考文獻：
[1]韓芝俠,脫慧,饒漢文,等.電子工藝實習教學改革與實踐[J].實驗室研究與探索,2007,2611:108-111.
[2]王璐,楊明.電工電子學開放實驗的改革與探索[J].中國電力教育,2010,36:130-131.
[3]王濤,鍾穗東,張漢平,等.大學生開放實驗教學的探索與研究[J].中國現代教育裝備,2010,13:125-127.
[4]宋鳳蓮,巫世晶,劉梅清.自主創新工程訓練教學模式的構建[J].實驗室研究與探索,2008,272:113-115.