通信電子電路實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用
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摘要：針對通信電子電路實(shí)驗(yàn)考核方法的不足，提出了學(xué)、教、考分離式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，研制了通信電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、教師出題考試機(jī)、學(xué)生考試機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)考核方法上進(jìn)行了改革。實(shí)踐證明：新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)考核方法能夠激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績具有更強(qiáng)的客觀性和公平性。
關(guān)鍵詞：通信電子電路；考試系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
通信電子電路是通信電子類專業(yè)的必修課程，是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、創(chuàng)新意識以及實(shí)踐能力[1]，結(jié)合我校通信電子電路課程的教學(xué)實(shí)踐，先后在教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、小班授課[2]等方面對該課程進(jìn)行了多次改革。為解決學(xué)生在學(xué)習(xí)通信電子電路中遇到的難點(diǎn)，提出了基于形成性評價(jià)的通信電子電路教學(xué)研究，設(shè)計(jì)形成性評價(jià)教學(xué)活動(dòng)[3]。目前，通信電子電路課程是我校的精品課程，并承擔(dān)著一項(xiàng)河北省教改項(xiàng)目——“基于案例探究式及創(chuàng)新能力培養(yǎng)的通信電子電路教學(xué)模式研究與實(shí)踐”。通信電子電路實(shí)驗(yàn)作為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生了解通信電子電路的基礎(chǔ)內(nèi)容和最基本的通信電子電路分析和設(shè)計(jì)方法，熟悉典型實(shí)用電路，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力[4]，對提高學(xué)生的獨(dú)立研究能力有很大的幫助。許多高校在這方面開展了積極的探索，如西安電子科技大學(xué)以培養(yǎng)工程思維為教學(xué)目標(biāo)，提出了通信類專業(yè)工程體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和模式改革方式，用工程思維讓大一新生從感性上認(rèn)識通信與信息系統(tǒng)及主要知識點(diǎn)的關(guān)系[5]；杭州電子科技大學(xué)開展了以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)為引導(dǎo)、軟件仿真為支撐、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的教學(xué)內(nèi)容改革和以自主實(shí)驗(yàn)與合作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方法改革[6]；廣西民族師范學(xué)院針對目前通信電子電路實(shí)驗(yàn)采用集成模塊電路，學(xué)生只知如何進(jìn)行調(diào)試，不知電路的具體構(gòu)成，缺乏對電路的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)等問題，提出將仿真電路實(shí)驗(yàn)與實(shí)物電路實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合同步操作的教學(xué)模式[7]。我校針對通信電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提出基于“雙主原則”的通信電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，對通信電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中教師和學(xué)生的相輔相成的關(guān)系進(jìn)行了深入探討，著重突出學(xué)生在實(shí)踐過程中的主體地位[8]，進(jìn)行了團(tuán)隊(duì)合作實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[9]，以及基于能力培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的通信電子電路實(shí)驗(yàn)考核模式研究[10]?？傮w來說，對通信電子電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究主要還是基于教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容等方面，而很少有提及實(shí)驗(yàn)考試的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)教學(xué)離不開各種實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)箱，但大量用于高等院校電子類課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的電子電路實(shí)驗(yàn)箱，均不同程度存在設(shè)計(jì)性和綜合性體現(xiàn)不足等問題[11]。以前，我校通信電子電路實(shí)驗(yàn)室也存在儀器設(shè)備少、器材不夠完善等問題。學(xué)生只能分組完成一些特定電路的實(shí)驗(yàn)。另外，由于受到實(shí)驗(yàn)室條件的限制，無法對每名學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作考核，這樣就造成有些學(xué)生不是靠自己的能力完成實(shí)驗(yàn)測試，而是依賴其他學(xué)生，最后的實(shí)驗(yàn)成績不能真實(shí)反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。在新的教學(xué)改革中，我們提出了案例式“通信電子電路”模塊化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與實(shí)踐方法[12]，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)分成了分模塊基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)考試三個(gè)環(huán)節(jié)。在總結(jié)以前工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，與北京中科浩電公司聯(lián)合研制了ZK-GP4型通信電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、ZK-GP4-KH型通信電子電路考試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（以下簡稱“學(xué)生考試機(jī)”）以及教師出題考試機(jī)。學(xué)生在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)測試的情況下，參加單人單機(jī)實(shí)驗(yàn)操作考試。
1實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
通信電子電路實(shí)驗(yàn)考試系統(tǒng)由學(xué)生考試機(jī)以及教師出題考試機(jī)兩部分組成，兩者之間采用2.4GHz頻率進(jìn)行無線通信。
1.1學(xué)生考試機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué)生考試機(jī)包括練習(xí)和考試兩個(gè)功能，當(dāng)選擇“練習(xí)”功能的時(shí)候，由系統(tǒng)內(nèi)置程序自動(dòng)出題供學(xué)生平時(shí)練習(xí)使用。當(dāng)選擇“考試”功能的時(shí)候，由教師出題考試機(jī)隨機(jī)出題供學(xué)生正式考試使用。學(xué)生考試機(jī)是一個(gè)完整的幅度調(diào)制解調(diào)收發(fā)系統(tǒng)，分為控制功能電路區(qū)、LC本地振蕩器電路區(qū)、基極調(diào)幅與丙類功放電路區(qū)、小信號調(diào)諧放大器電路區(qū)、二極管檢波電路區(qū)、混頻輸出電路區(qū)、中頻放大器功能電路區(qū)共7個(gè)功能模塊?？刂乒δ茈娐穮^(qū)由液晶顯示、無線通信模塊、蜂鳴器、電源指示、控制功能鍵等組成（見圖1）。學(xué)生考試機(jī)可以針對不同電路功能模塊設(shè)置故障點(diǎn)，在各功能區(qū)都設(shè)計(jì)了繼電器，通過控制繼電器動(dòng)作設(shè)置故障點(diǎn)。在振蕩電路區(qū)域，振蕩頻率正常為8.8MHz。在此區(qū)域設(shè)置了“振蕩器不起振”“振蕩頻率偏移”兩個(gè)題目。在基極調(diào)幅與丙類功放電路區(qū)，放大器諧振頻率為6.3MHz。在此區(qū)域設(shè)有“放大器靜態(tài)工作點(diǎn)偏置故障”“選頻回路諧振故障”“信號匹配發(fā)射故障”三個(gè)題目。在小信號調(diào)諧放大器電路區(qū)，放大器諧振頻率為6.3MHz，通頻帶約為500kHz，矩形系數(shù)約為1.25。在此區(qū)域設(shè)有“放大器靜態(tài)工作點(diǎn)偏置故障”“有載、空載品質(zhì)因數(shù)性能故障”“諧振耦合程度故障”三個(gè)題目。在二極管檢波電路區(qū)，輸入信號為調(diào)幅波信號，載波頻率為2.5MHz，調(diào)制深度為40%左右。在此區(qū)域設(shè)有“惰性失真”“負(fù)峰切割失真”二個(gè)題目。在混頻輸出電路區(qū)，本振信號為8.8MHz，射頻信號為6.3MHz。在此區(qū)域設(shè)有“本振信號輸入故障”“射頻信號輸入故障”“混頻信號輸出故障”三個(gè)題目。在中頻放大電路區(qū)，輸入信號2.5MHz，每級的放大倍數(shù)為5~10倍。在此區(qū)域設(shè)有“放大器偏置故障”“前級放大器故障”“后級放大器故障”三個(gè)題目等。總計(jì)可以設(shè)置16個(gè)故障點(diǎn)。在每個(gè)故障點(diǎn)旁邊設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)，如果學(xué)生通過測試判斷出該位置是故障點(diǎn)，則按一下這個(gè)開關(guān)確認(rèn)即可。如果判斷正確則此處的電路故障被排除恢復(fù)正常，同時(shí)記錄操作一次，正確操作一次，故障總數(shù)減1；如果判斷錯(cuò)誤，則這次操作屬于誤操作，將計(jì)入總操作次數(shù)，而不計(jì)入正確操作次數(shù)，故障總數(shù)不變。誤操作將會影響到學(xué)生最后的考試成績，誤操作次數(shù)越多成績越差。學(xué)生答題結(jié)束后按“提交試卷”結(jié)束考試，同時(shí)系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)。
1.2教師出題考試機(jī)設(shè)計(jì)
教師出題考試機(jī)（見圖2）可以編輯考題以及設(shè)置考試時(shí)間并發(fā)送到學(xué)生考試機(jī)上。在考試前，教師出題考試機(jī)給學(xué)生考試機(jī)下發(fā)考試題目（題目是遙控學(xué)生考試機(jī)中相關(guān)電路的繼電器發(fā)生動(dòng)作，從而產(chǎn)生故障）并設(shè)置考試時(shí)間（見圖2(b)）。教師出題考試機(jī)可以對16個(gè)故障點(diǎn)任意組合，根據(jù)學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的操作情況，一般給每名學(xué)生設(shè)置2~4個(gè)故障，考試時(shí)長設(shè)為30min，學(xué)生考試機(jī)在接收到考題后，學(xué)生按下開始考試按鈕進(jìn)入考試狀態(tài)，系統(tǒng)開始倒計(jì)時(shí)，時(shí)間用盡則不能再進(jìn)行操作，考試自動(dòng)終止。開始考試后，教師出題考試機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測學(xué)生考試機(jī)的考試狀態(tài)，包括每臺學(xué)生考試機(jī)的考試剩余時(shí)間、總操作次數(shù)、正確操作次數(shù)、出題時(shí)設(shè)置的總故障個(gè)數(shù)等，如圖2(c)所示。這樣方便在考試過程中對誤操作次數(shù)過多的學(xué)生及時(shí)提出警告。在學(xué)生考試結(jié)束后，教師出題考試機(jī)根據(jù)學(xué)生操作情況，給出一個(gè)參考成績。由于有了考試題目和考試操作時(shí)間的約束，學(xué)生在排除電路中的故障時(shí)，就要盡量做到又快又準(zhǔn)。這就對學(xué)生分析電路的能力提出了較高的要求，從而要求每名學(xué)生在做基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)的時(shí)候必須認(rèn)真操作，熟練操作每臺儀器設(shè)備，熟悉每個(gè)電路模塊各個(gè)測試點(diǎn)的波形、頻譜、幅度等參數(shù)，不能再像以前那樣依賴同伴。
2學(xué)生實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)
對于基礎(chǔ)性電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需要根據(jù)教師下發(fā)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)書內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，注明需要用到的器件和儀器，制定實(shí)驗(yàn)步驟。在實(shí)驗(yàn)方案中需要標(biāo)明實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)，預(yù)測各信號測試點(diǎn)的波形、頻譜、幅值等參數(shù)。在完成以上實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，記錄實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，分析電路故障及解決辦法并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這部分成績將占總成績的20%。對于系統(tǒng)性電路實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)書要求選擇ZK-GP4型通信電子電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的分模塊電路搭建幅度調(diào)制解調(diào)整機(jī)系統(tǒng)和頻率調(diào)制解調(diào)整機(jī)系統(tǒng)，并對整機(jī)系統(tǒng)各相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測試，對無線信號收發(fā)優(yōu)劣狀況、信號質(zhì)量、通信距離等給出結(jié)論并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，這部分成績將占總成績的20%。除了基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)外，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績評定還要依據(jù)最終的實(shí)驗(yàn)考試結(jié)果。學(xué)生考試結(jié)束后，在教師出題考試機(jī)的監(jiān)測屏幕上可看到每臺學(xué)生考試機(jī)有幾個(gè)故障需排除、總操作次數(shù)、正確次數(shù)、剩余時(shí)間、參考成績等信息，實(shí)驗(yàn)考試占總成績的60%。最后將這三個(gè)成績綜合起來給出學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)成績。
3結(jié)語
通過對我校2015級、2016級和2017級三屆學(xué)生的學(xué)、教、考分離式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的實(shí)施，其成效明顯。學(xué)生從以往按給定實(shí)驗(yàn)步驟機(jī)械地做實(shí)驗(yàn)變?yōu)橹鲃?dòng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主學(xué)習(xí)意識得到提高。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，加深了對課程內(nèi)容的理解，提高了學(xué)生將課堂理論應(yīng)用到實(shí)際高頻硬件電路設(shè)計(jì)與測試的能力。實(shí)驗(yàn)操作考試機(jī)制的改革激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，提高了學(xué)生獨(dú)立操作儀器的能力，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)考試成績也更加公平合理，更能反映學(xué)生的真實(shí)水平。
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作者：李星蓉 余萍 韓東升 李然 賈惠彬 單位：華北電力大學(xué)
