電子晶體學技術精選(九篇)
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第1篇：電子晶體學技術范文
關鍵詞：模擬與數(shù)字電路；電子技術綜合實驗；實驗園地；虛擬儀器實驗
中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）08-0151-03
一、背景
以模擬與數(shù)字電路為基礎內容的電子技術實驗是高等學校理工科專業(yè)學生重要的必修專業(yè)基礎課，也是電子、計算機、自動化等工科專業(yè)的學生在大學教育階段所要經(jīng)歷的一個重要的工程性實踐環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學生素質和能力方面占有十分重要的地位[1]。而電子技術綜合實驗課程作為一門綜合性的實踐課程，與理論課程并行開設，其實驗內容不再限制于某一門課程，而是把多門相關課程的知識相互滲透，有機融合。在一個實驗項目或設計課題中，可以融合模擬電子技術、數(shù)字電子技術、EDA技術、單片機原理等知識模塊，讓學生運用多種技術完成一個完整的電子系統(tǒng)的設計，使學生對電子系統(tǒng)的設計過程有深入的理解，同時培養(yǎng)工程實踐方面的基本素養(yǎng)。除了傳統(tǒng)實驗教學中的實驗項目，課題設計還可以采用電子設計競賽、科研項目、學生創(chuàng)新實踐等方式，在“開放”的狀態(tài)下進行，充分體現(xiàn)學生的主體性[2]。眾所周知，軟件學院的辦學宗旨是要基于“精英型軟件人才”的培養(yǎng)目標，一般的軟件學院通常擁有軟件工程和網(wǎng)絡工程兩個專業(yè)方向，而我院為了強化“精英型軟件人才”的培養(yǎng)目標，在本科二年級時又開設了嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)兩個專業(yè)方向，這兩個專業(yè)方向的學習需要有更好的硬件基礎，這也是我院面向本科一個年級800人開設模擬與數(shù)字電路理論與實驗課程，并且實驗教學采取獨立設課的方式的重要原因。嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)與電子技術等硬件課程的聯(lián)系要較為緊密一些，對于目前的模擬與數(shù)字電路教學，從事這兩個專業(yè)方向學習的學生往往會感到學得不夠多，不夠深入。許多有志于這兩個專業(yè)方向學習的學生，在做完基礎的模擬與數(shù)字電路實驗后希望，還能有機會到實驗室做一些額外的、提高性的實驗。而不從事這兩個專業(yè)方向學習的軟件工程和網(wǎng)絡工程專業(yè)的學生，往往體會不到學習電子技術等硬件課程的重要意義，簡單的認為在軟件學院學習，只要把“軟”的東西搞明白就可以了，不應在“硬”上浪費時間。因此，結合我院目前本科生的教學體系、培養(yǎng)目標以及開設的相關硬件課程如：51單片機接口與匯編、fpga設計、通信原理、計算機組成原理等與硬件電路密切相關的課程，構建“電子技術綜合實驗教學體系”就顯得有重大的意義，能夠使基礎的硬件教學與軟件學院的教學體系和培養(yǎng)目標建立起聯(lián)系，體現(xiàn)了硬件實驗教學相對于軟件專業(yè)方向學習的重要性和關聯(lián)性，實現(xiàn)軟硬兼顧。除此以外，目前在全國眾多的軟件學院中，另外，還沒有發(fā)現(xiàn)一所軟件學院提出構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革活動。著名的大學如北京大學是將軟件與微電子學院放在一起合辦，盡管如此，北京大學也沒有面向軟件工程、網(wǎng)絡工程將近800人的、規(guī)模龐大的模擬與數(shù)字電路的實驗課程，因此，我院進行構建“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的教學改革實踐就顯得特別有意義，能夠起到“示范性”的作用。
二、研究基礎
我院自2008年開始在本科生的教學體系中引入獨立的模擬與數(shù)字電路實驗課程以來，取得了許多積極的教學成果：（1）有力的輔助了模擬與數(shù)字電路理論課的教學，使抽象的理論課不再生澀難懂。（2）通過動手搭電路的實驗很好的煅練了學生的操作能力，通過實驗學生的實踐能力得以提高。（3）對我院其他專業(yè)方向的如計算機組成原理等理論與實驗課程的教學提供了有力的支持。（4）教學模式不斷改進，部分實驗，如儀器使用的教學方式完成了由傳統(tǒng)的“老師講，學生跟著做”到以學生為主體，旨在培養(yǎng)學生“自主學習和創(chuàng)新意識”的開放式教學。在數(shù)字實驗部分設立了“選做”實驗項目，面向能快速完成必做實驗部分的、有興趣做更多學習和嘗試的學生。（5）規(guī)范實驗教學的流程，引入了實驗報告冊，在報告冊中明確規(guī)定實驗的預習、操作、總結部分的要求。（6）在現(xiàn)有課程教學基礎上，結合我院嵌入式工程專業(yè)的培養(yǎng)目標，開設了一門提高性質的開放式電路設計實驗課程“嵌入式電路設計開發(fā)與應用實踐”。
但現(xiàn)在的實驗教學仍有許多不足之處：（1）實驗內容陳舊，所用元器件型號過時，需要更新。（2）實驗項目仍然偏少，不夠豐富，可供選擇的余地小，大大的限制了學生自主性的發(fā)揮，不利于創(chuàng)新型、研究型的學習。因此，驗證性、綜合性、設計性的實驗項目均應增加。（3）教學模式僵化，手段單一，仍以傳統(tǒng)的老師在課堂上按部就班的指導，學生跟著按實驗步驟進行操作驗證為主，學生沒有自由發(fā)揮、進行創(chuàng)新型學習的機會。實驗室目前仍沒有完全實現(xiàn)開放，而學生的專業(yè)學習任務較重，課程設置多，很難有整塊的時間和專門的機會通過更多的實驗訓練獲得提高。（4）實驗課程考核的方式單一，除了批閱實驗報告之外，成績評定主要以學生完成實驗的快慢為主，即主要考核學生的學習態(tài)度，認真預習的程度及實驗動手操作能力的高低。（5）尚未形成一個有效的綜合教學體系，使模擬與數(shù)字電路實驗課程能更好地融入我院的整體教學體系當中。
三、研究思路
基于以上的原因及分析，應結合目前我院的教學體系及專業(yè)培養(yǎng)方向，以現(xiàn)有的模擬與數(shù)字電路實驗教學為基礎，以“開放式”教學為主要依托，構建“電子技術綜合實驗教學體系”，以求根本解決我院目前模擬與數(shù)字電路實驗教學中存在的各種問題。
1.建設電子技術綜合實驗園地[3]。建設電子技術綜合實驗園地是本研究課題要實現(xiàn)的基礎目標，是構建我院電子技術綜合實驗教學體系的基礎。
實驗園地中的實驗項目如圖1所示分為以下幾大組成部分：①實驗基本技能訓練園地，實驗基本技能訓練園地主要包括：如何進行實驗預習，如查找資料，對實驗進行理論分析；實驗操作中的FAQ；實驗總結報告的書寫要求；電路設計仿真軟件的入門；嵌入式C、匯編語言的集成開發(fā)環(huán)境的使用；VHDL、Verilog等硬件設計語言及ISE開發(fā)編譯環(huán)境的使用；EDA技術基礎如電路板的原理圖、PCB板圖的設計；電路焊接的基本技能培訓等。將實驗基本技能訓練部分的資源放置于我院的ftp課程網(wǎng)站或學院網(wǎng)站上，根據(jù)具體實驗的要求或學生自已的需求下載使用。②專用儀器設備園地，在專用儀器設備園地中，可獲得示波器、萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、電子技術實驗箱、實驗操作面板等儀器設備的使用說明書，操作實例，操作課件等。③基礎模擬與數(shù)字電子技術實驗園地，按照基礎模擬與數(shù)字電子技術通用的理論教學，實驗園地可分為四大模塊[4]：模塊A：常用電子元器件，包括電阻、電容、電感、二極管、三極管、場效應管等，模塊A是模擬與數(shù)字電子技術的共同基礎。模塊B：模擬電路模塊，包括基本放大器、差動放大器、功率放大器、運算放大器、反饋放大器、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源等，該模塊是模擬電子技術的主要內容，著重讓學生掌握模擬電路的基本概念、基本原理和基本分析方法。模塊C：數(shù)字邏輯和數(shù)字電路模塊，主要包括邏輯代數(shù)基礎、邏輯門電路、組合邏輯電路、時序邏輯電路、脈沖產生與整形、大規(guī)模集成電路（半導體存儲器、A/D和D/A等）。模塊C是數(shù)字電子技術的主要內容，旨在讓學生掌握數(shù)電的基本知識及常用數(shù)字集成電路，學會邏輯分析和邏輯設計的方法。模塊D：可編程邏輯器件模塊，目前常用的可編程邏輯器件包括EPROM、GAL、FPGA、E2PROM，模塊D是數(shù)字電路領域發(fā)展較快的一項技術，通過與EDA技術的結合，使通過軟件編程的方法實現(xiàn)硬件設計成為可能。④演示實驗教學園地，將演示實驗教學園地分為三大模塊：模塊A：實物演示實驗教學，實物演示實驗教學是從實驗結果入手的教學方法，有助于從總體設計方面建立深入的宏觀印象，趣味性的結果還有助于激發(fā)學生的實驗學習創(chuàng)造的興趣，使學生在充分理解了現(xiàn)有實現(xiàn)方法的基礎上，積極探求不同的實驗思路和解決方案?！皩嵨铩奔瓤梢园▽嶒灲處煘槟稠棇嶒炈O計的專用演示電路實驗板，也可以包括學生創(chuàng)新實踐過程中的設計產品，當然也可以是實驗電路搭接后結果的視頻演示。演示實驗教學系統(tǒng)也可以通過多媒體PPT課件，WORD或PDF文檔、視頻的形式集中于我院的FTP課程網(wǎng)站或學院網(wǎng)站上，根據(jù)具體實驗的要求或學生自已的需求下載使用。模塊B：虛擬儀器實驗，建設基于Labview的3D電子技術虛擬實驗室。可以滿足學生進行常用儀器設備的熟悉與使用，驗證性實驗的虛擬仿真等。如圖2所示為實驗中心自主開發(fā)的“三維虛擬實驗室”軟件系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)正在研制。
通過對實物如儀器設備、電子元件等的虛擬，使學生對電子技術實驗形成全方位的了解，為深入實驗做準備，虛擬實驗還可以減少針對儀器設備、電子器件的誤操作，降低設備器件的損耗，延長使用壽命，減少維修維護的工作量。虛擬實驗的教學可以不受時間、空間的限制，學生可以在實驗室開放的時間到實驗室來做實驗，也可以在公共機房安裝有該軟件系統(tǒng)的PC機上完成實驗任務，甚至可以在宿舍、網(wǎng)吧、圖書館等有網(wǎng)絡環(huán)境的地方通過網(wǎng)絡進行實驗教學，真正實現(xiàn)實驗教學的“開放式”。模塊C：電路仿真實驗，許多EDA軟件就具有電路仿真功能，針對簡單的驗證性實驗，電路仿真往往顯得特別有效，如RC電路的實驗，實現(xiàn)過程非常簡單。如果在進入實驗室之前就能利用EDA軟件針對不同電阻R和電容C進行電路仿真，根據(jù)仿真的結果確定所需要的電阻、電容，就可以大大節(jié)省查找器件的時間，降低了在實驗室中找不到該器件的風險，提高的實驗學習的效率，有助于開放教學過程中更高效的使用實驗室。相比于實物演示教學和虛擬實驗教學，電路仿真更顯得專業(yè)化。⑤提高性實驗園地，提高性實驗園地的建設是構建“電子技術綜合實驗教學體系”的關鍵，是使電子技術綜合實驗教學能與軟件學院的教學體系和培養(yǎng)目標建立聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，體現(xiàn)硬件實驗教學相對于軟件專業(yè)方向學習的重要性和關聯(lián)性，實現(xiàn)軟硬兼顧。結合我院本科生教學體系及專業(yè)培養(yǎng)方向的實際，以及我院目前開設的51單片機接口與匯編、fpga設計、通信原理、計算機組成原理等與硬件電路密切相關的課程，提高性實驗教學園地包括三大模塊：模塊A：單片機硬件實驗，實驗方式為，設計電路原理圖進行電路仿真（可選）編寫C、匯編程序編譯成HEX文件用編程器寫入MCU實驗箱上搭接電路實現(xiàn)功能制作PCB板（可選）。單片機硬件實驗可以實現(xiàn)基礎的模擬與數(shù)字電路、單片機原理及應用、EDA電路設計技術及軟件編程與測試等多門專業(yè)課程的綜合。模塊B：FPGA硬件實驗，實驗方式為，設計電路原理圖進行電路仿真（可選）編寫VHDL、Verilog語言程序編譯生成bit文件燒寫到可編程器件內搭接電路實現(xiàn)數(shù)字邏輯設計或系統(tǒng)功能。FPGA硬件實驗可以實現(xiàn)基礎的模擬與數(shù)字電路（尤其是數(shù)字邏輯）、計算機組成原理及體系結構、EDA電路設計技術及軟件編程與測試等多門專業(yè)課程的綜合。模塊C：通信原理硬件實驗，通信原理理論課程是我院網(wǎng)絡工程系開設的一門專業(yè)課，為了深入這門課程，必須具備堅實的模擬（包括低頻、高頻電子線路）和數(shù)字電子技術基礎。目前，我院尚無完善的硬件實驗課程與之匹配，因此可在提高性實驗園地中加入這一模塊。通信原理硬件實驗可以實現(xiàn)基礎的模擬與數(shù)字電路（尤其是高頻電子線路與數(shù)字邏輯）、網(wǎng)絡技術及軟件編程與測試等多門專業(yè)課程的綜合。
四、結論
由以上分析得出如圖3所示的“軟件學院電子技術綜合實驗教學體系”的基本構思。
實驗教師應是電子技術綜合實驗園地的建設者，在利用園地中的各種實驗項目及資源做好基礎及提高性實驗教學的基礎上，承擔實驗園地中實驗方案與任務書的設計工作，在實驗項目開發(fā)的過程中，針對不同水平的學生，逐漸形成驗證性，綜合性，設計性實驗教學的層次。做為電子技術綜合實驗園地的使用者的學生，在傳統(tǒng)的課堂教學與“開放式”教學相結合的基礎上，逐漸與實驗教師建立新型的教與學的關系，如：學生自已選擇現(xiàn)有的實驗項目，盡可能的獨立完成實驗，實驗教師僅起到輔助指導的作用；教師根據(jù)學生的水平，將現(xiàn)有的多個驗證性實驗綜合，形成實驗方案，引導學生獨立完成；學生獨立設計實驗方案，尋求實驗教師的建議及幫助，盡可能的完全獨立自主的完成電路設計及實驗驗證。實驗園地的建設會為基礎、提高性實驗教學提供更多的實驗素材，有助于豐富實驗教學內容。教學中產生的問題有助于豐富實驗園地中的實驗項目的建設，使教師、學生在進行實踐教學的過程中有更多的選擇，有助于擴展學生的知識面，提高實驗教師的教學水平?？傊?，三者之間的良性互動將創(chuàng)造一個良好的教學實踐環(huán)境，切實提高實驗教學水平和教學質量。
鳴謝：本文受到2013年大連理工大學教學改革項目“立足精英型軟件人才培養(yǎng)目標的電子技術綜合實驗教學體系的構建”項目資助。
參考文獻：
[1]侯加林.全面實施電子技術實驗改革提高學生創(chuàng)新能力[J].實驗室研究與探索，2009，28（1）.
[2]姜寧.高校電子技術綜合實驗開放式教學研究[D].陜西：延安大學，2011.
