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摘要:指出了电类专业实践教学体系中工程背景的缺失,分析了三种实践教学环节脱离工程实际的具体表现。指出在电类专业实验教学体系中引入案例教学法,符合工科专业教育的核心目标,能帮助学生加深对理论知识的理解和提高实践能力,能有效地培养学生的工程素质。描述了电气设计类和电子制作类两个不同类型的案例,最后给出了案例教学法的应用建议。
关键词:案例教学;实践教学;课程设计;培养计划
作者简介:张勇(1967-),男,河南安阳人,郑州轻工业学院电气信息工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:电气测试技术;鹿晓力(1960-),女,吉林长白人,郑州轻工业学院电气信息工程学院,副教授,主要研究方向:电工理论与技术。(河南 郑州 450002)
基金项目:本文系郑州轻工业学院教学改革立项项目的研究成果。
在一个以经济建设为主要生活内容的国家和社会,对工程技术人才总是保持着旺盛的需求,同时科技与社会的不断发展对工程技术人员的知识层次和专业水平的要求也日渐提高。就电气、电子工程领域来说,国家和社会不仅需要理论专家,更需要具有实践和创新能力的实干家。该专业领域的大学生毕业后将成为企业或公司的工程技術人员,去承担解决生产技术问题、开发新产品以及开拓市场的重要任务。因此电气、电子工程类专业的学生,不仅要全面掌握本专业基础理论、基本实践技能和新的技术,而且对工程实际中有关电气、电子产品和系统的研发、设计、加工、制作等环节和工艺过程也要有基本的了解,这就要求本科电气电子工程类专业实践教学体系应面向工程实际来构建。然而我国多数高等院校的办学实际据此要求尚有不小距离。许多资深教师深有感触的说:“我们办的专业是电气、电子类工程专业,但我们不敢说我们培养的是工程人才。”此番感言道出了我国本科电气、电子类专业人才培养工作的软肋和尴尬。如何按照工程的实际要求来设置并实施实践教学体系,使人才培养模式富含工程要素,是许多本科院校电气、电子类专业建设所面临的现实而又紧迫的问题。
一、电类专业实践教学与工程实际的脱节问题
通常在本科学校的人才培养体系中,设置了与理论课程相配套的实验项目和集中安排的实践性环节,以培养学生的实践与创新能力。这类实验和实践环节对于学生能力的培养有着非常重要的作用,这类实验通常都是由教师设计安排好线路和参数,学生只要按照实验指导书的步骤做即可获取预料中的结果和数据,虽然实验顺利完成了,但学生自己的主动性和创造性并没有得到较好地发挥。
实践教学体系还包含集中安排的实践、实训周,其内容安排多是围绕着基本电子技术来展开,着眼于基本动手能力的训练。这显然缺乏对工程实际的完整渗透,尤其缺乏与完整案例的结合,学生无法真正接触工程实际。
另一个重要的实践教学环节是课程设计,它不仅是检验学生对课程掌握的程度的方法,也是培养学生创新设计能力的重要环节。但实际的教学效果却很不理想。通常课程设计大多是全班统一参数、统一题目和评分标准,指导教师有着绝对的权威性,这样的课程设计会出现全班一种方案、一套图纸、同样参数、同样结论的现象,指导教师则以计算的准确性、图纸的绘制质量、报告书写质量为主要评分标准。这是典型的模仿型训练,缺乏工程背景,对学生工程能力和创新能力的培养是不利的。
综上所述,电气、电子类专业实践教学体系存在着诸多弊端,具体表现为以下五个不足:实验验证与电路制作结合少;原理理解与器件应用结合少;基础实验与工程背景结合少;单元环节与完整案例结合少;模仿训练与创新设计结合少。
案例教学被证明是行之有效的理论联系实际的好的教学模式,[1]相信在电类专业实践教学中引入电气、电子工程案例分析,将有助于电气、电子工程专业实践教学与工程实际的紧密结合,使实践教学体系臻于完善。
二、电类工程案例教学的目的及案例选择原则
案例教学法采用案例引导来说明理论知识,通过案例的研究分析使学生加深对理论知识的理解,增加感性认识,扩大专业视野,养成从工程实际的角度全面理解和正确运用专业知识的职业习惯。作为专业实践教学体系,理应包含案例教学法的运用。
电类,特别是电子类专业实践的范畴应包括以下两个方面:一是电子元件认识与电路设计制作;单片机等可编程器件及系统的开发运用,使学生拥有电子工程实践基本技能。二是结合电子信息的获得、处理、传输与控制等方面的具体工程案例,引导学生从软、硬件两个层面上对电子系统或产品的原理、功能定位、设计要求及工艺保障等各方面进行深入剖析,这将强化学生的工程意识,拓展知识应用的视野。后者是实现工程技术人才培养目标的具体体现。因此工程案例的选择与分析是至关重要的,教学案例的选择将直接影响教学效果的优劣。高质量的案例应具备目的性、真实性、典型性和完整性等特征。案例的选择要使学生在设计、识图、焊接安装、测量调试、查找资料和技术文件总结等方面得到基本符合工程实际需要的训练。
三、电子工程设计案例举例
1.课程设计案例:基于铂电阻传感器的真空浸漆电烘箱温度测量系统设计[2]
“基于铂电阻传感器的真空浸漆电烘箱温度测量系统设计”是“传感器与检测技术”课程设计的一个题目,该题目的名称本身就不是高度抽象的“温度检测系统设计”之类的经典题目名称,而是充分结合了具体工程背景,作为温度测量系统设计,主要技术指标无非是温度测量范围,测量准确度以及数据显示分辨率等。但是从工程角度看,问题则复杂一些。
(1)绝缘漆蒸气是可燃性气体,烘箱环境是易爆环境,因此温度传感器要选择隔爆型铂热电阻。
(2)由于是易爆环境和高温环境,电子电路应置于烘箱外部一定的距离,传感器和电路元件的引线可能较长,这就要考虑引线的阻抗和阻抗温漂的影响,于是测量电桥要选择三线制单臂电桥,同时用三芯屏蔽线作为三线制电桥中温度传感器的三根引线,屏蔽线的金属网状屏蔽层接地。
(3)要考虑设计参数的实际调整,测量系统调零和调满度应当是独立的,且调零和调满度电位器对测量电桥的线性度和灵敏度不能有实质影响,电位器阻值要大于并联桥臂上的元件阻值50倍。
(4)考虑到电烘箱是交流供电,电桥信号放大器要考虑抗共模干扰和抗50Hz干扰,而且烘箱温度是变化的,因此电路的抗干扰滤波电路参数的选择,既要考虑滤波效果,也要兼顾电路的动态响应速度要求。
(5)测量系统的电路参数要根据量程调节,作为温度测量系统就是调零标定和满度标定,可以选0℃和100℃作为对应的两个标定点,0℃温度环境用冰水混合物构造,100℃温度环境用沸水提供。标定时要考虑温度传感器的热时间常数,传感器在这两个温度环境中放置5倍时间常数以上后才能调相应的电位器,使电桥输出分别达到设定的电压值。
(6)由于传感器和电桥电路本身的特点,被测温度值和电路输出电压值的关系不是理想线性的,作为有数据显示分辨力要求的仪表,要由单片机进行线性校正和差值计算来确定测量结果,这需要在全量程上等间距(如5℃)地取各温度点,分别记录相应的输出电压,以此形成单片机温度测量线性化的纠偏和差值计算数据表。在这个过程中,以分度足够精细的水银温度计为温标,以实际烘干箱为升温温度环境,这样得到的数据才是最符合实际的。
这个题目虽然不大,但富含理论设计以外的问题,通过以上几点考虑,可以使学生在进行理论设计时,能全面结合工程实际,而且在写设计报告时能够言之有物,避免了大而空。
2.实践动手案例:组装模拟式万用表[3]
模拟式万用表属机电结合型仪器,组装该类仪表是电子整机装配实践的经典项目,包含了元器件焊接、元器件筛选、元器件插装、单元电路和整机调试等诸多工程实践训练环节。案例分六个步骤实施。
(1)准备好实训材料和工具,并按元器件明细表清点元器件。在这过程中认识了基本实践工具和电子元器件的工程标识。
(2)检查所有元器件,保证元器件上的型号、规格、标志清晰;元器件应完整无损;元器件各项参数应符合要求。在这过程中学会剔除外观不良,有机械损伤,引脚不正常的元器件;学会识读四色环及五色环电阻器的标称阻值和偏差,并会用万用表测量出实际阻值;学会识别不同型号的电容器,能用万用表对其作出“可用”、“短路”、“断路”、“漏电”等质量判别,能判断电解电容器的正负极;学会用万用表判断出二极管和三极管的管型及管脚,能粗测出二极管的正反向电阻值,判断其好坏;学会确定双列直插式集成电路引脚的排列顺序。
(3)元器件的插装,在这一环节中学会遵循先小后大、先低后高、先轻后重、先里后外的元器件插装基本原则,知道按元器件类别的插装顺序依次为:电阻器、二极管、电容器、晶体管、集成电路、大功率管和大规模集成电路等。知道在印制电路板空间条件允许时,对功率小于1W的电阻,应尽可能采用贴板插装,功率较大的电阻则应距板面2mm悬空插装;电容、晶体管等元件应采用立式插装,元件体距板面一般为2mm。元件插装時,标记方向要一致,便于观察。插装方向应符合阅读习惯方向。
(4)进行元器件焊接,在这一过程中主要训练电烙铁使用技能。首先对照主板装配示意图,插接元器件并进行主板焊接,学会整齐排列元器件并牢固焊接,学会识别焊点是否均匀,焊点表面是否光滑,焊点有无裂纹、气孔和虚焊。
(5)安装转换开关和面板,在这一过程中学会基本的机械装配技能,学会机械安装的基本顺序应当是:首先安装转换开关,先将焊接好的电路板固定到万用表的机壳内,然后安装转换开关,再从万用表的正面插入转换开关的旋钮,最后用螺母固定转换开关。然后安装后面板,将后面板固定于机壳上,再按正确极性安装电池。
(6)整机调试,在这一过程中学会基本的整机调试步骤和技巧。首先进行装配质量检查,按原理图及工艺要求检查元器件是否有错装或漏装;焊点是否虚焊、漏焊;连线是否正确,有无短路;转换开关是否灵活、触点是否可靠等。之后进行通电检测,将转换开关置于欧姆挡,两表笔短接,看表头是否转动;欧姆调零是否有效。通过测量3～5V的直流电压检查直流电压档,观察指针是否接近测量值。再用同样的方法检测其他档位的功能。最后进行调试,用4位数字万用表进行校准该模拟万用表,对MF-4 7型万用表的具体调试方法是:焊好表头引线正端,将数字表置于R×20KΩ挡,红表笔接原理图中V3的负极,黑表笔接表头负端调电位器RP2使显示值为2.5KΩ(温度为20℃),调好后焊好表头线负端。
从这个案例可以看出,整机装配技能训练是理论知识的灵活运用,是实践技能的系统积累,是提高学生动手能力的有效途径。
限于篇幅,这里仅列举了两个素材,其实类似的案例不胜枚举,而且各有侧重。
四、电子工程案例教学的几点注意
案例教学改变了实践教学环节教与学的方式,教师以工程案例为指引,教学内容由抽象变具体,学生由被动转为主动,活跃了课堂气氛,扩大了学生的知识面,强化了学生的工程实践意识和能力,实践教学形式和内容与工程实际不再脱节,充分体现了教师的主导作用和学生的主体性,促进了学生工程素养的完善与发展。
案例教学要想取得成功,教学中还要努力做到以下两点:首先,教师应当具备丰富的工程实践经历和实践素养,非常熟悉案例完整内容。第二,对案例的选取要斟酌,精心选择恰当的案例,案例应力求囊括较多的知识点和技能点,并具备一定的复杂性,不能过于简单,否则信息量小,将使学生失去兴趣。第三,案例教学法中重要的部分就是自由讨论,教师要调整自己的角色,善于倾听、了解学生的思路,鼓励学生创新思维、大胆实践。
参考文献:
[1]张家军,靳玉乐.论案例教学的本质与特点[J].中国教育学刊,2004,(1).
[2]梁森,等.自动检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]曹增英.电子整机装配实践教学研究[J].中国科技信息,2008,(17).
(责任编辑:苏宇嵬)
关键词:案例教学;实践教学;课程设计;培养计划
作者简介:张勇(1967-),男,河南安阳人,郑州轻工业学院电气信息工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:电气测试技术;鹿晓力(1960-),女,吉林长白人,郑州轻工业学院电气信息工程学院,副教授,主要研究方向:电工理论与技术。(河南 郑州 450002)
基金项目:本文系郑州轻工业学院教学改革立项项目的研究成果。
在一个以经济建设为主要生活内容的国家和社会,对工程技术人才总是保持着旺盛的需求,同时科技与社会的不断发展对工程技术人员的知识层次和专业水平的要求也日渐提高。就电气、电子工程领域来说,国家和社会不仅需要理论专家,更需要具有实践和创新能力的实干家。该专业领域的大学生毕业后将成为企业或公司的工程技術人员,去承担解决生产技术问题、开发新产品以及开拓市场的重要任务。因此电气、电子工程类专业的学生,不仅要全面掌握本专业基础理论、基本实践技能和新的技术,而且对工程实际中有关电气、电子产品和系统的研发、设计、加工、制作等环节和工艺过程也要有基本的了解,这就要求本科电气电子工程类专业实践教学体系应面向工程实际来构建。然而我国多数高等院校的办学实际据此要求尚有不小距离。许多资深教师深有感触的说:“我们办的专业是电气、电子类工程专业,但我们不敢说我们培养的是工程人才。”此番感言道出了我国本科电气、电子类专业人才培养工作的软肋和尴尬。如何按照工程的实际要求来设置并实施实践教学体系,使人才培养模式富含工程要素,是许多本科院校电气、电子类专业建设所面临的现实而又紧迫的问题。
一、电类专业实践教学与工程实际的脱节问题
通常在本科学校的人才培养体系中,设置了与理论课程相配套的实验项目和集中安排的实践性环节,以培养学生的实践与创新能力。这类实验和实践环节对于学生能力的培养有着非常重要的作用,这类实验通常都是由教师设计安排好线路和参数,学生只要按照实验指导书的步骤做即可获取预料中的结果和数据,虽然实验顺利完成了,但学生自己的主动性和创造性并没有得到较好地发挥。
实践教学体系还包含集中安排的实践、实训周,其内容安排多是围绕着基本电子技术来展开,着眼于基本动手能力的训练。这显然缺乏对工程实际的完整渗透,尤其缺乏与完整案例的结合,学生无法真正接触工程实际。
另一个重要的实践教学环节是课程设计,它不仅是检验学生对课程掌握的程度的方法,也是培养学生创新设计能力的重要环节。但实际的教学效果却很不理想。通常课程设计大多是全班统一参数、统一题目和评分标准,指导教师有着绝对的权威性,这样的课程设计会出现全班一种方案、一套图纸、同样参数、同样结论的现象,指导教师则以计算的准确性、图纸的绘制质量、报告书写质量为主要评分标准。这是典型的模仿型训练,缺乏工程背景,对学生工程能力和创新能力的培养是不利的。
综上所述,电气、电子类专业实践教学体系存在着诸多弊端,具体表现为以下五个不足:实验验证与电路制作结合少;原理理解与器件应用结合少;基础实验与工程背景结合少;单元环节与完整案例结合少;模仿训练与创新设计结合少。
案例教学被证明是行之有效的理论联系实际的好的教学模式,[1]相信在电类专业实践教学中引入电气、电子工程案例分析,将有助于电气、电子工程专业实践教学与工程实际的紧密结合,使实践教学体系臻于完善。
二、电类工程案例教学的目的及案例选择原则
案例教学法采用案例引导来说明理论知识,通过案例的研究分析使学生加深对理论知识的理解,增加感性认识,扩大专业视野,养成从工程实际的角度全面理解和正确运用专业知识的职业习惯。作为专业实践教学体系,理应包含案例教学法的运用。
电类,特别是电子类专业实践的范畴应包括以下两个方面:一是电子元件认识与电路设计制作;单片机等可编程器件及系统的开发运用,使学生拥有电子工程实践基本技能。二是结合电子信息的获得、处理、传输与控制等方面的具体工程案例,引导学生从软、硬件两个层面上对电子系统或产品的原理、功能定位、设计要求及工艺保障等各方面进行深入剖析,这将强化学生的工程意识,拓展知识应用的视野。后者是实现工程技术人才培养目标的具体体现。因此工程案例的选择与分析是至关重要的,教学案例的选择将直接影响教学效果的优劣。高质量的案例应具备目的性、真实性、典型性和完整性等特征。案例的选择要使学生在设计、识图、焊接安装、测量调试、查找资料和技术文件总结等方面得到基本符合工程实际需要的训练。
三、电子工程设计案例举例
1.课程设计案例:基于铂电阻传感器的真空浸漆电烘箱温度测量系统设计[2]
“基于铂电阻传感器的真空浸漆电烘箱温度测量系统设计”是“传感器与检测技术”课程设计的一个题目,该题目的名称本身就不是高度抽象的“温度检测系统设计”之类的经典题目名称,而是充分结合了具体工程背景,作为温度测量系统设计,主要技术指标无非是温度测量范围,测量准确度以及数据显示分辨率等。但是从工程角度看,问题则复杂一些。
(1)绝缘漆蒸气是可燃性气体,烘箱环境是易爆环境,因此温度传感器要选择隔爆型铂热电阻。
(2)由于是易爆环境和高温环境,电子电路应置于烘箱外部一定的距离,传感器和电路元件的引线可能较长,这就要考虑引线的阻抗和阻抗温漂的影响,于是测量电桥要选择三线制单臂电桥,同时用三芯屏蔽线作为三线制电桥中温度传感器的三根引线,屏蔽线的金属网状屏蔽层接地。
(3)要考虑设计参数的实际调整,测量系统调零和调满度应当是独立的,且调零和调满度电位器对测量电桥的线性度和灵敏度不能有实质影响,电位器阻值要大于并联桥臂上的元件阻值50倍。
(4)考虑到电烘箱是交流供电,电桥信号放大器要考虑抗共模干扰和抗50Hz干扰,而且烘箱温度是变化的,因此电路的抗干扰滤波电路参数的选择,既要考虑滤波效果,也要兼顾电路的动态响应速度要求。
(5)测量系统的电路参数要根据量程调节,作为温度测量系统就是调零标定和满度标定,可以选0℃和100℃作为对应的两个标定点,0℃温度环境用冰水混合物构造,100℃温度环境用沸水提供。标定时要考虑温度传感器的热时间常数,传感器在这两个温度环境中放置5倍时间常数以上后才能调相应的电位器,使电桥输出分别达到设定的电压值。
(6)由于传感器和电桥电路本身的特点,被测温度值和电路输出电压值的关系不是理想线性的,作为有数据显示分辨力要求的仪表,要由单片机进行线性校正和差值计算来确定测量结果,这需要在全量程上等间距(如5℃)地取各温度点,分别记录相应的输出电压,以此形成单片机温度测量线性化的纠偏和差值计算数据表。在这个过程中,以分度足够精细的水银温度计为温标,以实际烘干箱为升温温度环境,这样得到的数据才是最符合实际的。
这个题目虽然不大,但富含理论设计以外的问题,通过以上几点考虑,可以使学生在进行理论设计时,能全面结合工程实际,而且在写设计报告时能够言之有物,避免了大而空。
2.实践动手案例:组装模拟式万用表[3]
模拟式万用表属机电结合型仪器,组装该类仪表是电子整机装配实践的经典项目,包含了元器件焊接、元器件筛选、元器件插装、单元电路和整机调试等诸多工程实践训练环节。案例分六个步骤实施。
(1)准备好实训材料和工具,并按元器件明细表清点元器件。在这过程中认识了基本实践工具和电子元器件的工程标识。
(2)检查所有元器件,保证元器件上的型号、规格、标志清晰;元器件应完整无损;元器件各项参数应符合要求。在这过程中学会剔除外观不良,有机械损伤,引脚不正常的元器件;学会识读四色环及五色环电阻器的标称阻值和偏差,并会用万用表测量出实际阻值;学会识别不同型号的电容器,能用万用表对其作出“可用”、“短路”、“断路”、“漏电”等质量判别,能判断电解电容器的正负极;学会用万用表判断出二极管和三极管的管型及管脚,能粗测出二极管的正反向电阻值,判断其好坏;学会确定双列直插式集成电路引脚的排列顺序。
(3)元器件的插装,在这一环节中学会遵循先小后大、先低后高、先轻后重、先里后外的元器件插装基本原则,知道按元器件类别的插装顺序依次为:电阻器、二极管、电容器、晶体管、集成电路、大功率管和大规模集成电路等。知道在印制电路板空间条件允许时,对功率小于1W的电阻,应尽可能采用贴板插装,功率较大的电阻则应距板面2mm悬空插装;电容、晶体管等元件应采用立式插装,元件体距板面一般为2mm。元件插装時,标记方向要一致,便于观察。插装方向应符合阅读习惯方向。
(4)进行元器件焊接,在这一过程中主要训练电烙铁使用技能。首先对照主板装配示意图,插接元器件并进行主板焊接,学会整齐排列元器件并牢固焊接,学会识别焊点是否均匀,焊点表面是否光滑,焊点有无裂纹、气孔和虚焊。
(5)安装转换开关和面板,在这一过程中学会基本的机械装配技能,学会机械安装的基本顺序应当是:首先安装转换开关,先将焊接好的电路板固定到万用表的机壳内,然后安装转换开关,再从万用表的正面插入转换开关的旋钮,最后用螺母固定转换开关。然后安装后面板,将后面板固定于机壳上,再按正确极性安装电池。
(6)整机调试,在这一过程中学会基本的整机调试步骤和技巧。首先进行装配质量检查,按原理图及工艺要求检查元器件是否有错装或漏装;焊点是否虚焊、漏焊;连线是否正确,有无短路;转换开关是否灵活、触点是否可靠等。之后进行通电检测,将转换开关置于欧姆挡,两表笔短接,看表头是否转动;欧姆调零是否有效。通过测量3～5V的直流电压检查直流电压档,观察指针是否接近测量值。再用同样的方法检测其他档位的功能。最后进行调试,用4位数字万用表进行校准该模拟万用表,对MF-4 7型万用表的具体调试方法是:焊好表头引线正端,将数字表置于R×20KΩ挡,红表笔接原理图中V3的负极,黑表笔接表头负端调电位器RP2使显示值为2.5KΩ(温度为20℃),调好后焊好表头线负端。
从这个案例可以看出,整机装配技能训练是理论知识的灵活运用,是实践技能的系统积累,是提高学生动手能力的有效途径。
限于篇幅,这里仅列举了两个素材,其实类似的案例不胜枚举,而且各有侧重。
四、电子工程案例教学的几点注意
案例教学改变了实践教学环节教与学的方式,教师以工程案例为指引,教学内容由抽象变具体,学生由被动转为主动,活跃了课堂气氛,扩大了学生的知识面,强化了学生的工程实践意识和能力,实践教学形式和内容与工程实际不再脱节,充分体现了教师的主导作用和学生的主体性,促进了学生工程素养的完善与发展。
案例教学要想取得成功,教学中还要努力做到以下两点:首先,教师应当具备丰富的工程实践经历和实践素养,非常熟悉案例完整内容。第二,对案例的选取要斟酌,精心选择恰当的案例,案例应力求囊括较多的知识点和技能点,并具备一定的复杂性,不能过于简单,否则信息量小,将使学生失去兴趣。第三,案例教学法中重要的部分就是自由讨论,教师要调整自己的角色,善于倾听、了解学生的思路,鼓励学生创新思维、大胆实践。
参考文献:
[1]张家军,靳玉乐.论案例教学的本质与特点[J].中国教育学刊,2004,(1).
[2]梁森,等.自动检测技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]曹增英.电子整机装配实践教学研究[J].中国科技信息,2008,(17).
(责任编辑:苏宇嵬)