阮国龙， 李忠明， 李和平， 王九云

(湖北科技学院 电子与信息工程学院， 湖北 咸宁， 437100)



电子信息模块化开放式创新实验平台设计

阮国龙， 李忠明， 李和平， 王九云

(湖北科技学院 电子与信息工程学院， 湖北 咸宁， 437100)

摘要：本文针对传统实验箱实验模式存在的缺陷，提出了一种模块化多层次开放式的实验教学平台，平台主要由通用基础平台和各实验模块资源板组成。本文主要介绍了实验基础平台和实验资源板的功能需求及设计方案，并以信号产生运算模块为例，具体介绍了单元模块的实验教学内容及单元板设计方法，最后总结了该实验平台的应用效果。

关键词：电子信息；模块化；开放式；实验平台

0引言

在对理工科学生实践能力的培养上，多年来，实验箱以其集成度高、使用方便等多项优点，受到大多数高校的青睐。但多年的实践证明，采用实验箱外加信号源、示波器、稳压电源以及一些辅助仪器的实验模式，也存在着一些致命的弱点，学生实验的主动性和创新性难以发挥，实验箱维护较为困难，学生综合实践能力难以得到培养等等。因此，部分高校近几年来又开始提出实验模式改革的需求。

我院在实践教学过程中从精选教学内容，重组知识结构，构建合理的实践课程体系着手，开展了实验教学的改革，并在此基础上引进新技术、新方法，设计开发出一种可扩展性强、模块化、开放式，能满足不同层次、不同专业需要，而且携带方便，不受时空限制的创新实验与实践平台[1-2]。从而解决了上述面临的困惑。

1实验与实践平台设计要求

实验与实践平台由两部分组成，即通用基础平台和各实验模块单元板。它们一起放入一个定制的便携实验箱中，既方便携带，又使实验环境不受时间和空间限制。

通用基础平台：平台具有简易性、开放性、通用性和灵活性等特点，是一个支持学生自主学习和实践的通用实验训练母板工作台，工作台上装设有支撑学生从事实验单元训练的资源，学生只需按照规范定义实验单元的结构，随时随地都可以做设计、构建实验电路，不需单一依赖实验室；工作台配置的资源灵活、规范和扩展性强，还可以适应综合性设计、毕业设计，也可以作为课外创新实践和各种学科竞赛的训练平台。

实验模块单元板：其组合可适应不同层次和要求，具有综合性和创新性。层次上包括基础性实验内容、提高与拓展性实验内容、应用性实验内容、研究与创新性实验内容等。基础性实验内容必须全部完成，提高与拓展性实验指定内容必须完成，应用性实验内容限定自选完成，研究与创新性实验内容鼓励自选完成。根据不同的实验内容和模块，分别设计不同的实验单元板。

2平台的设计方案

2.1通用基础平台的设计

根据以上通用基础平台的设计要求，基础平台应能提供不同电平电源的输出端口、电源短路报警、自恢复安全电路等功能，同时应达到如下要求：

(1)结构简洁、牢固，使用寿命长，经济性好；

(2)通用性强，适应电路理论、电子技术基础、信号与系统、高频电子线路、微机原理与单片机、通信原理、自动控制原理等电子信息类专业基础和专业方向课程的实践教学；

(3)扩展性好，适应综合性设计、毕业设计、课外创新实践和各种学科竞赛；

(4)可靠性和安全性高；

(5)端口开放、灵活，标注准确、清晰。

通用基础平台设计方案和工作面板如图1和图2所示。

面板上具有4个信号输入IN端子、4个信号输出OUT端子、电源馈电输入端子、电源馈电输出端子、电源开关SW、专用LED指示器、通用LED指示器、SP喇叭、W电位器、USB外接端口、A-JACK音频外接端口、可调直流信号源、P+、P-电源输入防错接电路、过载保护电路、电源过载报警电路、OUT+5 V、OUT+3.3 V电源防错接电路、过载保护电路、电源过载报警电路、实验单元防错误插入电路以及双排针状连接器等。

图1　通用基础平台方案框图

图2　通用基础平台工作面板设计图

2.2实验模块单元板的设计

1)实验与实践课程群

按知识系统性原则，我们对电子信息专业实验与实践教学内容进行重组，构建了包含“大学物理实验与实践”、“电子技术基础实验与实践”、“数字电路与微机技术实验与实践”、“信号与信息处理实验与实践”、“通信原理与技术实验与实践”、“控制原理与技术实验与实践”、“电子信息系统实验与实践”等7门相对独立的完全学分制的实验与实践课程群[3]。每门实验课程按知识和能力系统培养原则设计为模块化结构，如“电子技术基础实验与实践”课程包含信号放大、电源电路、信号变换、信号传输、信号产生与运算等模块。

每个实验教学模块包含若干教学单元，每个教学单元都有基础、提高、应用、创新性四层次的实验教学内容，重组后的课程群体系结构如图3所示。

图3　实验与实践课程群体系结构

2)实验模块单元板

根据各实验课程不同的实验模块设计了相应的单元板，每个单元板又分为核心单元板和拓展单元板，可实现基础、提高、应用和创新四个层次的实验，提供给不同专业、不同层次的学生选用。

(1)基础性实验—模块核心资源应该全部支持，学生仅需按照实验要求搭建电路，即可完成必须实验的内容。

(2)提高性实验—要求在充分利用模块资源的基础上，再在模块提高、拓展区域内按照自己的设计装配电路，完成指定的内容。

(3)应用性实验—要求在充分利用模块资源和提高拓展性实验已构建完成资源的基础上，在模块提高拓展区域或在自己制作的扩展实验单元区制作按照应用性实验题目要求，自己设计装配电路，完成指定内容。

(4)创新性实验—设计并制作新实验模块单元板来验证理论或观点，对实验的现象或数据进行理论诠释或归纳并提出观点。

各实验模块单元板应按通用基础平台的标准规范来设计制作；单元板设计要能涵盖基础性实验内容，支持提高、应用及创新性实验内容；要集关键元件、经典电路、器件和部件于一体，便于学生构建实验目标；要按教学内容中最高参数要求选用元件、电路、器件；设立提高和拓展性实验区域。

核心单元板和拓展单元板设计方案如图4和图5所示。单元板PCB图和3D实物图如图6和图7所示.各单元板采用统一型号和规格，两边用排针实现与通用基础平台的连接，多个实验单元模块板可层叠起来配合使用。

图4　核心单元板设计方案图

图5　拓展实验板设计方案图

图6　单元板PCB图

图7　单元板3D图

2.3实验平台整体设计

整个实验平台置于一个便携式手提箱内，箱盖上装入通用基础平台，箱体内放入各实验模块单元板和常用工具。

整个实验平台拓展性好，实用性强，携带方便；平台采用模块化设计，各模块相对独立，重复利用率高；实验不受时间和空间限制，不仅应用于课程实验，也可作为综合性设计、毕业设计、课外创新实践和学科竞赛的训练平台，真正实现实验的开放。

3结语

新的实验平台在我校电子信息科学与技术专业拔尖创新人才实验班已试用三年，每届学生30-35人，去年电子信息专业普通班也开始试用，新增使用人数68位。每个模块的实验，均由学生自己完成，单人单组，不重复利用。共同所需的基本器材由实验室统一采购，扩展部分则由学生承担。整个实验系统，学生一般需承担300到400元的器材费，但所有权归学生个人所有，实验完毕后所有模块单元板由学生自己保管，可用于学科竞赛、毕业设计及课外科技创新活动。学生找工作或研究生复试时，可将该实验平台和部分自己做的模块单元板带到现场展示，这样可大大改善面试效果。所以，尽管学生自己承担了部分器件费用，但因所有权属于学生，所以学生也很乐意。根据师生反映，该实验平台在多方面取得了良好效果，具体如下：

(1)师生对实验与实践教学的重视程度明显加大。

(2)学生的综合实践能力得到大大提高。在实验平台上学生自我管理、自我维护、自我扩展，有利于综合性、设计性和创新型实验的开展。

(3)实验效率得以大大提高。学生实验不局限于在实验室完成，实验可在课外随处准备和完成。

(4)学生就业竞争力得到大大增强。学生带着自己设计的实验板的实验箱参加应聘，可为自己成功就业增色。

(5)降低了办学成本，节省了实验场地，提高了学校管理效益和教学资源的利用率。

参考文献:

[1]杜月林. 构建多层次全方位实验平台体系培养高素质创新型人才[J]. 上海：实验室研究与探索, 2013, 32(2):202-204.

[2]阮国龙, 李忠明等. 电子信息专业实验教学新体系的构建与实践[J]. 南京：电气电子教学学报, 2014,36(3):112-114.

[3]王春兴. 电子信息专业实验课程体系改革与创新人才培养[J]. 北京：实验技术与管理, 2011, 28(8):136-138.

[4]邸馗, 籍亚玲等. 开展实验教学质量工程建设的探索与实践[J]. 北京：实验技术与管理, 2013, 30(1):15-18.

[5]胡建鹏, 张雅丹. 应用型高校多层次创新实验教学体系的实践[J]. 上海：实验室研究与探索, 2012, 31(12):135-139.

Design of a Modular and Open Innovative Experiment Platform for Electronic Information

RUAN Guo-long, LI Zhong-ming, LI He-ping, WANG Jiu-yun

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,HubeiUniversityofScience&Technology,Xianning437100,China)

Abstract:An experimental teaching platform with modular, multilevel and open type is proposed in this paper aiming at solving the defects of the traditional experimental box mode and it is mainly composed of the common basic platform and the experimental resource board. This paper chiefly investigates the functional requirements and design projects of the basic platform and resource board. Furthermore, the signal computation module is taken as an example to elaborate on the experimental teaching content of the cell module and the method of the cell plate design, and finally the application effect of the experimental platform is also summarized.

Keywords:electronic information; modularity; open type; experiment platform

文献标识码：B

文章编号：1008-0686(2016)01-0125-04

中图分类号：G642.0

基金项目：湖北省高校教学研究项目(2011002)；湖北科技学院教学研究项目(项目编号2014-XA-006)

收稿日期:2015-04-15;修回日期:2015-10-08

第一作者：阮国龙(1971-)，男，硕士，副教授，主要从事电子技术与计算机应用技术方面的教学与研究工作。E-mail: ruangl@126.com