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摘要：开放式电子工程训练是培养学生工程实践能力的一种教学模式，其根本目的在于增强学生的工程制造能力和实践经验。本文结合我校机电实习中心开展开放式电子工程训练的现状，介绍了实践教学改革的情况。实践证明，开展以典型的、综合的工程项目和产品为教学平台的开放式电子工程训练，不仅可以更加有效地利用实验室资源，而且有利于培养学生运用综合知识独立解决实际问题的能力，是值得推广的实践教学模式。
关键词：电子工程训练；工程制造能力；开放实验
作者简介：高宁（1955-），男，北京人，北京信息科技大学机电实习中心，高级实验师；宋晓娜（1978-），女，吉林长春人，北京信息科技大学机电实习中心，实验师。（北京 100192）
基金项目：本文系北京信息科技大学2009年度教学改革项目（项目编号：2009JG48）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0144-02
我国科技创新型的经济发展模式和现代科学技术的发展，需要大量具有创新精神、掌握现代专业技术知识，并能灵活运用专业知识解决工程实际问题、具有工程制造能力和素质的专业人才。因此，改革旧的实验教学模式，构建培养工程科技人才的教学模式势在必行。高等工程教育由于强化了工程实践训练和案例教育，是造就工程科技人才的有效途径，也是高校本科实践教育必不可少的重要环节。[1，2]近年来，我校在实践教学环节进行了一系列的改革和创新，其中机电实习中心进行了开放式电子工程训练教学的尝试，并取得了很好的效果。
一、开放式电子工程训练教学模式的构建
开放式电子工程训练以培养学生工程制造与创新能力为教学目地，使学生在本科期间积累一定的工程制造经验，培养工程实践素质。开放式教学模式采取：（1）内容开放，即规定的教学内容与自选内容相结合；（2）时间开放，即学生可灵活选择课余时间参与工程训练；（3）教学方式开放，采用教师重点讲解与自学相结合、以及辅导与研讨结合的教学方法。此外，开放式教学将采用多媒体、网络、动画、图像等技术，以增强工程训练的教学效果。
二、开放式电子工程训练内容的设置
内容是工程训练的灵魂。选择能满足市场需要的实用性工程项目和产品、引进科研项目、培养电子产品研发的基本技能等，都可以作为开放式电子工程训练的内容。在我校开展开放式工程训练的过程中，设置了丰富的训练题目，如：印刷电路板（PCB）的制作、电子产品的安装和调试、单片机多种信号发生器的制作、单片机温、湿度控制器的制作、可编程序控制器联网应用实践、可编程序控制器与组态软件相结合的组态监控综合应用、智能车控制、交流电动机自动控制系统等等。这些训练内容涵盖了电子工程训练的大部分内容，既有基础性的技能训练，也有提高性的创新训练，有的还结合了电子、电工、控制等综合知识的应用，适合不同层次的学生根据自身的特点选作。
这种多层次、综合性、应用性、趣味性的教学内容，可以使学生在训练过程中逐步掌握现代电子产品设计、加工技术以及工程应用技能，初步具有电子产品研发和工程制作能力，从而为培养具有创新意识、创新能力和科学思维方法的高素质人才提供了重要平台。[3，4]
三、开放式电子工程训练的教学方法
传统的实践教学方法是教师系统讲解实验原理，详细安排实验方法和步骤，学生按照固定的模式去做。这样不仅耗费大量的时间，而且缺少学生独立思考和设计的环节，不利于调动学生的积极性，实验的效果也不好。
在开放式电子工程训练的教学实践中，我们逐步改变了以往的教学方法。例如：在绘制印制电路板、制作单片机应用电路实验板和开发板的电子工程训练中，为了充分发挥学生的创新意识和科研能力，我们采用以学生为主体，教师只起辅助的指导作用。具体而言，学生可以参考视频软件、网络资料和相关书籍来学习设计印制电路板和单片机应用电路板的制作步骤和操作方法。教师则可根据需要采用多媒体课件讲解protel99等绘图软件的使用方法、单片机硬件电路的知识、C语言的编程方法、killc51集成开发软件的应用等，并引导学生根据训练内容的需要主动学习各种基本技能，解决单片机应用电路板设计、安装、调试过程中容易出现的问题。在单片机应用电路设计环节，学生则可以根据个人的兴趣和用途，采用不同的单片机芯片独立进行设计，并完成实验板的制作、调试。这样，才能使学生的创新思维和个性得到充分发展，培养学生创新意识和实际动手能力。
四、开放式电子工程训练典型案例介绍
由于开放式电子工程训练一般都是贴近工程实际的训练项目，因此涉及到的知识领域也非常广泛，要在有限的时间内完成这些内容，需要采取有效的教学组织。以“单片机应用电路实验板的制作”为例，这项训练包括以下几个主要环节：绘制电路原理图和印制电路板图（PCB图）、制作印制电路板、安装和焊接电路板、调试软硬件等。
1.单片机应用电路的设计
通常情况下，参与“单片机应用电路实验板的制作”工程训练的学生在此之前并没有系统学习过单片机的知识，因此在该环节的教学组织中以教师讲解单片机应用电路原理和元器件知识为主，学生借助视频教学课件、网络教材，以及相关教材自主学习为辅，并且通过实践制作逐步应用和理解单片机的知识。在上述理论和实践的基础上，要求学生能够发挥主观能动性，自主设计出具有某些特定功能的单片机应用电路。在这个从理论到实践、实践到认识、再从认识回到实践的学习过程中，培养了学生的自学能力和利用专业知识解决实际问题的兴趣，从而为创新能力的培养奠定了基础。
2.印制电路板图的制作
（1）绘制单片机应用电路原理图。应用绘图软件绘制单片机应用电路原理图、印制电路板图，是进行电子产品开发必备的基本技能，也是需要经过多次实践才能掌握的一项技术。其基本步骤为：1）学生通过自学掌握绘图软件的功能和基本用法；2）利用原理图元件库编辑器制作元件；3）编辑元件参数；4）掌握在原理图中放置元件、布线的方法和要求；5）用表格编辑器检查元件的属性遗漏；6）对原理图进行电气法则测试；7）教师讲解原理图的编辑和调整、元器件的封装等步骤，用具体实例来讲解电路图常见错误，以尽可能减少原理图中出现的错误：如漏画导线和元件、元件参数不全、导线没有连通等，最终形成完好的单片机应用电路原理图。这一环节需要参与的学生既要有专业知识做基础，也要有对待工程设计一丝不苟的责任心，才能圆满完成设计任务。
（2）绘制印制电路板图。在印制电路板图的绘制过程中，首先需要利用protel绘制软件的网络表和自动布局功能将叠加的元件分开，并手工调整元件的位置，使电路板整体布局合理；然后再利用自动布线功能布置导线的宽度、焊盘的尺寸、通孔孔径等。具体来讲，绘制印制电路板图的一般原则为：1）元间放置位置要紧凑、距离要短、元件间连线尽量短、尽可能缩小印制电路板的尺寸；2）导线间距大于4mil；3）电源线、地线尽量要粗，以提高电路板带负载的能力；4）焊盘尽量大，采用椭圆型焊盘，防止钻孔时损坏焊盘；5）导线与焊盘间距离应尽量拉大，以防止产生干扰信号。
在工程训练项目中，学生独立制作的单片机应用电路印制电路板图如图1所示。通过印制电路板的制作，学生还可以学习掌握转印机、雕刻机、高速视频钻等设备的使用方法，进一步了解印制电路板的制作工艺方法和过程。显然，了解现代电子工业的新技术、新工艺、新设备等，也是积累工程制造经验的过程。
3.单片机应用电路实验板的制作
（1）元器件的选择。单片机应用电路实验板是集编程器、仿真器、ISP下载线、实验电路为一体的电路板，它利用单片机自身的资源，外加电源电路、时钟电路、复位电路，构成单片机应用系统。本次工程训练中，单片机采用应用广泛的AT89S52芯片（兼容STC89C系列芯片），与其他电路包括RS232串行通信接口、数码管显示、LED显示、蜂鸣器、中断控制、继电器控制等，共同构成了单片机应用电路。在此基础上，学生可以根据控制需要选择加单片机片外存储器RAM（6264）、ROM（2764），来扩展单片机存储空间；或者加模数转换芯片（ADC0804）和数模转换芯片（DAC0800），来实现直流电动机的调速控制等。
（2）电路板的安装。元器件选定之后，学生就可以自行安装并焊接电路板。在此环节要注意：1）焊接之前，应检测印制电路板，防止出现断路、短路、焊盘脱落的问题，以减少故障；2）电路板焊接重点是集成芯片，其管脚易出现焊接短路的故障，因此要提前练习焊接芯片管脚；3）焊接完成后，要用数字万用表检查焊点之间有无短路故障，以确保电路板的焊接质量。焊接好的单片机实验板如图2所示。
（3）联机调试。单片机应用电路实验板硬件部分制作完成以后，需要对其进行软件编程并进行调试以实现特定的功能。步骤如下：1）将通信电缆接入装有kill C51集成开发软件的PC机串口和单片机电路板串口；2）为实验板接入9V直流电源；3）使用数字示波器检测硬件电路各点信号（如复位信号、时钟信号、I/O输出信号）；4）用C语言编写源程序；5）使用kill C51集成开发软件内嵌的仿真调试软件进行模拟仿真；6）将调试好的源程序烧录到单片机内，在实验板上实现输入输出实验。
通过反复的调试，学生能够掌握源程序的编辑、编译、仿真、在线下载、在线调试方法和过程，并且学会自行解决调试过程中经常出现的错误，最终实现单片机应有的功能，圆满完成工程训练的任务。
五、教学改革效果
实践证明，开放式工程训练在高校创新人才培养过程中所发挥的作用是十分重要的。通过典型工程项目和电子产品制作工程训练，学生的工程制作能力不仅有了显著的提高，而且可以通过自主学习实现创新型项目的开发，进一步培养综合素质和创新能力。我校参加过电子工程训练的学生在电子设计大赛中已经初步展现了自己的工程实践能力，取得了很好的成绩。此外，开放式电子工程训练也为实践教学积累了宝贵的经验，有利于提高实践教学的效果，由此引发的实践教学模式的改革将更加适合现代人才的培养要求。
参考文献：
[1]韩芝侠,脱慧,饶汉文,等.电子工艺实习教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2007,26(11):108-111.
[2]王璐,杨明.电工电子学开放实验的改革与探索[J].中国电力教育,2010,(36):130-131.
[3]王涛,钟穗东,张汉平,等.大学生开放实验教学的探索与研究[J].中国现代教育装备,2010,(13):125-127.
[4]宋凤莲,巫世晶,刘梅清.自主创新工程训练教学模式的构建[J].实验室研究与探索,2008,27(2):113-115.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：电子工程训练；工程制造能力；开放实验
作者简介：高宁（1955-），男，北京人，北京信息科技大学机电实习中心，高级实验师；宋晓娜（1978-），女，吉林长春人，北京信息科技大学机电实习中心，实验师。（北京 100192）
基金项目：本文系北京信息科技大学2009年度教学改革项目（项目编号：2009JG48）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）21-0144-02
我国科技创新型的经济发展模式和现代科学技术的发展，需要大量具有创新精神、掌握现代专业技术知识，并能灵活运用专业知识解决工程实际问题、具有工程制造能力和素质的专业人才。因此，改革旧的实验教学模式，构建培养工程科技人才的教学模式势在必行。高等工程教育由于强化了工程实践训练和案例教育，是造就工程科技人才的有效途径，也是高校本科实践教育必不可少的重要环节。[1，2]近年来，我校在实践教学环节进行了一系列的改革和创新，其中机电实习中心进行了开放式电子工程训练教学的尝试，并取得了很好的效果。
一、开放式电子工程训练教学模式的构建
开放式电子工程训练以培养学生工程制造与创新能力为教学目地，使学生在本科期间积累一定的工程制造经验，培养工程实践素质。开放式教学模式采取：（1）内容开放，即规定的教学内容与自选内容相结合；（2）时间开放，即学生可灵活选择课余时间参与工程训练；（3）教学方式开放，采用教师重点讲解与自学相结合、以及辅导与研讨结合的教学方法。此外，开放式教学将采用多媒体、网络、动画、图像等技术，以增强工程训练的教学效果。
二、开放式电子工程训练内容的设置
内容是工程训练的灵魂。选择能满足市场需要的实用性工程项目和产品、引进科研项目、培养电子产品研发的基本技能等，都可以作为开放式电子工程训练的内容。在我校开展开放式工程训练的过程中，设置了丰富的训练题目，如：印刷电路板（PCB）的制作、电子产品的安装和调试、单片机多种信号发生器的制作、单片机温、湿度控制器的制作、可编程序控制器联网应用实践、可编程序控制器与组态软件相结合的组态监控综合应用、智能车控制、交流电动机自动控制系统等等。这些训练内容涵盖了电子工程训练的大部分内容，既有基础性的技能训练，也有提高性的创新训练，有的还结合了电子、电工、控制等综合知识的应用，适合不同层次的学生根据自身的特点选作。
这种多层次、综合性、应用性、趣味性的教学内容，可以使学生在训练过程中逐步掌握现代电子产品设计、加工技术以及工程应用技能，初步具有电子产品研发和工程制作能力，从而为培养具有创新意识、创新能力和科学思维方法的高素质人才提供了重要平台。[3，4]
三、开放式电子工程训练的教学方法
传统的实践教学方法是教师系统讲解实验原理，详细安排实验方法和步骤，学生按照固定的模式去做。这样不仅耗费大量的时间，而且缺少学生独立思考和设计的环节，不利于调动学生的积极性，实验的效果也不好。
在开放式电子工程训练的教学实践中，我们逐步改变了以往的教学方法。例如：在绘制印制电路板、制作单片机应用电路实验板和开发板的电子工程训练中，为了充分发挥学生的创新意识和科研能力，我们采用以学生为主体，教师只起辅助的指导作用。具体而言，学生可以参考视频软件、网络资料和相关书籍来学习设计印制电路板和单片机应用电路板的制作步骤和操作方法。教师则可根据需要采用多媒体课件讲解protel99等绘图软件的使用方法、单片机硬件电路的知识、C语言的编程方法、killc51集成开发软件的应用等，并引导学生根据训练内容的需要主动学习各种基本技能，解决单片机应用电路板设计、安装、调试过程中容易出现的问题。在单片机应用电路设计环节，学生则可以根据个人的兴趣和用途，采用不同的单片机芯片独立进行设计，并完成实验板的制作、调试。这样，才能使学生的创新思维和个性得到充分发展，培养学生创新意识和实际动手能力。
四、开放式电子工程训练典型案例介绍
由于开放式电子工程训练一般都是贴近工程实际的训练项目，因此涉及到的知识领域也非常广泛，要在有限的时间内完成这些内容，需要采取有效的教学组织。以“单片机应用电路实验板的制作”为例，这项训练包括以下几个主要环节：绘制电路原理图和印制电路板图（PCB图）、制作印制电路板、安装和焊接电路板、调试软硬件等。
1.单片机应用电路的设计
通常情况下，参与“单片机应用电路实验板的制作”工程训练的学生在此之前并没有系统学习过单片机的知识，因此在该环节的教学组织中以教师讲解单片机应用电路原理和元器件知识为主，学生借助视频教学课件、网络教材，以及相关教材自主学习为辅，并且通过实践制作逐步应用和理解单片机的知识。在上述理论和实践的基础上，要求学生能够发挥主观能动性，自主设计出具有某些特定功能的单片机应用电路。在这个从理论到实践、实践到认识、再从认识回到实践的学习过程中，培养了学生的自学能力和利用专业知识解决实际问题的兴趣，从而为创新能力的培养奠定了基础。
2.印制电路板图的制作
（1）绘制单片机应用电路原理图。应用绘图软件绘制单片机应用电路原理图、印制电路板图，是进行电子产品开发必备的基本技能，也是需要经过多次实践才能掌握的一项技术。其基本步骤为：1）学生通过自学掌握绘图软件的功能和基本用法；2）利用原理图元件库编辑器制作元件；3）编辑元件参数；4）掌握在原理图中放置元件、布线的方法和要求；5）用表格编辑器检查元件的属性遗漏；6）对原理图进行电气法则测试；7）教师讲解原理图的编辑和调整、元器件的封装等步骤，用具体实例来讲解电路图常见错误，以尽可能减少原理图中出现的错误：如漏画导线和元件、元件参数不全、导线没有连通等，最终形成完好的单片机应用电路原理图。这一环节需要参与的学生既要有专业知识做基础，也要有对待工程设计一丝不苟的责任心，才能圆满完成设计任务。
（2）绘制印制电路板图。在印制电路板图的绘制过程中，首先需要利用protel绘制软件的网络表和自动布局功能将叠加的元件分开，并手工调整元件的位置，使电路板整体布局合理；然后再利用自动布线功能布置导线的宽度、焊盘的尺寸、通孔孔径等。具体来讲，绘制印制电路板图的一般原则为：1）元间放置位置要紧凑、距离要短、元件间连线尽量短、尽可能缩小印制电路板的尺寸；2）导线间距大于4mil；3）电源线、地线尽量要粗，以提高电路板带负载的能力；4）焊盘尽量大，采用椭圆型焊盘，防止钻孔时损坏焊盘；5）导线与焊盘间距离应尽量拉大，以防止产生干扰信号。
在工程训练项目中，学生独立制作的单片机应用电路印制电路板图如图1所示。通过印制电路板的制作，学生还可以学习掌握转印机、雕刻机、高速视频钻等设备的使用方法，进一步了解印制电路板的制作工艺方法和过程。显然，了解现代电子工业的新技术、新工艺、新设备等，也是积累工程制造经验的过程。
3.单片机应用电路实验板的制作
（1）元器件的选择。单片机应用电路实验板是集编程器、仿真器、ISP下载线、实验电路为一体的电路板，它利用单片机自身的资源，外加电源电路、时钟电路、复位电路，构成单片机应用系统。本次工程训练中，单片机采用应用广泛的AT89S52芯片（兼容STC89C系列芯片），与其他电路包括RS232串行通信接口、数码管显示、LED显示、蜂鸣器、中断控制、继电器控制等，共同构成了单片机应用电路。在此基础上，学生可以根据控制需要选择加单片机片外存储器RAM（6264）、ROM（2764），来扩展单片机存储空间；或者加模数转换芯片（ADC0804）和数模转换芯片（DAC0800），来实现直流电动机的调速控制等。
（2）电路板的安装。元器件选定之后，学生就可以自行安装并焊接电路板。在此环节要注意：1）焊接之前，应检测印制电路板，防止出现断路、短路、焊盘脱落的问题，以减少故障；2）电路板焊接重点是集成芯片，其管脚易出现焊接短路的故障，因此要提前练习焊接芯片管脚；3）焊接完成后，要用数字万用表检查焊点之间有无短路故障，以确保电路板的焊接质量。焊接好的单片机实验板如图2所示。
（3）联机调试。单片机应用电路实验板硬件部分制作完成以后，需要对其进行软件编程并进行调试以实现特定的功能。步骤如下：1）将通信电缆接入装有kill C51集成开发软件的PC机串口和单片机电路板串口；2）为实验板接入9V直流电源；3）使用数字示波器检测硬件电路各点信号（如复位信号、时钟信号、I/O输出信号）；4）用C语言编写源程序；5）使用kill C51集成开发软件内嵌的仿真调试软件进行模拟仿真；6）将调试好的源程序烧录到单片机内，在实验板上实现输入输出实验。
通过反复的调试，学生能够掌握源程序的编辑、编译、仿真、在线下载、在线调试方法和过程，并且学会自行解决调试过程中经常出现的错误，最终实现单片机应有的功能，圆满完成工程训练的任务。
五、教学改革效果
实践证明，开放式工程训练在高校创新人才培养过程中所发挥的作用是十分重要的。通过典型工程项目和电子产品制作工程训练，学生的工程制作能力不仅有了显著的提高，而且可以通过自主学习实现创新型项目的开发，进一步培养综合素质和创新能力。我校参加过电子工程训练的学生在电子设计大赛中已经初步展现了自己的工程实践能力，取得了很好的成绩。此外，开放式电子工程训练也为实践教学积累了宝贵的经验，有利于提高实践教学的效果，由此引发的实践教学模式的改革将更加适合现代人才的培养要求。
参考文献：
[1]韩芝侠,脱慧,饶汉文,等.电子工艺实习教学改革与实践[J].实验室研究与探索,2007,26(11):108-111.
[2]王璐,杨明.电工电子学开放实验的改革与探索[J].中国电力教育,2010,(36):130-131.
[3]王涛,钟穗东,张汉平,等.大学生开放实验教学的探索与研究[J].中国现代教育装备,2010,(13):125-127.
[4]宋凤莲,巫世晶,刘梅清.自主创新工程训练教学模式的构建[J].实验室研究与探索,2008,27(2):113-115.
（责任编辑：麻剑飞）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文