高等工程教育实践教学体系的构建与应用

高等工程教育实践教学体系的构建与应用

高质量工程人才的培养是关系到我国21世纪科技进步的速度、生产和经济发展的水平。工程高等教育的实践培训对学生的全面素质培养起着独特的作用。构建“虚、实”相结合的实践教学体系成为高等工程教育发展的趋势,利用虚拟实验软件实现计算机仿真设计与虚拟实验,与传统的设计和实验方法相比,具有以下特点:(1)同步进行设计与实验,边设计边实验,且修改和调试方便;(2)设计和实验使用的元器件及测试仪器仪表齐全,可以完成各种类型的电子设计与实验;(3)能够方便地对实验参数进行测试和分析;(4)可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;(5)实验中不消耗实际的元器件,实验所需元器件的种类和数量不受限制,实验成本低,实验速度快,效率高;(6)设计和实验成功的电路可以直接在产品中实现。1实验方法的改革电子技术和通信技术的实验教学是电子、通信类专业学生重要的实践教学课程。包含很多的验证性和设计性、综合性的实验,其教学目的是让学生通过实验进一步加强和巩固所学的理论知识,提高学生对电子和通信技术方面的感性认识和初步的分析、设计能力。过去对于验证性实验的开设普遍的做法是,学生通过选择元器件连接实际电路,使用各种仪器进行测量,得到所需要的数据,然后进行分析,得出结果。采用传统的实验方法,需耗费大量的时间,而其由于各种各样的原因而达不到理想的效果;对于设计性、综合性实验,学生按照相应的技术指标和要求设计好电路原理图,计算合适的参数,选取所需要的元器件,然后按照原理图进行实际电路的连接,通过功能的调试和测试,得出最终结果,对电路设计或实验电路参数的修改很不方便,难以达到所预期的实验效果。针对传统实验方法的不足,我们在保持原有实验课时和内容的基础上,对实验手段进行了一些改革。应用虚拟软件进行计算机辅助实验教学,进行电子电路和通信系统的分析与设计。与传统实验相比,增强实验设计的灵活性、选择性,方便地修改元器件的参数,并即时看到电路参数对实验结果的影响情况,不存在元器件损坏的问题,学生可以大胆地进行实验,根据分析结果及时对电路进行改进和优化,省去了大量的繁琐工作,节省了大量时间。当然,用虚拟实现技术进行设计、测试仿真,尽管具有工作效率高、灵活性等特点,但是仿真实验总是偏于理想化,实体概念淡薄,分布参数的影响和抗干扰问题也难以考虑,作为教学手段,我们将仿真实验与实物实验有机的结合起来,优势互补,相互渗透。我校电信类专业实现了虚拟实验室与实物实验室的配套建设,既保证学生在虚拟环境下的仿真设计,又为学生提供了实物制作和调试的场所,使实验教学质量提高到新水平,实验中心成功通过湖南省高等院校示范性实验室的鉴定。2设计及仿真功能Mulitisim2001是加拿大InteractiveImageTechnologies公司的推出的虚拟仿真软件,它是一套完整的系统设计工具,其强大功能包括:元器件编辑、选取、放置;电路图编辑、绘制;电路工作状况测试;电路特性分析;电路图报表输出打印;档案转入/出;PCB文件转换功能;高阶RF设计功能;虚拟仪器测试及分析功能;计划及团队设计功能;VHDL及Verilog设计与仿真;FPGA/CPLD组件合成等。利用Mulitisim2001可以对各种电路进行性能指标和技术参数的测试与设计,并且可以实时的监控电路的工作情况,达到优化电路设计的目的,下面以Mulitisim2001仿真软件在电子技术和通信技术中的具体应用为例加以说明。2.1低频反馈网络图1是一个反馈式音调控制电路,它通过人为地调节输入信号的低频、中频和高频成分的比例,从而改变音响系统的频率响应特性,以补偿音响系统各环节的频率失真,也可用来满足用户对不同音色的要求。原理图中R1、R2、C3、C4和RP1组成低音反馈网络,R4、C1、RP2组成高音反馈网络。进入Multisim2001工作界面后,调用元器件库中的元件和测试仪器,设置元件的基本参数,启动仿真就可以在虚拟示波器上看到实验结果,通过调节RP1和RP2的控制键a和b可以看到参数改变后的仿真结果,RP1和RP2分别调到100%、50%的仿真结果如图2,当RP1和RP2分别调到50%、0%时的仿真结果如图3,而且在仿真过程中还可以改变信号源的电压和输出频率的大小,重新设置电路中的元件参数,观察对比不同参数下的实验结果,从而优化电路的设计,使学生在实物电路的安装、调试之前已对电路的性能有了清楚的认识。2.2接收端测试结果Multisim2001支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计,本例采用VerilogHDL语言描述了UART控制器,并下载到FPGA芯片中予以实现。UART主要由UART内核、信号监测器、移位寄存器、波特率发生器、计数器、总线选择器和奇偶校验器组成,原理图如图4。设定波特率为9600的情况下对VerilogHDL语言描述的UART控制器进行仿真,得到数据发送的仿真结果如图5。在send-bus端待发送的数据是0x55(十六进制),由send信号触发后,RS-232的TXD端输出序列001010101(二进制),其中第一位是起始位,中间的八位是待发送的数据0xFF(十六进制),最后再发送完成后输出提示信号send-over,由结果可知,发送的结果符合RS-232的时序要求,UART的发送功能完全正确。在相同测试条件下接收端的仿真结果如图6,首先,RXD端的数据序列为0101010010(二进制),表示起始位为0,之后数据位是10101010(二进制),所以待接收的数据是0xAA。recv-buf是数据接收总线,可以看到其最终得到的数据正是0xAA(十六进制)。并且在接收后recv输出高电平作为指示。由此可知,数据接收过程也是正确的。学生通过利用硬件描述语言软件实现UART控制器,既能够了解UART控制器的工作原理,又可以进一步掌握硬件描述语言的编程,还可以使学生对整个异步通信过程起到整体的认识作用,整个设计能够使学生利用所学习的软件知识实现硬件问题,培养他们的学习兴趣,开阔他们的视野,激发他们的创新思维,达到良好的实验效果。随着电子、通信技术的不断发展,采用虚拟软件进行电子和通信系统的设计成为当今工程技术人员普遍使用的方法,在培养未来工程人才的高等院校,把虚拟实现技术运用到实验教学中是不容置疑的。虚拟实现技术与传统的实验方式相比具有许多显著的优点,它可以快速、方便、准确的检测设计者的设计结果,直观的反映出设计方案的优劣,突