通信电子电路实验考试系统设计与应用

李星蓉，余 萍，韩东升，李 然，贾惠彬

（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003）

通信电子电路是通信电子类专业的必修课程，是一门实践性、应用性很强的专业基础课。为了提高学生学习的主动性、创新意识以及实践能力[1]，结合我校通信电子电路课程的教学实践，先后在教学方法、教学内容、小班授课[2]等方面对该课程进行了多次改革。为解决学生在学习通信电子电路中遇到的难点，提出了基于形成性评价的通信电子电路教学研究，设计形成性评价教学活动[3]。目前，通信电子电路课程是我校的精品课程，并承担着一项河北省教改项目——“基于案例探究式及创新能力培养的通信电子电路教学模式研究与实践”。

通信电子电路实验作为实践教学环节，要求学生了解通信电子电路的基础内容和最基本的通信电子电路分析和设计方法，熟悉典型实用电路，同时培养学生分析问题和解决问题的能力[4]，对提高学生的独立研究能力有很大的帮助。许多高校在这方面开展了积极的探索，如西安电子科技大学以培养工程思维为教学目标，提出了通信类专业工程体验实验的教学内容和模式改革方式，用工程思维让大一新生从感性上认识通信与信息系统及主要知识点的关系[5]；杭州电子科技大学开展了以基础实验为引导、软件仿真为支撑、设计实验为主导的教学内容改革和以自主实验与合作实验相结合的教学方法改革[6]；广西民族师范学院针对目前通信电子电路实验采用集成模块电路，学生只知如何进行调试，不知电路的具体构成，缺乏对电路的设计环节等问题，提出将仿真电路实验与实物电路实验有机结合同步操作的教学模式[7]。我校针对通信电子电路实验教学改革，提出基于“双主原则”的通信电子电路实验教学模式，对通信电子电路实验教学过程中教师和学生的相辅相成的关系进行了深入探讨，着重突出学生在实践过程中的主体地位[8]，进行了团队合作实验教学探索[9]，以及基于能力培养和团队协作的通信电子电路实验考核模式研究[10]。总体来说，对通信电子电路实验教学的研究主要还是基于教学方法、教学手段、教学内容等方面，而很少有提及实验考试的实验教学研究。

实验教学离不开各种实验装置和实验箱，但大量用于高等院校电子类课程实践教学环节的电子电路实验箱，均不同程度存在设计性和综合性体现不足等问题[11]。以前，我校通信电子电路实验室也存在仪器设备少、器材不够完善等问题。学生只能分组完成一些特定电路的实验。另外，由于受到实验室条件的限制，无法对每名学生进行实验操作考核，这样就造成有些学生不是靠自己的能力完成实验测试，而是依赖其他学生，最后的实验成绩不能真实反映学生的实验能力。

在新的教学改革中，我们提出了案例式“通信电子电路”模块化实验方案设计与实践方法[12]，将实验教学分成了分模块基础实验、系统性实验以及实验考试三个环节。在总结以前工作经验的基础上，与北京中科浩电公司联合研制了ZK-GP4型通信电子电路实验系统、ZK-GP4-KH型通信电子电路考试实验系统（以下简称“学生考试机”）以及教师出题考试机。学生在完成基础实验和系统性实验测试的情况下，参加单人单机实验操作考试。

1 实验考试系统设计与应用

通信电子电路实验考试系统由学生考试机以及教师出题考试机两部分组成，两者之间采用2.4 GHz频率进行无线通信。

1.1 学生考试机设计

学生考试机包括练习和考试两个功能，当选择“练习”功能的时候，由系统内置程序自动出题供学生平时练习使用。当选择“考试”功能的时候，由教师出题考试机随机出题供学生正式考试使用。

学生考试机是一个完整的幅度调制解调收发系统，分为控制功能电路区、LC本地振荡器电路区、基极调幅与丙类功放电路区、小信号调谐放大器电路区、二极管检波电路区、混频输出电路区、中频放大器功能电路区共7个功能模块。控制功能电路区由液晶显示、无线通信模块、蜂鸣器、电源指示、控制功能键等组成（见图1）。

图1 学生考试机

学生考试机可以针对不同电路功能模块设置故障点，在各功能区都设计了继电器，通过控制继电器动作设置故障点。在振荡电路区域，振荡频率正常为8.8 MHz。在此区域设置了“振荡器不起振”“振荡频率偏移”两个题目。在基极调幅与丙类功放电路区，放大器谐振频率为6.3 MHz。在此区域设有“放大器静态工作点偏置故障”“选频回路谐振故障”“信号匹配发射故障”三个题目。在小信号调谐放大器电路区，放大器谐振频率为6.3 MHz，通频带约为500 kHz，矩形系数约为1.25。在此区域设有“放大器静态工作点偏置故障”“有载、空载品质因数性能故障”“谐振耦合程度故障”三个题目。在二极管检波电路区，输入信号为调幅波信号，载波频率为2.5 MHz，调制深度为 40%左右。在此区域设有“惰性失真”“负峰切割失真”二个题目。在混频输出电路区，本振信号为8.8 MHz，射频信号为6.3 MHz。在此区域设有“本振信号输入故障”“射频信号输入故障”“混频信号输出故障”三个题目。在中频放大电路区，输入信号2.5 MHz，每级的放大倍数为5～10倍。在此区域设有“放大器偏置故障”“前级放大器故障”“后级放大器故障”三个题目等。总计可以设置16个故障点。

在每个故障点旁边设计一个开关，如果学生通过测试判断出该位置是故障点，则按一下这个开关确认即可。如果判断正确则此处的电路故障被排除恢复正常，同时记录操作一次，正确操作一次，故障总数减1；如果判断错误，则这次操作属于误操作，将计入总操作次数，而不计入正确操作次数，故障总数不变。误操作将会影响到学生最后的考试成绩，误操作次数越多成绩越差。学生答题结束后按“提交试卷”结束考试，同时系统停止计时。

1.2 教师出题考试机设计

教师出题考试机（见图2）可以编辑考题以及设置考试时间并发送到学生考试机上。在考试前，教师出题考试机给学生考试机下发考试题目（题目是遥控学生考试机中相关电路的继电器发生动作，从而产生故障）并设置考试时间（见图 2(b)）。教师出题考试机可以对16个故障点任意组合，根据学生在基础实验和系统实验中的操作情况，一般给每名学生设置2～4个故障，考试时长设为30 min，学生考试机在接收到考题后，学生按下开始考试按钮进入考试状态，系统开始倒计时，时间用尽则不能再进行操作，考试自动终止。开始考试后，教师出题考试机可以实时监测学生考试机的考试状态，包括每台学生考试机的考试剩余时间、总操作次数、正确操作次数、出题时设置的总故障个数等，如图2(c)所示。这样方便在考试过程中对误操作次数过多的学生及时提出警告。在学生考试结束后，教师出题考试机根据学生操作情况，给出一个参考成绩。

图2 教师出题考试机

由于有了考试题目和考试操作时间的约束，学生在排除电路中的故障时，就要尽量做到又快又准。这就对学生分析电路的能力提出了较高的要求，从而要求每名学生在做基础性实验的时候必须认真操作，熟练操作每台仪器设备，熟悉每个电路模块各个测试点的波形、频谱、幅度等参数，不能再像以前那样依赖同伴。

2 学生实验考核评价

对于基础性电路实验，学生需要根据教师下发的实验任务书内容设计实验方案，注明需要用到的器件和仪器，制定实验步骤。在实验方案中需要标明实验测试点，预测各信号测试点的波形、频谱、幅值等参数。在完成以上实验预习的基础上进行实验测试，记录实验中出现的问题，分析电路故障及解决办法并完成实验报告，这部分成绩将占总成绩的20%。

对于系统性电路实验，学生根据实验任务书要求选择ZK-GP4型通信电子电路实验系统中的分模块电路搭建幅度调制解调整机系统和频率调制解调整机系统，并对整机系统各相关指标进行测试，对无线信号收发优劣状况、信号质量、通信距离等给出结论并完成实验报告，这部分成绩将占总成绩的20%。

除了基础性实验和系统性实验外，对学生的实验成绩评定还要依据最终的实验考试结果。学生考试结束后，在教师出题考试机的监测屏幕上可看到每台学生考试机有几个故障需排除、总操作次数、正确次数、剩余时间、参考成绩等信息，实验考试占总成绩的 60%。最后将这三个成绩综合起来给出学生最终的实验成绩。

3 结语

通过对我校2015级、2016级和2017级三届学生的学、教、考分离式实验教学方法的实施，其成效明显。学生从以往按给定实验步骤机械地做实验变为主动预习实验内容并设计实验方案，自主学习意识得到提高。学生通过实验操作并对实验结果进行分析，加深了对课程内容的理解，提高了学生将课堂理论应用到实际高频硬件电路设计与测试的能力。实验操作考试机制的改革激发了学生的实验兴趣，提高了学生独立操作仪器的能力，学生的实验考试成绩也更加公平合理，更能反映学生的真实水平。