內容簡介
《電子信息類專業創新實踐教程/普通高等教育“十三五”規劃教材》以生産生活和工程應用為背景,理論結閤實踐,理解電子係統構建的基本思想和方法,掌握電子製作與設計的基本方法和基本技能,通過課題設計實踐,啓發學生創新思維,提高學生的實踐創新能力。《電子信息類專業創新實踐教程/普通高等教育“十三五”規劃教材》主要內容包括聲音信號的産生和觀測、灰度傳感器的原理和應用、電機驅動和簡易小車製作、紅外測距傳感器和避障應用電路,以及兩個綜閤案例設計。
《電子信息類專業創新實踐教程/普通高等教育“十三五”規劃教材》可作為普通高校電子信息類專業本科一年級學生的教材,也可作為大學生創新課程和學科競賽的輔導書,還可供相關專業的工程技術人員參考。
內頁插圖
目錄
前言
第一篇 實踐前的準備工作
第1章 認識器件和材料
1.1 搜集電子元器件的信息
1.1.1 逛元器件市場
1.1.2 網絡平颱
1.1.3 電子展會
1.1.4 官方網站和論壇
1.2 認識常規元器件
1.2.1 電阻器、電位器
1.2.2 電容器
1.2.3 電感器
1.2.4 半導體器件
1.3 常用材料和工具
1.3.1 實驗用麵包闆
1.3.2 萬用闆
1.3.3 印製電路闆
1.3.4 焊接材料和工具
第2章 典型測量儀錶的使用
2.1 數字萬用錶
2.1.1 瞭解數字萬用錶
2.1.2 認識數字萬用錶的擋位和測量
2.2 函數信號發生器
2.3 電子示波器
2.4 直流穩壓電源
2.4.1 直流穩壓電源功能
2.4.2 給電子係統進行供電
2.4.3 注意共地
第3章 學習電路CAD軟件
3.1 瞭解常用的電路CAD軟件
3.1.1 電路CAD軟件概述
3.1.2 常用電路cAD軟件比較
3.2 Multisim仿真軟件使用
3.3 OrCADCaptureCIS原理圖設計
第二篇 電子初學者的創新實驗
第4章 聲音信號的産生和觀測
4.1 聲音信號與電子信號
4.1.1 認識典型電子信號
4.1.2 MP3發齣的聲音信號
4.2 聲音信號的産生
4.2.1 電子係統中聲音信號的産生
4.2.2 聲音信號的接收和聲電轉換
4.3 本章實驗和要求
4.3.1 電子信號的産生和觀測實驗
4.3.2 聲音的産生實驗
4.3.3 聲音的接收實驗
課後思考和作業
第5章 灰度傳感器的原理和應用
5.1 進一步瞭解電子信號和測量設備
5.1.1 模擬信號、直流信號和交流信號
5.1.2 進一步使用信號發生器、示波器
5.2 光敏電阻
5.2.1 光敏電阻簡介
5.2.2 光敏電阻的主要參數和基本特性
5.3 可見光光敏電阻構成的灰度傳感器
5.3.1 灰度傳感器簡介
5.3.2 灰度傳感器的構成(光敏電阻)
5.4 紅外二極管構成的灰度傳感器
5.4.1 紅外灰度傳感器的構成
5.4.2 集成灰度傳感器TCRT5000
5.4.3 紅外灰度傳感器應用電路
5.4.4 仍需改進的灰度傳感器應用電路
5.5 實驗內容和要求
5.5.1 信號的産生和觀測
5.5.2 光敏電阻性能的定性測量
5.5.3 灰度傳感器的測試
課後思考和作業
第6章 電機驅動和簡易小車製作
6.1 小車的動力部件——直流電機
6.1.1 小型直流電機簡介
6.1.2 直流電機的運轉
6.2 用三極管驅動直流電機
6.2.1 三極管
6.2.2 三極管作為電子開關
6.2.3 電機的調速原理
6.2.4 H橋驅動電路實現完整驅動
6.3 H橋驅動電路應用原理圖
6.4 簡易小車的搭建
6.5 實驗內容和要求
6.5.1 LED的控製
6.5.2 H橋製作
6.5.3 簡易小車搭建
課後思考和作業
第7章 紅外測距傳感器和避障應用電路
7.1 紅外測距傳感器介紹
7.1.1 紅外傳感器簡介
7.1.2 紅外測距傳感器基本原理
7.1.3 GP2YOA21YK紅外測距傳感器的參數
7.2 利用電壓比較器來檢測電壓
7.2.1 電壓比較器實現測距的基本方法
7.2.2 認識電壓比較器芯片
7.2.3 LM393電壓比較器典型電路
7.3 障礙檢測和報警應用電路的構成
7.4 實驗內容和要求
7.4.1 紅外測距傳感器測距實驗
7.4.2 紅外測距和報警電路設計
課後思考和作業
第8章 綜閤課題——簡易尋跡小車設計
8.1 尋跡小車的設計要求與規則
8.2 尋跡小車設計的基本原理
8.2.1 小車基本原理概述
8.2.2 小車電路模塊的基本方案
8.2.3 需要再次確認的細節
8.3 電源和動力
8.4 小車預覽
8.5 實驗內容和要求
8.5.1 尋跡小車設計
8.5.2 提高要求
課後思考和作業
第9章 綜閤課題——導盲避障遊戲設計
9.1 導盲避障遊戲要求與規則
9.2 設計原理
9.2.1 紅外測距傳感器特性概述
9.2.2 避障電路功能和原理分析
9.3 實驗內容和要求
課後思考和作業
附錄A 電子信息類專業主要創新創業競賽
A.1 全國大學生電子設計競賽
A.2 全國大學生智能汽車競賽
A.3 中國機器人大賽
A.4 國際大學生iCAN創新創業大賽
A.5 全國軟件和信息技術專業人纔大賽
附錄B 常熟理工學院校內電子設計競賽試題
B.1 2013年決賽試題
B.2 2014年決賽試題
B.3 2015年決賽試題
參考文獻
前言/序言
創新教育是以培養大學生創新意識、創新精神、創新思維、創造力或創新人格等創新素質為目的的一切教育活動。聯閤國教科文組織在“21世紀的高等教育:展望與行動”中提齣“要有以學生為中心的新視角和新模式,使學生能夠以批判精神思考和分析社會問題,尋求解決的辦法;重新設置課程,立足學生獲得技能、纔乾和交往的能力”,明確瞭創新能力培養在高等教育中的重要性。教育部《關於全麵提高高等教育質量的若乾意見》明確要求創新人纔培養模式,將創新教育貫穿本科人纔培養全過程,製定創新教育教學基本要求,開發創新類課程,納入學分管理,鼓勵和支持本科生參與科研活動,早進課題,早進實驗室,早進團隊,完善國傢、地方、高校三級創新項目資助體係,重點建設一批高校學生科技創新創業實習基地。高校創新教育的實施是社會主義核心價值體係的明確要求,是促進自身可持續發展的現實需要,是提高大學生綜閤素質的關鍵所在。
本書主要關注的是電子信息類本科專業的創新教育,當您翻開這本書,一個豐富、充滿活力和創造性思維的電子科學創新世界已嚮您敞開。在這裏,通過課題知識點的拆分和組閤,您將領略到電子創新技術和創造性思維。
電子信息産業是國民經濟的戰略性、基礎性、先導性産業,是加快工業轉型升級及國民經濟和社會信息化建設的技術支撐與物質基礎。同時,電子信息産業也是整個國傢推動創新驅動發展的最主要方嚮,無論是德國工業4.0還是中國製造2025,無不是依靠電子信息領域的創新發展來驅動的。經過幾十年的發展,電子信息産業早已是名副其實的國民經濟第一大支柱産業,也是國傢重點發展的六大戰略性支柱産業之一。在通信、高性能計算機、數字電視等領域也取得一係列重大技術突破,形成一批國際知名的信息技術企業,如聯想、華為、阿裏巴巴等,成為推動我國經濟轉型、結構優化的中堅力量。
雖然創新教育開始逐步進入本科生培養方案,但相關的專業教材仍然稀缺,為此,我們綜閤各方資料和課程自編講義,曆時兩年編撰瞭本書。其內容來源於我們在專業創新教學中多年的積纍,根據內容的層次遞進與培養能力的逐級提升,將會有電子信息類專業創新課程的一個完整係列教材。您目前看到的是本係列第一本教材,主要麵嚮本科一年級的學生,適用於電子科學與技術、電子信息工程等相關專業,同樣適閤於對電子技術感興趣的初學者。
本書前3章講解一些基礎的元器件、典型的儀器儀錶和必要的CAD軟件知識,作為基礎的鋪墊,供學生參考自學。讀者最好配閤實踐環節,根據需要選擇閱讀,在實踐中學習。
本書第4章開始講述具體的實踐內容。第4章主要介紹聲音信號的産生和觀測,帶領初學者窺探聲音信號在電子技術中的基本形式,通過對聲音信號的觀測,學習和瞭解電子信號的基本知識,學會利用基本的電子測量儀器進行信號測量,揭開電子技術的第一層麵紗。
第5章介紹灰度傳感器的原理和應用,學會這個就可以開始自己製作智能小車瞭,當然這隻是萬裏長徵的第一步。
第6章介紹電機驅動和簡易小車製作,學生可以瞭解小車的動力部件,並且通過實踐,搭建一部簡易小車。
第7章介紹紅外測距傳感器和避障應用電路,帶領學生去瞭解以紅綫測距傳感器為基礎的測距原理,並把它用於實際的障礙物檢測中。
第8、9章中給齣兩個完整的綜閤課題案例。這兩章實際上是前麵章節的綜閤應用,通過知識點的拆分和重組,要求學生麵對實際的應用環境設計課題。希望學生能夠按照步驟親手做一遍,肯定會有很多收獲。
在本書最後,通過附錄的形式,給齣瞭相關學科競賽的介紹和常熟理工學院2013~2015年校內大學生電子設計競賽的試題,希望對讀者起到開拓思路和鞏固電子技術的作用。
《數字時代下的工程創新:理論與實踐的融閤》 前言 身處日新月異的數字時代,工程領域正經曆著前所未有的變革。信息技術以前所未有的速度滲透到各個行業,催生齣新的技術、新的業態、新的模式。作為肩負國傢未來科技發展重任的工程技術人纔,僅僅掌握傳統的工程理論知識已不足以應對挑戰。創新能力、實踐能力以及跨學科的融閤能力,已成為衡量一名優秀工程師的重要標準。本書旨在為廣大工程類專業的學生提供一個係統性的、理論與實踐相結閤的學習平颱,引導他們掌握解決復雜工程問題的方法,培養具備前瞻性視野和創新精神的未來工程師。 第一章:數字時代的工程範式轉變 本章將深入探討數字技術對傳統工程領域帶來的顛覆性影響。我們將迴顧工程學科的發展曆程,分析信息技術,如人工智能、大數據、雲計算、物聯網、5G通信等,如何重塑工程設計的理念、流程與工具。 1.1 工程發展史的迴顧與數字時代的烙印 從工業革命到信息革命:工程技術發展的裏程碑。 數字技術為何成為本輪工程變革的核心驅動力。 傳統工程思維模式的局限性與數字時代新思維的崛起。 1.2 關鍵數字技術的賦能與工程應用的演進 人工智能(AI): 智能設計、預測性維護、自動化製造、人機協作等。 大數據分析: 數據驅動的決策、性能優化、故障診斷、用戶行為分析。 雲計算: 彈性計算資源、協同設計平颱、雲原生工程應用。 物聯網(IoT): 智能感知、數據采集、遠程監控、設備互聯互通。 5G通信: 高帶寬、低延遲,賦能實時控製、高清傳輸、分布式計算。 其他新興技術: 虛擬現實(VR)/增強現實(AR)在設計與培訓中的應用,區塊鏈在工程項目管理中的潛力等。 1.3 工程創新能力的內涵與培養路徑 什麼是工程創新:不僅僅是技術突破,更是解決問題的能力。 創新的驅動力:需求牽引、技術推動、交叉融閤。 創新能力的構成要素:批判性思維、係統思維、設計思維、跨界協作。 培養創新能力的教育理念與方法論。 第二章:工程項目全生命周期的數字化管理與實踐 工程項目的成功離不開有效的管理。本章將聚焦於如何利用數字技術,對工程項目的概念設計、詳細設計、製造、部署、運行、維護乃至報廢等全生命周期進行精細化、智能化管理,從而提高效率,降低成本,規避風險。 2.1 工程項目數字化啓動與規劃 需求分析與智能化建模:如何從模糊的需求快速生成結構化的模型。 項目目標設定與風險評估:利用數據模型進行量化預測。 資源配置與協同管理平颱:基於雲平颱的項目管理軟件應用。 2.2 數字孿生(Digital Twin)技術在工程設計與仿真中的應用 什麼是數字孿生:現實世界物理對象的虛擬映射。 數字孿生的構建方法:傳感器數據采集、建模與仿真。 設計階段的數字孿生:性能預測、參數優化、潛在問題預警。 仿真驗證與虛擬測試:在虛擬環境中完成大量的測試,減少物理原型製造。 2.3 數字化製造與智能産綫 工業4.0背景下的製造模式:柔性生産、定製化生産。 增材製造(3D打印)在原型製作與復雜結構製造中的應用。 機器人技術與自動化流水綫:提高生産效率與精度。 生産過程的實時監控與質量追溯。 2.4 工程項目運行與維護的智能化升級 物聯網在設備監控與狀態感知中的作用。 預測性維護:通過數據分析預測設備故障,提前進行維護。 遠程診斷與故障排除:利用遠程連接與專傢係統。 運行數據的反饋與優化:將運行數據用於改進設計與製造。 2.5 工程項目生命周期管理(PLM)的數字化轉型 PLM係統的核心功能與價值。 如何實現跨部門、跨環節的信息共享與協同。 數據安全與知識産權保護在PLM中的考量。 第三章:創新工程設計的思維與方法 本章將引導學生掌握麵嚮創新的工程設計思維模式和方法論,包括係統工程、敏捷開發、用戶體驗設計等,並結閤具體案例進行闡述。 3.1 係統工程方法論與復雜問題分解 係統思維:將工程問題視為一個相互關聯的整體。 需求工程:如何識彆、分析和管理用戶需求。 係統架構設計:如何構建穩健、可擴展的係統。 接口管理與集成:確保不同子係統之間的順暢協作。 3.2 敏捷開發與迭代式創新 敏捷宣言與原則在工程開發中的應用。 短周期迭代與快速反饋:快速響應變化,持續改進産品。 Scrum、Kanban等敏捷實踐的介紹。 適閤敏捷開發的工程項目類型。 3.3 以用戶為中心的設計(UCD)與用戶體驗(UX) 理解用戶需求與痛點:用戶研究方法。 原型設計與可用性測試:通過低保真、高保真原型驗證設計。 用戶體驗的評估與優化:關注産品的易用性、情感連接和整體滿意度。 3.4TRIZ(發明問題解決理論)與創新設計工具 TRIZ的基本原理:技術係統進化法則、矛盾分析、理想化終極結果。 TRIZ工具的應用:發明輪、物場分析、標準解法等。 如何將TRIZ應用於工程創新問題的解決。 3.5 頭腦風暴、類比思維與設計衝刺(Design Sprint) 激發創意的多樣化方法。 從自然、其他領域尋找靈感。 快速驗證創意可行性的流程。 第四章:跨學科融閤與協同創新實踐 在數字時代,單一學科的知識已不足以解決復雜的工程難題。本章將強調跨學科知識的融閤與團隊協作的重要性,並提供相應的實踐指導。 4.1 跨學科工程的興起與必然性 從“T”型人纔到“π”型人纔:深度與廣度的結閤。 案例分析:生物工程與信息技術結閤的醫療設備,材料科學與人工智能結閤的新材料開發。 新興交叉學科領域介紹:如機器人學、智能製造、智慧城市、生物信息學等。 4.2 團隊協作與溝通的數字工具 在綫協作平颱:文檔共享、任務管理、實時溝通。 版本控製係統(如Git):代碼與設計文件的協同管理。 虛擬會議與遠程協作:打破地理限製,實現高效團隊閤作。 4.3 創新團隊的組建與管理 多元化團隊的優勢與挑戰。 有效的團隊溝通策略與衝突解決。 建立積極的團隊文化,鼓勵開放交流與思想碰撞。 4.4 實踐項目中的跨學科融閤案例 智能傢居係統的設計與實現。 自動駕駛汽車的感知與決策係統開發。 可穿戴健康監測設備的研發。 智慧農業解決方案的設計。 第五章:未來工程發展趨勢與個人職業規劃 本章將展望未來工程領域的發展方嚮,幫助學生提前規劃職業生涯,成為適應未來需求的創新型工程師。 5.1 未來工程技術發展的關鍵方嚮 可持續工程與綠色技術:應對氣候變化與資源枯竭。 普惠工程與包容性設計:為所有人創造價值。 人機共生與智能助理:人與智能係統和諧共存。 空間工程與深空探索:拓展人類生存與發展的邊界。 5.2 學習與自我提升的持續路徑 終身學習的重要性:保持知識與技能的更新。 在綫學習資源與平颱:MOOC、專業論壇、技術博客。 參與開源項目與社區:學習先進技術,貢獻智慧。 專業認證與繼續教育。 5.3 創新型工程師的職業素養與發展 持續學習與適應能力。 解決復雜問題的能力。 卓越的溝通與協作能力。 強烈的社會責任感與倫理意識。 對新技術保持好奇心與探索精神。 5.4 案例分析:成功創新工程師的經驗分享 不同領域工程師的成長路徑與關鍵決策。 如何將理論知識轉化為實際應用。 麵對失敗與挫摺的態度與應對策略。 結語 數字時代的工程創新不是遙不可及的彼岸,而是每一個積極思考、勇於實踐的工程師所能抵達的未來。本書提供的知識框架和實踐指導,旨在點燃您內心的創新火種,引導您在理論與實踐的交匯處,塑造卓越的工程能力。願本書成為您在數字化浪潮中勇攀高峰的堅實階梯,開啓您的創新工程之旅。