通過實踐課提高學(xué)生的電子系統(tǒng)設(shè)計能力

【摘要】該文分析了獨立實踐課的設(shè)置背景，詳細(xì)介紹了《電子技術(shù)綜合實踐》課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)要求及考核方式。經(jīng)過幾年的教學(xué)實踐與總結(jié)，探索出通過獨立實踐課提高學(xué)生動手能力的一種有效的教學(xué)模式，取得了顯著效果。

【關(guān)鍵詞】實踐教學(xué);教學(xué)改革;電工電子

【中圖分類號】G420 【文獻標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)04—0132—03

引言

高等教育提出朝著“寬口徑、厚基礎(chǔ)、重能力”的方向發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)能力強、發(fā)展?jié)摿Υ蟮膹?fù)合型人才是高等教育追求的目標(biāo)。電子信息類專業(yè)主要培養(yǎng)具有寬厚電子技術(shù)和信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、較強的電子信息系統(tǒng)設(shè)計實踐能力、科學(xué)的思維方法、獨立分析問題和解決問題的能力、能從事各類電子設(shè)備和智能儀器的研究、設(shè)計、制造、應(yīng)用和開發(fā)的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。

當(dāng)今世界，電子產(chǎn)品層出不窮，并且向智能化方向發(fā)展，這樣日益凸現(xiàn)出單片機和FPGA等可編程器件在電子產(chǎn)品設(shè)計和創(chuàng)新中的重要性，用人單位普遍要求求職的畢業(yè)生能夠掌握單片機的基本原理和設(shè)計方法，有的單位甚至要求畢業(yè)生具有基于單片機系統(tǒng)的電子產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗[1]。電子系統(tǒng)設(shè)計主要是指基于單片機控制的完整應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)軟硬件設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試等多方面的知識。電子系統(tǒng)設(shè)計課程體系是以《單片機原理及應(yīng)用》課程為核心，由《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《感測技術(shù)》、《電子設(shè)計自動化》、《可編程邏輯器件及應(yīng)用》、《C語言程序設(shè)計》等相關(guān)課程組成。

一 設(shè)課背景

學(xué)生經(jīng)過《模擬電子技術(shù)》、《數(shù)字電子技術(shù)》、《單片機原理及應(yīng)用》、《感測技術(shù)》、《電子設(shè)計自動化》、《可編程邏輯器件及應(yīng)用》、《C語言程序設(shè)計》等課程的學(xué)習(xí)，通過教師教學(xué)和隨課的驗證性實驗，對于電子信息領(lǐng)域的相關(guān)理論知識有了了解和掌握，基本能夠進行單元電路的設(shè)計和調(diào)試，但驗證性實驗多數(shù)是教材內(nèi)容的演示和再現(xiàn)，學(xué)生基本沒有進行系統(tǒng)級的設(shè)計和實訓(xùn)，綜合實踐能力有待提高，學(xué)生沒有發(fā)揮自己的主觀能動性，不利于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。

通過分析學(xué)生參加多屆電子設(shè)計競賽的情況，我們發(fā)現(xiàn)，按傳統(tǒng)理論教學(xué)和實驗方法培養(yǎng)的學(xué)生，在參加電子設(shè)計競賽時，會出現(xiàn)很多問題，達不到預(yù)期目標(biāo)。比如:對某一功能電路進行設(shè)計，理論上設(shè)計正確但在工程上卻無法實現(xiàn);單元電路正確卻無法實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào);各模塊功能實現(xiàn)卻無法完成一個系統(tǒng)等等。這是因為電子設(shè)計競賽既不是單純的理論設(shè)計競賽，也不僅僅是實驗競賽，而是由一個參賽隊共同設(shè)計、制作完成一個有特定工程背景的題目的競賽。電子設(shè)計競賽不僅要在單元電路上實現(xiàn)預(yù)期功能，更要考慮模塊間的接口關(guān)系;它既強調(diào)理論設(shè)計，更強調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn);它考核了學(xué)生綜合運用基礎(chǔ)知識的能力，更注重考察學(xué)生的創(chuàng)新意識，在2009年的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中又增加了性能價格比和節(jié)能減排方面的考核內(nèi)容，更加貼近工程實際和產(chǎn)品設(shè)計。從所涉及的課程內(nèi)容上看，已經(jīng)不是競賽題目一門或者幾門課程所能解決的，而是一個由相關(guān)課程組成的課程群。再從競賽使用的器件上看，有很大一部分是理論教學(xué)中沒有講授和更新的，因為電子信息技術(shù)的發(fā)展太快，新技術(shù)、新器件層出不窮，傳統(tǒng)的教學(xué)方法和體系面臨了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，如果不進行改革，建立一個新的理論課和實踐課教學(xué)課程體系，就無法適應(yīng)培養(yǎng)現(xiàn)代化人才和發(fā)展高等教育的需要。

高等學(xué)校培養(yǎng)的人才最終是為社會和國家服務(wù)的，學(xué)生經(jīng)過四年的本科學(xué)習(xí)，最終要走向社會，從畢業(yè)生的就業(yè)情況看，絕大多數(shù)畢業(yè)生從事電子信息相關(guān)的工作[2]。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，到企業(yè)進行產(chǎn)品研發(fā)的學(xué)生通常是電子競賽獲獎或參加了電子競賽培訓(xùn)的學(xué)生，動手能力較強，而從事銷售、服務(wù)等工作的畢業(yè)生很大比例是不能夠進行研發(fā)，不得已才去做銷售、服務(wù)的。為了使學(xué)生掌握電子系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，在相關(guān)理論課教學(xué)完成后我們開設(shè)了一系列的獨立的綜合設(shè)計實踐課，對學(xué)生開放實驗室，學(xué)生可以集中時間完成一系列的綜合性、設(shè)計性實驗項目，鞏固理論教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力和設(shè)計水平，為參加各級電子設(shè)計競賽和以后就業(yè)打好基礎(chǔ)，一舉兩得，事半功倍[3]。

二 實踐課設(shè)置情況

系列實踐課的設(shè)置遵循認(rèn)知規(guī)律，是在隨課實驗基礎(chǔ)上的擴展和深入，經(jīng)過調(diào)研和討論，聽取兄弟院校、相關(guān)企業(yè)和畢業(yè)生的意見和建議，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力方面除了專業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)外，設(shè)置了一系列的獨立實踐課，分布于各個學(xué)期的教學(xué)中。以電子信息工程專業(yè)培養(yǎng)方案為例，實踐課設(shè)置情況如表1所示:

實踐課的教學(xué)基本上在相關(guān)的理論課程教學(xué)完成后進行，保證學(xué)生在進行實踐課時已經(jīng)完成先導(dǎo)課程的學(xué)習(xí)和驗證性實驗，除《電子技術(shù)綜合實踐》，其它多數(shù)實踐課是對某一課程的強化和拓展。

三 《電子技術(shù)綜合實踐》教學(xué)過程

在系列獨立實踐課中，《電子技術(shù)綜合實踐》是關(guān)鍵性的教學(xué)環(huán)節(jié)，是最貼近電子設(shè)計競賽和實際工作應(yīng)用的課程，要求綜合模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、傳感器、單片機、FPGA等多方面的知識。該課程強調(diào)以學(xué)生為主體，允許學(xué)生自由選題，題目的難度一般介于驗證性實驗和畢業(yè)設(shè)計之間。

本課程使學(xué)生能夠較系統(tǒng)地掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的全過程，包選題、文獻查閱、方案論證、器件選擇、電路設(shè)計、電路實現(xiàn)、軟件編程、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測試、總結(jié)報告、文檔整理等。學(xué)生完成由單元設(shè)計向系統(tǒng)設(shè)計的過渡，掌握現(xiàn)代化儀器設(shè)備在系統(tǒng)設(shè)計和實踐中的應(yīng)用。課程充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的獨立工作能力以及協(xié)作精神，并通過該課程選拔參加各類設(shè)計競賽的參賽選手。

1 題目設(shè)置

在該實踐課的教學(xué)上我們選擇了多個有代表性的、難易不同的實踐題目供學(xué)生選擇。具體題目有:液體點滴速度監(jiān)控裝置、電子秤的設(shè)計與制作、智能電梯控制系統(tǒng)、水溫控制系統(tǒng)、脈搏測量儀的制作、直流數(shù)控穩(wěn)壓源、數(shù)字式液量測量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制測量儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號發(fā)生器、智能小車等等。這些題目基本上都是綜合性、設(shè)計性的，有的題目是歷年電子設(shè)計競賽題目的簡化或分解。以液體點滴速度監(jiān)控裝置為例，該設(shè)計要求制作一個液體點滴速度監(jiān)測與控制裝置，如圖1所示，實現(xiàn)的功能有:

(1)在滴斗處檢測點滴速度，并制作一個顯示裝置，能動態(tài)顯示點滴速度(滴/分)。

(2)通過改變h2控制點滴速度，也可以通過控制輸液軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設(shè)定并顯示，設(shè)定范圍為20-150滴/分，控制誤差范圍為設(shè)定值 10% 。

(3)調(diào)整時間≤2分鐘(從改變設(shè)定值起到點滴速度基本穩(wěn)定，能人工讀出數(shù)據(jù)為止)。

(4)當(dāng)h1降到警戒值(2~3cm)時，能發(fā)出報警信號。

這個題目中對點滴速度和液面位置的檢測要用到傳感器，要有聲光報警電路，需要電機改變h2高度來控制點滴速度，整個系統(tǒng)由單片機進行控制，通常選擇PID算法來調(diào)整點滴速度。從實用和智能化角度出發(fā)，可以擴展成網(wǎng)絡(luò)，采用簡單的RS-232通訊實現(xiàn)從站和主站之間的通信，實現(xiàn)智能化管理。

學(xué)生在選題過程中進行引導(dǎo)，避免多組學(xué)生選擇同一題目，學(xué)生也可以自主擬定題目，經(jīng)過指導(dǎo)教師審核即可。學(xué)生3人為1個小組，成員有所分工。

2 教學(xué)要求

(1)綜合運用EDA軟件

學(xué)生根據(jù)所選題目進行方案設(shè)計，對方案中的電路進行設(shè)計計算，包括元器件的選擇和電路參數(shù)的計算。要求學(xué)生通過各種EDA軟件進行仿真驗證，選擇Multisim7、Proteus、ISE等軟件進行相關(guān)仿真實驗。

(2)硬件電路制作

設(shè)計方案經(jīng)指導(dǎo)教師審查通過后，學(xué)生領(lǐng)取所需元器件等材料，設(shè)計PCB電路板并且自己加工，最后焊接制作電路并調(diào)試。

本課程教學(xué)采用了“模板化”設(shè)計方法，將學(xué)生設(shè)計調(diào)試好的A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、鍵盤、顯示電路“模板化”，使系統(tǒng)設(shè)計的局部和整體有機結(jié)合，提高了實驗資源的利用率和實踐效率，“模板化”后的單元電路在電子設(shè)計競賽中也可使用。

(3)軟件的編制與仿真。根據(jù)已設(shè)計出的軟件系統(tǒng)流程圖，編制出各功能模塊的子程序及整機軟件系統(tǒng)的主程序，程序設(shè)計時，要充分考慮與所設(shè)計硬件電路的連接及有關(guān)指標(biāo)要求。向?qū)W生推薦使用C語言進行單片機的編程與開發(fā)，用C語言進行程序開發(fā)更方便移植，貼近實際工程背景，適合開發(fā)大型的工程應(yīng)用程序。

(4)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。學(xué)生集中在1周內(nèi)完成所選題目，3個學(xué)生為1組，按照模塊化設(shè)計方式有所分工，當(dāng)每個同學(xué)所負(fù)責(zé)的模塊調(diào)試成功后進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，要求學(xué)生之間相互配合，遇到問題一起找原因、想辦法，而不是相互埋怨、推脫責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神，積累系統(tǒng)調(diào)試的經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

(5)撰寫實踐總結(jié)報告。

書寫高質(zhì)量的工作總結(jié)是反映工作實踐素質(zhì)高低的一個重要方面，工程技術(shù)人員應(yīng)能用書面形式系統(tǒng)、完整、清晰地表達自己的研究成果，其目的是讓人很容易地看懂所研究課題的內(nèi)容、方案、原理、實現(xiàn)方法等。因此，書寫實踐總結(jié)報告也是實踐課考核的主要內(nèi)容之一。

3 考核方法

(1)設(shè)計方案正確性與合理性，綜合考慮性能價格比和系統(tǒng)功耗。

(2)實踐動手能力，包括PCB設(shè)計水平、安裝工藝水平、焊接工藝水平。

(3)設(shè)計成果，達到的指標(biāo)。

(4)調(diào)試中分析和解決問題的能力，創(chuàng)新精神。

(5)題目的難易程度。

(6)獨立工作能力，實踐工作態(tài)度。

(7)總結(jié)報告完成的質(zhì)量。

四 教學(xué)效果

經(jīng)過幾年的教學(xué)和改革，對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)取得了較好的效果。2005年以來，學(xué)生參加了全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽和浙江省大學(xué)生電子設(shè)計競賽，共獲3個全國一等獎，2個全國二等獎，4個省一等獎，6個省二等獎。近5年，本科生一次就業(yè)率年均在90%以上，多數(shù)畢業(yè)生到企業(yè)從事研發(fā)工作，少數(shù)畢業(yè)生獨立創(chuàng)業(yè)、注冊公司進行電子產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)。

此外，學(xué)生參與教師科研項目、獨立申報承擔(dān)浙江省新苗計劃項目、浙江省大學(xué)生創(chuàng)新項目、校級學(xué)生科研項目的數(shù)量都顯著提高。

五 結(jié)束語

實踐課主要體現(xiàn)在對實際工程應(yīng)用系統(tǒng)或產(chǎn)品的研制，使學(xué)生經(jīng)歷從課題任務(wù)的提出到方案的論證、設(shè)計，軟件及硬件的開發(fā)、聯(lián)機調(diào)試等若干步驟。學(xué)生通過自己設(shè)計實驗電路、實驗步驟、實驗方法等，綜合應(yīng)用電子技術(shù)的能力、理論聯(lián)系實際的能力得到了很大的提高，促進了學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)揮。這些實踐課是在理論課教學(xué)和相應(yīng)驗證性實驗基礎(chǔ)上的深入和提高，是對學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計的綜合性訓(xùn)練，這種訓(xùn)練培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力、獨立工作能力及創(chuàng)新能力。

參考文獻

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