增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計

譚大為,孫 超,王 俊,馮文全

(北京航空航天大學(xué) 空天電子信息國家級實驗教學(xué)中心,北京 100191)

增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計

譚大為,孫 超,王 俊,馮文全

(北京航空航天大學(xué) 空天電子信息國家級實驗教學(xué)中心,北京 100191)

專業(yè)綜合實驗是課程設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分,是對學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的綜合實踐訓(xùn)練。通過增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計,以“興趣牽引,任務(wù)驅(qū)動,現(xiàn)象啟發(fā)引導(dǎo)”方式使學(xué)生鞏固所學(xué)的理論知識,培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力,加強基本技能的訓(xùn)練,切實提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

專業(yè)綜合實驗;增量式設(shè)計;任務(wù)驅(qū)動

收稿日期：2014- 05- 05 修改日期：2014- 07- 06

基金項目：“十二五”國家級實驗教學(xué)示范中心(2012)北航空天電子信息實驗教學(xué)中心建設(shè)項目(20120302006)

作者簡介：譚大為(1983—),男,湖南郴州,碩士,實驗師,主要從事高等教育實踐平臺研究與嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究.

E-mail：tdw@buaa.edu.cn

國內(nèi)外對于工程實驗教學(xué)提升工程和技術(shù)人才的培養(yǎng)質(zhì)量有著廣泛的共識[1-5],而專業(yè)綜合實驗更是對學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的綜合實踐訓(xùn)練,在工程能力培養(yǎng)方面有著非常重要的作用。專業(yè)綜合實驗針對本科四年級開設(shè),一般融入課程設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié),旨在鞏固學(xué)生所學(xué)的專業(yè)理論知識,培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力,加強基本技能的訓(xùn)練,切實提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

1 增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計思路與目標

增量式既體現(xiàn)在子實驗間的遞進過程,也體現(xiàn)在任務(wù)驅(qū)動過程中?？紤]到實驗的連貫性、繼承性以及實踐認知過程的一般規(guī)律,每個子實驗在上個實驗基礎(chǔ)上對實驗內(nèi)容都有1～2個知識點的增量,既能通過一些關(guān)鍵內(nèi)容和動手能力的多次重復(fù)訓(xùn)練,又能通過增加新的內(nèi)容保持學(xué)生的興趣而不至于乏味。在任務(wù)驅(qū)動過程中,自學(xué)預(yù)習(xí)、思考討論、方案設(shè)計、平臺搭建、器件選型、電路設(shè)計、軟件仿真、現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)測試與分析、表格設(shè)計、報告總結(jié)、答辯驗收、演講交流等內(nèi)容都有不同層次的要求,依次遞進展開[6]。

增量式專業(yè)綜合實驗由6個子實驗構(gòu)成,子實驗是層次遞進的關(guān)系。通過實驗流程的任務(wù)化設(shè)計,把每個實驗都當作一個任務(wù),按照規(guī)定流程逐項展開,這樣既提高實驗的針對性和可操作性,同時能在學(xué)生實驗過程中開展完成速度和準確性的比賽對抗,從而調(diào)動學(xué)生主觀參與的熱情。其中,任務(wù)分析階段學(xué)生自學(xué)預(yù)習(xí)實驗,涉及知識與方法;在處理器選擇環(huán)節(jié),通過實驗任務(wù)所需資源的分析,對比不同廠商的各個產(chǎn)品系列、型號,使學(xué)生對于器件選擇有較深刻的認識,同時開拓學(xué)生的視野;在軟硬件設(shè)計環(huán)節(jié),開展原理圖識讀、硬件設(shè)計流程及相關(guān)工具、軟件開發(fā)工具、電路調(diào)試相關(guān)內(nèi)容訓(xùn)練;在程序調(diào)試環(huán)節(jié),通過調(diào)試方式、方法的講解使用,指導(dǎo)學(xué)生完成實驗程序的調(diào)試;在代碼固化環(huán)節(jié),通過引導(dǎo)學(xué)生進行工程實踐中產(chǎn)品發(fā)布需求考量,完成代碼固化過程。圖1是任務(wù)驅(qū)動型實驗步驟示意圖。

圖1 任務(wù)驅(qū)動型實驗步驟

通過增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計,以學(xué)生興趣為牽引,結(jié)合模擬電路、數(shù)字電路等專業(yè)理論知識,培養(yǎng)學(xué)生獨立設(shè)計方案,獨立分析與解決問題的能力;同時通過工程能力訓(xùn)練(查閱數(shù)據(jù)手冊和資料、基本設(shè)計工具和EDA技術(shù)等),配合報告總結(jié)、答辯驗收、演講交流等形式,培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)淖黠L(fēng)和科學(xué)的態(tài)度。

2 實驗內(nèi)容設(shè)計

在實驗內(nèi)容設(shè)計上,通過對相關(guān)專業(yè)內(nèi)容進行梳理和采用平臺化思想[7-12],設(shè)計了一組具有層次性的實驗,其中包括5個基本實驗和1個開放式綜合實驗。6個子實驗是層次遞進的關(guān)系,學(xué)生完成當次實驗后通過預(yù)習(xí)下次實驗準備內(nèi)容,可以很好地將前一次實驗學(xué)習(xí)掌握的內(nèi)容與新的內(nèi)容有機結(jié)合,并通過可觀可感的現(xiàn)象提高學(xué)生參與及交互的興趣。

基本實驗有I/O控制、外部按鍵中斷、定時器、LCD顯示、多任務(wù)調(diào)度。綜合實驗是一個開放性實驗,學(xué)生預(yù)習(xí)ADC及其他相關(guān)內(nèi)容,并結(jié)合前5個實驗,依靠提供的資源完成具有一定功能和趣味性的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng),如俄羅斯方塊游戲、彈球游戲、電壓表等?；緦嶒灪烷_放式綜合實驗將增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計分為2個層次:第一個層次是通過一系列依次遞進的子實驗使學(xué)生對專業(yè)知識的實踐工程應(yīng)用有感性認識;第二個層次是在第一個層次基礎(chǔ)上專業(yè)知識的綜合運用,包括方案設(shè)計與論證、系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試、功能測試與設(shè)計總結(jié)等過程。實驗內(nèi)容推進與專業(yè)知識綜合運用的承接關(guān)系如圖2所示。

圖2 增量式專業(yè)綜合實驗內(nèi)容設(shè)計

在實驗內(nèi)容推進上需要重視實驗前講課內(nèi)容(包括知識講解、方法引導(dǎo)、背景解釋等)、實驗中的引導(dǎo)和實驗后的總結(jié)。實驗前的講課內(nèi)容主要在于梳理專業(yè)知識,為學(xué)生利用理論知識開展工程實踐建立一個感性認識,為后續(xù)實驗的展開奠定良好基礎(chǔ);實驗中需要根據(jù)學(xué)生實驗開展的情況及時加以指導(dǎo),并在一些開放性環(huán)節(jié)進行必要引導(dǎo),從而做到“開放”而不“放任”;實驗后的總結(jié)不僅是一份報告,一個成績,而且是通過演講交流等形式讓學(xué)生的經(jīng)驗流動起來;不局限實驗本身,鼓勵學(xué)生進行拓展,在其他領(lǐng)域運用實驗中學(xué)到方法與技能。

(1) 從學(xué)生的興趣點切入。 以介紹系統(tǒng)設(shè)計為例(見圖3),通過手機這一常見并與學(xué)生生活息息相關(guān)的嵌入式設(shè)備切入,通過分析其組成部分得到嵌入式系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),從而通過學(xué)生興趣點引入實驗前的講課內(nèi)容。

(2) 通過對比分析強化學(xué)生專業(yè)知識。 以器件選型為例(見圖4),通過嵌入式微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)與嵌入式微控制器的對比,得出2種系統(tǒng)在應(yīng)用中各自的優(yōu)勢與不足,從而強化學(xué)生相關(guān)概念、定義以及系統(tǒng)構(gòu)成等專業(yè)知識。

圖3 實驗內(nèi)容的引入(以系統(tǒng)設(shè)計為例)

圖4 系統(tǒng)對比分析(以器件選型為例)

(3) 對一些關(guān)鍵實驗現(xiàn)象及時加以形象化說明解釋。學(xué)生在實驗過程中會遇到一些實驗現(xiàn)象,這些現(xiàn)象在書本中已有解釋,但這些解釋可能比較抽象而難以讓學(xué)生形成直觀認識,因此,可以結(jié)合實驗條件和實驗進度進行形象化說明解釋。以電源為例(見圖5),在課前講解嵌入式微處理器構(gòu)成系統(tǒng)與嵌入式微控制器的對比時均有涉及(分別表述為“電源模塊”和“電源管理”),但并沒有就此展開,因此,在實驗過程中結(jié)合開關(guān)電源和線性電源電路組成進行形象化解釋,促進學(xué)生對于實驗原理的理解。

圖5 實驗電路的形象化說明(以電源為例)

(4) 通過實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生思考。 學(xué)生在專業(yè)知識學(xué)習(xí)中已經(jīng)了解“開關(guān)電源效率高,但輸出紋波大;線性電源效率低,但輸出紋波小”這樣一個定性的結(jié)論,在實驗過程中可以讓學(xué)生通過用手指觸摸開關(guān)電源芯片和線性電源芯片的非金屬部分(注意安全),根據(jù)手指的溫度感受對開關(guān)電源和線性電源的不同工作原理產(chǎn)生的實際現(xiàn)象(熱的程度)有感性認識,進而引導(dǎo)學(xué)生思考如何在工程實踐中結(jié)合開關(guān)電源和線性電源的優(yōu)勢構(gòu)建結(jié)構(gòu)合理的二次電源(見圖6)。

圖6 實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生思考(以二次電源結(jié)構(gòu)為例)

3 實施效果

增量式專業(yè)綜合實驗2012年秋季學(xué)期在我校電子信息工程、通信工程、電子科學(xué)與技術(shù)3個本科專業(yè)開始實施,目前已運行2屆,每屆160人。自實施以來,取得了良好的效果,學(xué)生在專業(yè)知識的理解、獨立思考與分析、獨立解決問題、知識自主獲取、嚴謹學(xué)術(shù)作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度等方面都得到了很好的培養(yǎng)與鍛煉,同時有的學(xué)生將專業(yè)綜合實驗中內(nèi)容加以拓展和延伸,結(jié)合自身的理解與靈感進行創(chuàng)新[13],在全國大學(xué)生電子競賽、全國信息安全競賽、全國嵌入式專題邀請賽、北航馮如杯等各級競賽中取得優(yōu)異的成績(見圖7)。實施過程中發(fā)現(xiàn)的一些問題也不斷得到優(yōu)化和解決,從而形成實施與反饋的良性循環(huán)與互動。

圖7 部分學(xué)生作品實物

4 結(jié)束語

本文針對增量式專業(yè)綜合實驗設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容進行了闡述,就實驗設(shè)計思路與目標、實驗內(nèi)容與實施、實驗效果與反饋等問題進行了說明,探討專業(yè)綜合實驗實踐過程中，通過“興趣牽引,任務(wù)驅(qū)動,現(xiàn)象啟發(fā)引導(dǎo)”指導(dǎo)原則，學(xué)生實現(xiàn)“被教學(xué)”到“主動學(xué)”,教師實現(xiàn)“少講少做”、“少指導(dǎo)多引導(dǎo)”、“少講授多啟發(fā)”的新型實驗教學(xué)互動關(guān)系的形成,培養(yǎng)學(xué)生獨立分析和解決問題的能力,增強學(xué)生對于專業(yè)知識的理解領(lǐng)悟,為學(xué)生未來研究性、探究性學(xué)習(xí)和可持續(xù)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

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Design of incremental professional comprehensive experiments

Tan Dawei,Sun Chao,Wang Jun,Feng Wenquan

(School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The specialized comprehensive experiment is an important part of curriculum design,which is a kind of comprehensive practical training for students who have studied specialized knowledge. By designing incremental specialized comprehensive experiments,and using the“interesting-motivated,task-stimulated,phenomenon-guided” method, the students can obtain help to consolidate theoretical basis,and strength their operation ability and innovation ability.

professional comprehensive experiment; incremental design;task drive

2014- 05- 05 修改日期：2014- 07- 06

“十二五”國家級實驗教學(xué)示范中心(2012)北航空天電子信息實驗教學(xué)中心建設(shè)項目(20120302006)

譚大為(1983—),男,湖南郴州,碩士,實驗師,主要從事高等教育實踐平臺研究與嵌入式系統(tǒng)實驗教學(xué)研究.

E-mail：tdw@buaa.edu.cn

TP368.1

A

1002-4956(2015)1- 0212- 04