大學生電子競賽與綜合能力培養(yǎng)探討

劉曼玲+彭衛(wèi)韶+曹宏宇

摘要：湖南省與全國大學生電子設(shè)計競賽每年交叉進行，具有一定的權(quán)威性和影響力，也吸引了許多的電子愛好者、優(yōu)秀大學生參賽，并在省賽與國賽中取得了不少驕人的成績。本文介紹中南大學選拔、組織與培訓學生的經(jīng)驗，以及提高大學生綜合能力的方法，促進高等教學改革與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：電子競賽組織培訓綜合能力教學改革

全國大學生電子設(shè)計競賽是由教育部高等教育司和信息產(chǎn)業(yè)部人事司主辦的四大學科競賽之一，是一項全國性的大學生群眾性科技活動，旨在推動全國普通高等學校的課程體系與課程內(nèi)容的改革[1]，培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力、團結(jié)合作的精神、理論聯(lián)系實際的作風，為普及課外科技活動和服務(wù)現(xiàn)代化建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)與平臺。

一、學生選拔

為了更好地搞好電子競賽，中南大學一般從電子愛好者和成績好的大學二年級的學生中選拔，電類與非電專業(yè)的學生均可以參與，讓他們在具備一定的電子技術(shù)、編程語言等理論基礎(chǔ)和參加電工與電子實驗、實踐后進行，效果會比較好。首先在全校采取自愿報名、三人自由組合成隊的形式進行，因為省賽和國賽都是以團隊參賽。第一輪選拔以三人組的形式進行，主要考察學生的理論基礎(chǔ)、創(chuàng)新意識，如果能結(jié)合自身專業(yè)的特點則更好！這需要學生在網(wǎng)上和圖書館查閱資料，具有初步的設(shè)想。進入實驗室后再重新組隊并注意優(yōu)勢互補、結(jié)構(gòu)合理：如高年級與低年級的學生組合；參過賽的與未參過賽的學生搭配；軟件編程方面強的與擅長硬件的同學配合等，從而實現(xiàn)良好的“傳、幫、帶”，保證競賽隊伍和實驗室的穩(wěn)定發(fā)展與持續(xù)繁榮。在經(jīng)過實驗室的一段培訓后，在比賽前幾個月再對學生進行第二次選拔，這時要求學生做出實際的產(chǎn)品：如小車、電源、機器人等，由帶隊老師進行現(xiàn)場測試，并在網(wǎng)上公示入圍參賽者名單。

二、組織培訓

經(jīng)過選拔后的學生，需要全方位進行組織培訓。首先是要有一支專門的競賽指導教師團隊，各類項目擁有各自領(lǐng)域的專家教授。通過邀請不同專業(yè)的老師做專題講座，拓寬學生的專業(yè)局限與思路，更快、更好地掌握科學技術(shù)的發(fā)展前沿。中南大學凝聚了一支有著豐富的實踐經(jīng)驗、樂于奉獻、富有熱情、不求回報的師資隊伍，為大學生電子競賽提供了基本保證。如每一個三人組配備一個指導老師，建立了各類QQ群，定期組織師生、生生之間的交流活動：開會、討論與溝通，包括以前獲獎學生的經(jīng)驗介紹、電子愛好者的知識分享、創(chuàng)意交流和協(xié)同創(chuàng)造等。

1.培訓目標

電子競賽實際上是一個綜合能力培養(yǎng)的過程，要開拓大學生思維，讓他們接觸技術(shù)前沿與多專業(yè)綜合性知識，了解當今先進的電子設(shè)計理念以及先進的技術(shù)，能夠分析復雜的電子電路；具有較強的實踐操作能力，熟練掌握焊接技術(shù)、整機布線技術(shù)以及機械組裝手法；熟悉一些常用的傳感器，譬如電機光電編碼器等；會機器人常用的控制手法，包括軟件嵌入式控制和硬件電路控制；掌握總線技術(shù)和接口技術(shù)，并且能夠熟練地運用在電子電路中，形成電路的模塊化設(shè)計，特別是串行通信技術(shù)，會使用一般的信號與系統(tǒng)分析手段；培養(yǎng)學生了解EDA的一般開發(fā)流程；具備相關(guān)操作系統(tǒng)、計算機組成原理等理論知識，能夠熟練使用Linux操作系統(tǒng)及相關(guān)GNU工具鏈，并能進行一般的EDA項目開發(fā)；會運用Altium Designer設(shè)計PCB電路板，了解PCB板布線的原則，掌握穩(wěn)定硬件電路的布線規(guī)則，并且能設(shè)置AD軟件的規(guī)則；能熟練使用Keil uVision5、Eclipse、IAR軟件開發(fā)ARM微控制器；掌握常用的微控器的編程語言，能特別熟練編寫C語言，熟悉VHDL語言；要求學生了解嵌入式項目開發(fā)的一般流程；掌握各類主流單片機和DSP器件的使用特性，能夠熟練搭建和使用相關(guān)開發(fā)測試環(huán)境；可以進行一些較為簡單的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)；掌握構(gòu)建機械框架的基本方法，能利用SolidWorks設(shè)計出需要的機械圖紙。

2.理論培訓

在培訓目標的基礎(chǔ)上，要求學生學習電路理論、數(shù)字電子技術(shù)和模擬電子技術(shù)，并且自學與電子電路設(shè)計方面的基礎(chǔ)知識；能利用基礎(chǔ)知識學習與電子設(shè)計相關(guān)的專業(yè)課程，以達到舉一反三的效果，養(yǎng)成自主學習知識并且利用知識的好習慣；學習自動控制原理，并且能利用基本的控制知識，掌握控制的基本方法，具有創(chuàng)新的基礎(chǔ)知識儲備庫；學習微機控制原理，著重學習接口技術(shù)與串行通信技術(shù)，構(gòu)建微控制器基本構(gòu)建框架，學習微控制器的基本設(shè)計理念；學習MATLAB系統(tǒng)仿真與建模，深入學習Simulink，學習一般的系統(tǒng)建模方法，利用強大的Simulink仿真平臺設(shè)計一般的控制系統(tǒng)；自學信號與系統(tǒng)，學習分析系統(tǒng)的方法；學習電機拖動，并能利用電機的知識設(shè)計機器人的電機驅(qū)動，分析電機的參數(shù)，利用電機的參數(shù)，結(jié)合自動控制原理對電機進行相應(yīng)的閉環(huán)或開環(huán)控制；學習機械及其自動化專業(yè)知識，利用機械設(shè)計的知識構(gòu)建機器人的一般框架，設(shè)計整個系統(tǒng)的搭載體；系統(tǒng)學習相關(guān)Verilog HDL語言的基本知識，自主學習EDA開發(fā)工具和仿真工具的使用，補充相關(guān)基礎(chǔ)知識，自學Linux操作系統(tǒng)相關(guān)知識和技能，利用該項目實現(xiàn)對SOPC技術(shù)和IP核的移植學習。階段學習Altium Designer軟件，逐步學會設(shè)計集成原件庫、原理圖、PCB電路板，到相關(guān)網(wǎng)站學習先進的硬件電路板設(shè)計規(guī)則。學會查詢需用到的芯片的使用方法，能看懂芯片手冊；學習SolidWorks軟件的使用方法，并利用SolidWorks平臺設(shè)計出機械框架。

3.實踐培訓

實踐環(huán)節(jié)主要包括機械組裝和電路板焊接。電路板焊接需要進行理論教學和現(xiàn)場試驗，學習PCB板的構(gòu)造、焊錫點的特性以及焊錫的溫度曲線。學習利用焊臺和焊槍焊接電子元件；學習回流焊儀器的操作方法，利用焊錫的溫度曲線設(shè)置適當?shù)暮附訒r間，保證焊點結(jié)實、不虛焊。機械組裝包括機械元件的拼裝和線路的走線。學會機械組裝的規(guī)律以及規(guī)定的方法，規(guī)范使用工具，養(yǎng)成良好的操作習慣。熟練學會一般的機械結(jié)合線路布局的設(shè)計方法，利用理論知識完成機械內(nèi)的電路走線。會使用各種儀器設(shè)備查找故障并迅速排除。

三、綜合能力培養(yǎng)

在電子競賽中能取得比較好的成績的團隊都具有刻苦努力、創(chuàng)新創(chuàng)造、團結(jié)合作、理論扎實、身體過硬的綜合能力。

由于競賽培訓采取日常同學們利用業(yè)余時間到實驗室工作的方式進行，需要學生具有對電子學的熱情，自愿犧牲娛樂與休息時間進行科學研究。在遇到各種問題時，具備不折不饒的求索精神。如無人機的程序是開源的，但要看懂別人的程序設(shè)計則需要花費一段時間，只有在弄懂他人已有的設(shè)計基礎(chǔ)上，才能進行創(chuàng)造性的改造與更新。

在一個團隊里雖然有分工，但也要相互幫助與合作。以電源題為例，將其分成三塊分別由三人負責：主電路與驅(qū)動、輔助電源與檢測、控制，但全組人員都參與電路設(shè)計，使電路設(shè)計與程序設(shè)計能有機結(jié)合，讓對整體方案了解且參與所有過程的同學撰寫設(shè)計報告。在遇到困難時，需要團隊的精誠合作與集思廣益，而不是相互埋怨與指責。尤其是比賽時，參賽選手必須具備良好的心理素質(zhì)，沉著冷靜、大膽心細，秉持把損失降到最小的原則去完成比賽，力爭取得好的成績。比賽要把握全局，有結(jié)果很重要，但不要一味追求指標而造成不可挽回的結(jié)果。

培訓的過程，實際上是一個從理論指導實踐，再從實踐上升到理論的螺旋式的升華過程。學生除了會利用百度、谷歌常用的搜索方法之外，還要學會從中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫中查找中外資料、碩士論文、博士論文等。學生更要好好地利用圖書館中的藏書資源以及各種電子網(wǎng)站提供的芯片、應(yīng)用筆記與數(shù)據(jù)手冊等。在大多數(shù)電子競賽前，一般會先告知比賽要用到的主要芯片，這些芯片相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊和開發(fā)資料一般可以從生產(chǎn)廠家的網(wǎng)站上獲得[2]。

由于電子競賽實踐性很強，有時與理論還有一段的差距。因此，在比賽前，參賽團隊最好能夠進行幾次完整的電路設(shè)計，按照比賽的題目要求，在規(guī)定的時間內(nèi)練習完成，并且粗略估計自己的得分。在實訓過程中能發(fā)現(xiàn)這些題目的通性，也可以積累一些經(jīng)驗教訓，迅速排除比賽過程中容易出現(xiàn)的錯誤。同時找到適合自己團隊的模式，一些既定的模塊方案可以直接確認，減少比賽過程中在方案確定上產(chǎn)生的分歧，提高效率。

比賽既是能力戰(zhàn)，又是一場體力戰(zhàn)。大部分電子競賽實訓，都集中安排在暑假進行，這時氣溫高，在實驗室工作的時間又比較長，如果身體比較弱的話，就很容易中暑，所以平常學生要注意鍛煉，保持自己的精力，休息和飲食也很重要。其次就是心態(tài)了，這個自己要會調(diào)整并互相幫助。無論比賽能不能拿獎，都要保持一顆平常心，以最好的精神狀態(tài)參與，也要做好隨時可能會有意想不到的情況發(fā)生的心理準備。

事實證明：凡是參加電子競賽訓練的學生，無論是否獲獎，他們查找資料，學習新知識的能力，發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力都有了較大的提高；在軟件調(diào)試、硬件制作與排除故障等方面尤為突出。獲獎的同學更是增強了自信心，能力和素質(zhì)等得到了全面的提升，受到了保研高校與用人單位的歡迎，也給學弟、學妹們作出了表率，將成功的經(jīng)驗與低年級學生分享，起到了榜樣和示范作用，帶動電子競賽走向良性循環(huán)！

四、教學改革

電子競賽對高校的電工電子的教學內(nèi)容、教學方法與教學手段也提出了更高的要求。近幾年，中南大學首先在教材方面進行改革，實現(xiàn)創(chuàng)新與創(chuàng)造、引導與思考、理論與應(yīng)用的有機結(jié)合，將教材編寫的重點放在重應(yīng)用、重技能、重素質(zhì)等方面，使學生對與生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系在一起的電氣、電子工程技術(shù)有清晰的概念和明確的了解，并引起足夠的興趣與重視。重編了電工技術(shù)、模擬電子技術(shù)、電工學、電工電子實驗等系列教材[3]。

為了搞好電子競賽，中南大學對實驗內(nèi)容、競賽場地也進行了改革與建設(shè)，每年由學校撥款及時更新補充一批高精度高水平的測試設(shè)備，保證學生競賽練習的順利進行。同時，也會將最先進的實驗設(shè)備和測試方法引入到實訓中。每年還申請了開放基金，通過節(jié)約及合理使用實驗室的實材費，留一部分資金專門用于創(chuàng)新實驗室元器件的購買，為電子競賽的正常運行提供可靠的資金保證。

中南大學現(xiàn)有創(chuàng)新實驗室四間，面積達400m2，專有設(shè)備共計300多臺，有一大批高精度的示波器、信號發(fā)生器、頻譜分析儀、高頻信號發(fā)生器、電子負載儀等電子設(shè)備供學生學習和研究使用。具有完整的一套制板儀，學生在該制板儀上可以完成PCB生產(chǎn)全過程，充分學習和了解電路板的制造過程；并且對于制作電路板樣板進行前試驗來說，可以節(jié)約成本。同時，電工電子實驗中心所有設(shè)備均實現(xiàn)資源共享。通過大型虛擬實驗仿真與預習平臺建設(shè)，為開放實驗、學科競賽與創(chuàng)新活動等提供電路仿真支持，平臺在自定義增加仿真模型之后，可以無限擴展；為學生提供大規(guī)模數(shù)字集成電路的設(shè)計方法、設(shè)計理念、設(shè)計流程及工具的培訓，為學生工程實踐能力、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將發(fā)揮積極作用。

積極組織和培訓學生參加湖南省和全國大學生電子設(shè)計競賽，不僅促進了高等教育的改革與創(chuàng)新，激發(fā)了學生學習的主動性與積極性，而且也提高了參賽學生的創(chuàng)新意識、工程實踐能力和團隊協(xié)作精神，其綜合素質(zhì)也得到了較大的升華！為進一步進行科學研究和適應(yīng)社會工作打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時，指導競賽教師也得到了較好的鍛煉，可以充分展現(xiàn)自己的才能，為培養(yǎng)現(xiàn)代化人才做出更大的貢獻！

參考文獻

[1]付艷清.依托全國大學生電子設(shè)計競賽促進實驗教學改革和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J]，教育教學論壇，2011（1）：17-18.

[2]黃磊.大學生電子競賽的組織和培訓[J]，中國現(xiàn)代教育裝備，2011（13）：129-130.

[3]劉曼玲，姜霞.電工學（多學時）[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

作者簡介

劉曼玲（1960-），女，中南大學，副教授，碩士研究生導師，從事電工電子技術(shù)的研究與教學工作。