《綜合電子創(chuàng)新實踐》教學(xué)改革探討與實踐

陳春 路明 黃捷

摘 要：為進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐動手能力和團(tuán)隊協(xié)作能力，通過《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程的教學(xué)實施情況，對課程教學(xué)的內(nèi)容、教學(xué)的形式以及考核方法和評價體系等幾個方面的改革進(jìn)行了探討，通過近年來的教學(xué)探索和改革實踐效果來看，以學(xué)生為主體的實踐教學(xué)體系，對調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，提高學(xué)生對課程的實踐興趣，以及增強創(chuàng)新能力和實踐能力都起到了積極的作用。

關(guān)鍵詞：實踐教學(xué)；教學(xué)改革；創(chuàng)新實踐

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）24-0025-04

Abstract： In order to cultivate students' innovation ability， practical ability and team collaboration capabilities， through analyzing the implementation of the "innovation" of integrated electronic teaching， the reform of teaching content， teaching form and evaluation methods and evaluation system is discussed. Through the teaching exploration and reform practice in recent years， the student centered practice teaching system has played a positive role in mobilizing students' subjective initiative， improving students' interest in curriculum practice， and enhancing their innovative and practical abilities.

Keywords： practice teaching； teaching reform； innovation practice

引言

《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程是三江學(xué)院電氣類專業(yè)為了進(jìn)一步培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)生對專業(yè)基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力，而特別開設(shè)的一門綜合實踐類必修課程，其不僅對學(xué)生在基礎(chǔ)課程綜合應(yīng)用能力方面有要求較強，還要求學(xué)生有較強的綜合創(chuàng)新動手能力。針對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和課程的教學(xué)內(nèi)容要求以及培養(yǎng)目標(biāo)的要求，近年來在課程的教學(xué)資源、教學(xué)方法、教學(xué)手段等多方面進(jìn)行了改革和嘗試。

一、課程的定位

《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程主要安排在大三下學(xué)期學(xué)期末的集中實踐階段，是在學(xué)生完成電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課程和相應(yīng)的專業(yè)基礎(chǔ)課以及部分專業(yè)課后安排的一門以微處理器應(yīng)用為基礎(chǔ)的綜合性實踐課程，它是并不針對哪一門具體課程而設(shè)置的實踐環(huán)節(jié)，要求學(xué)生在一定的范圍內(nèi)自選實踐課題，運用學(xué)過的知識，完成從課題選擇和論證、方案選擇與制訂、電路設(shè)計、電路調(diào)試、軟件編制測試、成果測試的整個過程，從而對解電子系統(tǒng)設(shè)計的整個過程有一個較為全面的認(rèn)識和了解。既區(qū)別于針對某一門具體課程的課程設(shè)計集中實踐環(huán)節(jié)，也不同于針對理論課開設(shè)的配套驗證性實驗課程，傳統(tǒng)意義上課程實驗和課程設(shè)計主要是為配合理論教學(xué)，而畢業(yè)設(shè)計其課題內(nèi)容大多是由指導(dǎo)教師的科研課題要求來決定的，并不是從學(xué)生在校所學(xué)知識內(nèi)容結(jié)構(gòu)的角度來決定的，這些實踐環(huán)節(jié)在學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性的發(fā)揮都受到限制，因此，從與實驗課和課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計的區(qū)別上，來考慮綜合電子設(shè)計實踐課程的功能和作用定位，并制訂相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式，是使本課程取得較好教學(xué)效果的關(guān)鍵之一。

二、梳理教學(xué)檔案，分析課程存在的問題和改進(jìn)方向

重新審視課程的目標(biāo)和任務(wù)要求，梳理現(xiàn)有軟硬件教學(xué)資源，以綜合性創(chuàng)新應(yīng)用實踐教學(xué)為主導(dǎo)，根據(jù)學(xué)生的具體情況因材施教的設(shè)計課程。

（一）課程概況

由于我校教師結(jié)構(gòu)的特殊性，該課程最初由來自東南大學(xué)的兼職教師進(jìn)行負(fù)責(zé)授課，最初的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)形式也都沿襲了東南大學(xué)的綜合電子創(chuàng)新課程群的部分內(nèi)容和形式，經(jīng)過最初幾輪的教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，這種基于專業(yè)基礎(chǔ)課程的綜合性實踐課程在一定程度上給學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)知識綜合應(yīng)用能力帶來的提升，但“教”和“學(xué)”之間在教師對學(xué)生學(xué)習(xí)基本學(xué)習(xí)狀況的認(rèn)知、教師對授課內(nèi)容的難易程度的把控、學(xué)生自身知識水平以及對待課程的態(tài)度等多方面存在的問題，使得課程實施的實際效果并沒有很好的達(dá)到預(yù)期。

（二）硬件實踐平臺上手難度大

《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程采用東南大學(xué)自研的ESD-5綜合性實驗箱為實踐平臺，實驗箱主控采用了MCU+FPGA的結(jié)構(gòu)形式，具體包含ATMEL公司的51單片機、AlterEPF10K10系列FPGA、Lattice的ispPAC20可編程模擬器件、矩陣鍵盤、多位LED數(shù)碼管、320*240單色多層LCD顯示器組成，并帶有外部ADC和DAC芯片，功能強大，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上看試驗箱并不復(fù)雜，并沒有太多花哨功能，由于采用MCU+FPGA構(gòu)架實驗箱的系統(tǒng)資源和系統(tǒng)配置也具有高度的靈活性和綜合性，對學(xué)生的單片機基礎(chǔ)有一定的要求，尤其作為最基本的人機交互設(shè)備矩陣鍵盤輸入和LED數(shù)碼管顯示設(shè)計上，不同于常規(guī)單片機類實驗箱的接口方式，其矩陣按鍵需要學(xué)生首先掌握對FPGA編程才能使其連到單片機，而LED數(shù)碼管則需要通過對6片I2C接口的74HC164串并數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片級聯(lián)編程實現(xiàn)6位數(shù)碼管的顯示。由于其硬件設(shè)計的綜合性和特殊性，加大了看似簡單的LED顯示人機交互模塊的程序復(fù)雜度和驅(qū)動編程難度，使得學(xué)生在理解范例上和基于此的靈活修改的難度也大為加大，容易造成在進(jìn)行基礎(chǔ)模塊編程實踐時花費過多的時間和精力，從而影響多個模塊的綜合編程應(yīng)用，極易影響學(xué)生動手實踐和學(xué)習(xí)的積極性和主動性，最終使得教學(xué)預(yù)期目標(biāo)難以達(dá)到。

（三）實踐課時數(shù)不足并且安排分散

總課時大約32學(xué)時分11周進(jìn)行，由于課程是定位于專業(yè)方向的綜合電子設(shè)計應(yīng)用，有必要花費一定的課時用于與本課程有關(guān)的知識進(jìn)行回顧和針對性地講解，以便學(xué)生能更好地從以前的理論學(xué)習(xí)及實踐經(jīng)驗過度到綜合設(shè)計實踐應(yīng)用。因為涉及專業(yè)知識點較多而廣，這部分內(nèi)容大致需要花費6課時，余下的大約26課時分9次課用于完成實驗箱基礎(chǔ)模塊的單項訓(xùn)練以及進(jìn)行課題的綜合設(shè)計，由于實踐內(nèi)容的前后關(guān)聯(lián)性大，分散進(jìn)行的實踐教學(xué)一定程度上打撒了實踐教學(xué)的完整性，往往上次才學(xué)習(xí)實踐過的內(nèi)容，這次上課基本上又忘了了一大部分，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性非常容易受到影響，從而形成惡性循環(huán)，使得課程實踐在一定程度上難以順利推進(jìn)。

（四）教學(xué)資源和教學(xué)方式與學(xué)生知識水平不匹配

課程的軟硬件教學(xué)資源以及實施方式多年來一直參考東南大學(xué)的教學(xué)，但事實并沒有充分認(rèn)識到兩種不同層次大學(xué)的學(xué)生在學(xué)習(xí)等各方面存在的巨大差異，而僅是從現(xiàn)有教學(xué)資源中選取相對簡單、易于教學(xué)的內(nèi)容用于我校學(xué)生的實踐教學(xué)，教學(xué)方式上，先進(jìn)行統(tǒng)一單項訓(xùn)練集中授課，而后留一半的課程時間給學(xué)生完成給定的綜合性課題。這種教學(xué)方式和課程內(nèi)容設(shè)置忽略了學(xué)生的知識水平差異以及學(xué)生存在的學(xué)習(xí)的目的性因素，從而影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和能動性，難以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

三、以學(xué)生為主體，軟硬兼施突出因材施教的實踐教學(xué)

（一）改進(jìn)考核方式，注重實踐過程管理和考核

《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程總共32課時，教學(xué)采用“一三制”教學(xué)，即四分之一學(xué)時集中授課進(jìn)行必要知識復(fù)習(xí)與講授，四份之三學(xué)時學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新實踐。課程考核采用“一五二二制”，即選題開題占總成績的10%，課程實施過程占50%，結(jié)題驗收20%，最終設(shè)計報告占20%。學(xué)生是教學(xué)活動的主體，自主創(chuàng)新實踐部分主要包含學(xué)生選題、方案實施、課題結(jié)果演示講解、設(shè)計報告書寫等，實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)計劃以及過程管理和總結(jié)驗收等資源的設(shè)計和安排必須堅持因材施教的原則，所以，以學(xué)生為主體的自主創(chuàng)新實踐教學(xué)必須認(rèn)真考慮學(xué)生特點和基礎(chǔ)先修課程的知識學(xué)習(xí)情況，從學(xué)生專業(yè)方向和學(xué)科特點，合理選擇和設(shè)計實踐教學(xué)范例內(nèi)容。

為了使學(xué)生為主體的自主創(chuàng)新實踐教學(xué)能順利的展開，要避免演課程變成無目的、無思路、無計劃，最終無所事事的“三無”實踐課程，因此，如何因材施教地進(jìn)行自主實踐引導(dǎo)就顯得特別重要。通過“一三制”實踐教學(xué)的集中授課過程可讓學(xué)生對課程有個總體的概念，包括了解課程的地位和課程概述及開展形式，并通過授課使學(xué)生回顧一些課程實踐必要的基礎(chǔ)知識和課題實踐的過程。

常規(guī)實踐教學(xué)過程，學(xué)生已習(xí)慣了通過實驗實踐指導(dǎo)書上的步驟和指導(dǎo)按部就班的完成整個實驗實踐過程，所以必須讓學(xué)生認(rèn)識到本課程實踐活動與以往實踐課程的區(qū)別，并明確實踐目標(biāo)和考核要求，使學(xué)生在思想上對課程有個正確的認(rèn)識，端正學(xué)生對待課程的態(tài)度，使學(xué)生充分認(rèn)識自己在實踐過程中應(yīng)該扮演的角色。

為讓學(xué)生更好地接受與以往有明顯區(qū)別的實踐教學(xué)，需要學(xué)生明確在課程實施過程的任務(wù)和要求，同時，也為了使實踐教學(xué)更好地符合各專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)的要求，在實踐范例的設(shè)計上考慮了各專業(yè)的特點，針對三個專業(yè)分別設(shè)計跟貼近專業(yè)的實踐的范例課題內(nèi)容進(jìn)行分析講解，通過課題的提出、課題任務(wù)的剖析，了解完整電子系統(tǒng)設(shè)計的整個過程。

（二）構(gòu)建通用硬件基礎(chǔ)平臺

在綜合考慮以往的教學(xué)內(nèi)容教學(xué)方式后，以及分析項目組自身存在的問題后，項目組決定分階段進(jìn)行教改的實施，在2015年上半年開始的第一輪教學(xué)中進(jìn)行小部分改革，在教學(xué)內(nèi)容上，逐步增加部分與專業(yè)方向有關(guān)的綜合性課題，作為現(xiàn)有課題的補充，同時逐步考慮學(xué)生的知識水平以及對于本課程學(xué)習(xí)的目的性，不再對全班同學(xué)進(jìn)行統(tǒng)一性的要求，對學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和課程考核要求不同的學(xué)生提出不同的任務(wù)要求。

通用基礎(chǔ)硬件平臺的設(shè)計：

由于實驗箱數(shù)量有限，學(xué)生無法單獨借用實驗箱在課外進(jìn)行課題實踐，實驗箱是2002年左右的設(shè)備，微處理器采用25針并口的下載調(diào)試端口，但現(xiàn)有筆記本電腦上已取消，所以，學(xué)生也無法自己用筆記本給實驗箱下載程序，另外也是考慮到目前入門級微處理器的發(fā)展現(xiàn)狀，國產(chǎn)51單片機的價格和下載方案上都要大大優(yōu)于實驗箱上采用的國外的單片機，所以單獨額外設(shè)計了STC51單片機最小核心板，并且在功能定位上不打算和原有實驗箱一致，而是主要用于非實驗箱的課題設(shè)計。核心板以國產(chǎn)STC公司的STC15F2K60S2為核心，板載三色LED燈和兩個獨立按鍵，以及USB轉(zhuǎn)串口的程序下載模塊，將單片機的所有IO口都進(jìn)行了擴展，并且和電腦連接的端口采用目前通用的USB接口，只要連上電腦就可以下載程序，使用極其簡單高效。此硬件平臺為后續(xù)的創(chuàng)新實踐的順利實施提供了簡便可靠的基礎(chǔ)。學(xué)生通過參考實例就可以很方便地進(jìn)行硬件測試和二次開發(fā)。

此外，雖然多年來不僅在高校中8051內(nèi)核單片機仍然是單片機課程的主要內(nèi)容，還有在工業(yè)應(yīng)用中仍然占據(jù)著很大的市場份額，但近年來隨著ARM內(nèi)核微處理在市場上的廣泛應(yīng)用，尤其是以ST意法半導(dǎo)體為代表的STM32系列ARM微處理器在市場上非常成功的推廣并得到廣泛應(yīng)用，在就業(yè)市場上也相關(guān)崗位的招聘條件中，逐步以掌握類似STM32的ARM微處理器為基本條件，因此，為了給對學(xué)習(xí)有更高要求的學(xué)生提供更好的基礎(chǔ)實踐平臺，特別設(shè)計采用基于ARM微處理的STM32F103最小核心板，同樣，核心板除了板載基于USB接口的微處理器程序下載器外，還設(shè)有多個LED燈和按鍵并將微處理器所有的IO口都引出便于二次開發(fā)，因此學(xué)生只需一根USB電源線便能隨時開始實踐，極大提高了學(xué)習(xí)實踐的自由度。

四、采用項目驅(qū)動式教學(xué)法，有效實施分層次的實踐教學(xué)

（一）多層次專業(yè)實踐與實用趣味結(jié)合，激發(fā)學(xué)生實踐的熱情

為了使學(xué)生在自主選擇課題時有一個相對明確的范圍，設(shè)計了多個不同難易程度的課題供學(xué)生參考，為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生實踐的信心和熱情，這些課題設(shè)計時也考慮到了課題相關(guān)資料的獲取的難易程度和課題的趣味性，比如設(shè)計自動尋跡小車、藍(lán)牙小車設(shè)計、避障小車設(shè)計、RFID的門禁設(shè)計、基于LED的光立方設(shè)計等在學(xué)生中較為容易入手實踐的課題。

考慮到學(xué)生專業(yè)方向不同、知識水平的多層次以及學(xué)習(xí)目的的不同，設(shè)計了多個不同專業(yè)方向和實踐難度的課題作為學(xué)生實踐的參考范例，通過范例學(xué)生可以了解電子系統(tǒng)設(shè)計從任務(wù)指標(biāo)擬定、方案論證選擇、硬件電路設(shè)計、軟件算法和流程圖繪制、系統(tǒng)調(diào)試和指標(biāo)測試、分析總結(jié)以及設(shè)計報告書寫的全過程。目前我院開設(shè)本課程的主要有電氣工程及其自動化、自動化、智能樓宇專業(yè)，范例的設(shè)計主要從交流參數(shù)采集、電源類、自動控制、智能樓宇幾個方向作為各專業(yè)的典型考慮。

交流參數(shù)采集。電力系統(tǒng)中通過對交流信號的采集與分析來判斷電網(wǎng)的質(zhì)量、用戶的用電情況，對交流信號參數(shù)的采集具有非常典型的現(xiàn)實意義。實踐教學(xué)中，通過對安全電壓范圍內(nèi)具有一定相位和功率的交流電壓和電流的采樣檢測，掌握交流信號的采樣與處理技術(shù)，此例需要學(xué)生會利用單片機實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換和顯示功能，實現(xiàn)難度中等。

數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。制作輸出電壓范圍可調(diào)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源。具有基本的人機交互編程，用戶可通過安檢設(shè)定輸出電壓的大小，并在顯示設(shè)備上顯示設(shè)定的值和實際輸出值，難點是設(shè)計電壓調(diào)整電路，此外需要對AD/DA進(jìn)行編程，本身課題難度稍顯大，不僅需要編程，還需要對相關(guān)硬件電路進(jìn)行設(shè)計，但是此課題網(wǎng)上參考資料豐富。

溫度控制。溫度是自動控制系統(tǒng)中非常典型的控制對象，由于溫度的慣性大，實際上具有一定的控制難度，需要編程實現(xiàn)數(shù)字PID算法實現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)控制。難度適中。

門禁系統(tǒng)。門禁是智能樓宇中最基本的配置。需要通過編程實現(xiàn)IC卡的讀取和權(quán)限管理，難度較小。

對于專業(yè)性強的實踐教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更愿意接受和實踐的內(nèi)容是沒有特定專業(yè)背景的相對比較簡單的電子創(chuàng)新設(shè)計實踐內(nèi)容，比如：控制類的實踐課題更愿意做小車控制；檢測類的超聲波測距；比如可觀性強的發(fā)光矩陣POV顯示等等。

（二）充分論證課題，確保課題實施可行性

進(jìn)行正確科學(xué)的選題是確保課題順利實施的基礎(chǔ)和保證，所以充分的課題論證和方案選擇設(shè)計顯得尤其重要。

由于學(xué)生知識水平之間的差距以及專業(yè)興趣的差別，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)難以做到因材施教，或者沒有條件實現(xiàn)因材施教。而以學(xué)生為主體的創(chuàng)新實踐課程，學(xué)生可以根據(jù)自身的學(xué)業(yè)情況和興趣選擇相對合適的課題，課題由2-3人為一組進(jìn)行自由組隊，學(xué)生確定隊員后進(jìn)行課題的選擇，在這一階段，要求學(xué)生首先通過各種查閱資料，在明確課題任務(wù)和具體指標(biāo)要求情況下，并對硬件方案進(jìn)行分析比較。同時也為鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作以及講解能力，要求每組學(xué)生在講臺上針對自己最終選擇的課題進(jìn)行為時5-10分鐘的課題講解，講解內(nèi)容包括：課題具體的任務(wù)、期望達(dá)到的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)、課題2種以上可行的硬件實施方案分析比較并確定最終選定的方案、最終期望的成果及效果、課題組成員具體的任務(wù)分工以及各自工作計劃和階段性時間點安排。

為確保課題的順利實施，需保證課題本身的可行性和課題難度符合學(xué)生目前的知識能力水平，也就是課題“可做、可行、可實施”，因此課題組成員在完成課題介紹后，由授課教師對課題尤其是硬件方案進(jìn)行把關(guān)點評，對課題中要注意的重點和難點進(jìn)行分析講解。

（三）著重過程考核管理，確保課題順利實施

凡事預(yù)則立，不預(yù)則廢，學(xué)生為主體的實踐過程必須注重課題的計劃管理和實施過程管理，為了加強過程管理的執(zhí)行力，在課程考核中，課題實施過程中的考核比例達(dá)到50%，考核內(nèi)容包括課程出勤情況、課題實施過程的學(xué)生主觀能動性、階段性成果的完成情況等，督促學(xué)生認(rèn)真執(zhí)行課程日程計劃，每次上課都帶著明確的目標(biāo)和任務(wù)來，同時促使學(xué)生投入必要的課余時間來保證課題按時順利完成。

以硬件設(shè)計為基礎(chǔ)的創(chuàng)新實踐課題，如果要求學(xué)生完全從零開始完成硬件方案選擇、電路設(shè)計、電路制版、焊接、硬件調(diào)試、一步步完成軟件開發(fā)及整機調(diào)試整個過程，實際上對于老師來說這個期望和要求是不切實際的，對絕大部分學(xué)生來說短時間內(nèi)也是不可能完成的任務(wù)，因此，課題的硬件實現(xiàn)方案允許學(xué)生參照或選用現(xiàn)成的功能模塊來完成目標(biāo)系統(tǒng)整合，鼓勵學(xué)生通過查閱資料移植網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有的軟件代碼到自己課題中，通過軟硬件綜合調(diào)試最終完成課題內(nèi)容。

（四）切實發(fā)揮教師的指導(dǎo)輔助作用

指導(dǎo)教師是學(xué)生課題實踐過程中結(jié)實的后盾。學(xué)生在實踐過程中很容易由于碰到某一個小問題就以消極的態(tài)度對待課程，因此，為使課程能順利進(jìn)行，教師首先需對學(xué)生選擇的課題進(jìn)行認(rèn)真分析和把關(guān)，并提出切實可行的建議。其次，隨時主動關(guān)注每個課題的實施情況，對學(xué)生實踐過程中提出的難題能及時進(jìn)行指導(dǎo)和提供切實可行的解決方案。

認(rèn)真做好課程的最后一次課進(jìn)行結(jié)題驗收，要求課題組成員制作演示幻燈片，向全班同學(xué)演示設(shè)計成果，講解成果的功能特點。結(jié)題驗收不僅讓學(xué)生在同學(xué)面前展示自己的設(shè)計成果，也通過項目總結(jié)分享課題組在設(shè)計過程中遇到的問題及解決的辦法，分享其中的樂趣。

五、結(jié)束語

多年來，《綜合電子創(chuàng)新實踐》課程的自主創(chuàng)新實踐模式在教學(xué)實踐中不斷探索，根據(jù)我校學(xué)生的具體情況，在軟硬件教學(xué)資源、課題設(shè)計范例、教學(xué)模式、過程管理、考核驗收能多方面不斷優(yōu)化積累，課程建設(shè)越發(fā)完善。多年來的實踐結(jié)果來看，以生為主的創(chuàng)新實踐教學(xué)取得了較好的效果，學(xué)生在本課程中不僅培養(yǎng)了實踐動手能力和創(chuàng)新能力，還通過團(tuán)隊協(xié)作，鍛煉實踐主體的責(zé)任意識，主動克服各種困難，經(jīng)歷電子系統(tǒng)設(shè)計的全過程，完成了課題成果的設(shè)計和制作，從有別于傳統(tǒng)實驗實踐課程的實踐中完成了項目鍛煉，進(jìn)一步增強了學(xué)生的綜合競爭力。

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