挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)探索與實(shí)踐

謝小東

(電子科技大學(xué) 示范性微電子學(xué)院,四川 成都 610054)

創(chuàng)新是國(guó)家發(fā)展、民族進(jìn)步的靈魂，是推動(dòng)社會(huì)前進(jìn)的關(guān)鍵動(dòng)力。中共中央在“關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定”文件中明確指出：“高等教育要重視培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)業(yè)能力”“高校應(yīng)加強(qiáng)課程的綜合性和實(shí)踐性，重視實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力”。如何將該指示精神落到實(shí)處，培養(yǎng)出合格的創(chuàng)新型人才，正是目前高校工作者積極研究的課題，也是當(dāng)前教育改革的一大核心課題。為此，清華大學(xué)、南京大學(xué)等研究型高校率先推出了挑戰(zhàn)性課程[1]。該類課程通過(guò)設(shè)置挑戰(zhàn)性問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。學(xué)生通過(guò)與教師互動(dòng)，團(tuán)隊(duì)合作，綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)創(chuàng)造性地解決問(wèn)題。學(xué)生在完成挑戰(zhàn)性任務(wù)的過(guò)程中獲得成就感，進(jìn)而增強(qiáng)其勇氣和信心[2]。實(shí)踐結(jié)果證明，挑戰(zhàn)性課程在培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題、溝通合作和探索創(chuàng)新等多種能力方面發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用[3]。現(xiàn)在，挑戰(zhàn)性課程被認(rèn)為是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的重要途徑，能在創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)、學(xué)生綜合能力的提高、高校素質(zhì)教育的實(shí)施、實(shí)驗(yàn)師資隊(duì)伍素質(zhì)的提高等方面發(fā)揮巨大作用[4]。

電子科技大學(xué)示范性微電子學(xué)院歷來(lái)非常注重學(xué)生創(chuàng)新能力及實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在全國(guó)率先開(kāi)設(shè)了“一條龍式實(shí)驗(yàn)”課程群。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷從材料、設(shè)計(jì)、工藝到測(cè)試這一完整微電子器件實(shí)現(xiàn)流程，對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力起到了很好的鍛煉作用。但遺憾的是，實(shí)驗(yàn)未繼續(xù)延伸至電子系統(tǒng)級(jí)。如何利用各種微電子器件合理設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)往往成為集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生們心理的“恐怖點(diǎn)”[5-6]。另一方面，示范性微電子學(xué)院的學(xué)生們學(xué)習(xí)了“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”“電路分析”“模擬電路”“數(shù)字邏輯”“集成電路原理”等課程，但如何將所學(xué)知識(shí)加以綜合應(yīng)用也往往成為學(xué)生們心上的一大疑惑[7]。此外，高年級(jí)學(xué)生即將面臨升學(xué)及就業(yè)，電子系統(tǒng)概念的缺失也十分不利于他們參與競(jìng)爭(zhēng)。因此，開(kāi)設(shè)一門(mén)拓展學(xué)生電子系統(tǒng)概念的挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程除了培養(yǎng)學(xué)生多種能力之外，還能起到彌補(bǔ)學(xué)生知識(shí)體系短板，幫助學(xué)生們戰(zhàn)勝心理上的“恐怖點(diǎn)”的作用。在此背景下，示范性微電子學(xué)院爭(zhēng)取到國(guó)家“高等學(xué)校專業(yè)綜合改革試點(diǎn)-集成電路”項(xiàng)目，面向集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)本科高年級(jí)(三四年級(jí))學(xué)生開(kāi)設(shè)了一門(mén)挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程 “電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”,總課時(shí)為48學(xué)時(shí)。該課程的教學(xué)目標(biāo)是：拓展學(xué)生電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念，訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力，并激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)課題開(kāi)發(fā)

課程組在研討中認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)課題的設(shè)計(jì)對(duì)能否達(dá)到教學(xué)目標(biāo)至關(guān)重要，課題開(kāi)發(fā)必須兼顧到以下4個(gè)因素。

1)能培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。

2)能綜合應(yīng)用多門(mén)課程知識(shí)。

3)具有一定的應(yīng)用背景以激發(fā)學(xué)生興趣。

4)題目入手容易，以建立學(xué)生自信心。具有縱深性，即可以延伸為具有相當(dāng)難度(挑戰(zhàn)性)的課題以激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新力[8-9]。

界定了以上原則，課程組從歷屆全國(guó)各類電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中精心挑選并二次開(kāi)發(fā)了“高精度頻率測(cè)試系統(tǒng)”“高保真語(yǔ)音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)”“快速高精度水溫控制系統(tǒng)”等多個(gè)題目供學(xué)生選擇。以“數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)”為例。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。成果形式：硬件+軟件。

基本要求：

1)信號(hào)放大器增益可調(diào)；

2)帶通濾波器通帶為300 Hz～3.4 kHz；

3)A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)采樣頻率fs=8 kHz，字長(zhǎng)=8位；

4)語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間大于等于60 s；

5)D/A(數(shù)模轉(zhuǎn)換)變換頻率fc=8 kHz，字長(zhǎng)=8位。

挑戰(zhàn)要求：

1)減少系統(tǒng)噪聲電平，信噪比70 dB以上；

2)自動(dòng)音量控制達(dá)40 dB以上；

3)盡量提高存儲(chǔ)器的利用率(在存儲(chǔ)容量不變的前提下，提高語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間)。

該實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的應(yīng)用背景，即生活中常見(jiàn)的錄音筆。有應(yīng)用性的實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)好處，一是滿足學(xué)生的好奇心，“原來(lái)產(chǎn)品是這個(gè)原理”，可以調(diào)動(dòng)他們的興趣；二是學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后有成就感，“我也可以做有用的產(chǎn)品”，從而提升其挑戰(zhàn)的勇氣及信心[10]。其次，這個(gè)實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)用了多門(mén)課程知識(shí)，硬件系統(tǒng)包括了語(yǔ)音傳感電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、控制電路、顯示電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路等組件，這些電路涉及“高等數(shù)學(xué)”“電路分析”“模擬電路”“數(shù)字邏輯”“信號(hào)處理”“集成電路原理”等課程的知識(shí)，控制電路的軟件系統(tǒng)需采用控制算法，涉及“自動(dòng)控制原理”課程知識(shí)，而這部分知識(shí)是集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生從未接觸過(guò)的，需要學(xué)生查閱資料，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)算法，這對(duì)學(xué)生們來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。整個(gè)“數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)”的電路組件及其具體涉及的課程知識(shí)如圖1所示。從圖中可以看出，該實(shí)驗(yàn)涉及了多門(mén)課程知識(shí)，因此可以培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。再則，該實(shí)驗(yàn)入手較為容易，不難實(shí)現(xiàn)基本指標(biāo)，但要實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)要求則具有相當(dāng)難度。從課程開(kāi)展的實(shí)際情況來(lái)看，學(xué)生要完成挑戰(zhàn)任務(wù)，大概要在課外需再花費(fèi)48學(xué)時(shí)，而且只有不到30%的學(xué)生能完成。因此，該實(shí)驗(yàn)具有挑戰(zhàn)性。最后，學(xué)生可以將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法策略及流程借鑒到今后的其他項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，實(shí)驗(yàn)具有推廣性。

圖1 語(yǔ)音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)組成及知識(shí)綜合應(yīng)用情況

該課程的其他題目也具有“數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)”類似的屬性，即應(yīng)用性、綜合性、挑戰(zhàn)性及推廣性。

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)對(duì)生產(chǎn)生活的觀察思索，提出想法，與教師進(jìn)行溝通，共同擬定課題。但課題也必須滿足以上屬性。比如“禽蛋新鮮度測(cè)試系統(tǒng)”，其源自學(xué)生提出的“做一個(gè)電子系統(tǒng)測(cè)試雞蛋是否變質(zhì)”的想法。最后加工出的實(shí)驗(yàn)課題如下。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)禽蛋新鮮度測(cè)試系統(tǒng)(成果形式：硬件+軟件)。測(cè)試對(duì)象為養(yǎng)殖場(chǎng)提供的新生雞蛋，之后在恒定溫度(25℃)，恒定濕度(50%)條件下分時(shí)儲(chǔ)存的蛋品樣本。

基本要求：

1)能區(qū)分出適合食用和不適合食用兩個(gè)區(qū)間的蛋品；(以哈夫值40為分界線，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存時(shí)間為25天。哈夫值是美國(guó)農(nóng)業(yè)部蛋品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)和表示蛋品新鮮度的指標(biāo)，可通過(guò)測(cè)試蛋品的高度和質(zhì)量來(lái)確定。)

2)誤判率低于20%。

挑戰(zhàn)要求：

1)采用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ軐?duì)蛋品的儲(chǔ)存時(shí)間(新鮮度)進(jìn)行量化測(cè)試，測(cè)試精確到2天之內(nèi)；

2)誤判率低于5%。

該課題同樣較好的兼顧了應(yīng)用性、綜合性、挑戰(zhàn)性及推廣性這4大屬性。類似的自擬課題還有“基于光強(qiáng)檢測(cè)的自動(dòng)感應(yīng)路燈控制系統(tǒng)”“老人跌倒自動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)”“基于土壤濕度檢測(cè)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)”“話筒防嘯叫系統(tǒng)”等。

課程開(kāi)設(shè)第一年，自擬課題占比不到20%，第二年，自擬課題占比已接近50%，自擬課題占比的提高反映出學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)已初見(jiàn)成效。

2 課程組織實(shí)施

本課程實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)放性教學(xué)的模式?！伴_(kāi)放”指的是實(shí)驗(yàn)選題開(kāi)放、指導(dǎo)方式開(kāi)放、實(shí)驗(yàn)時(shí)間開(kāi)放、實(shí)驗(yàn)儀器開(kāi)放、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)放等。開(kāi)放式教學(xué)賦予學(xué)生極大的自主性，能在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過(guò)程中起到積極的作用,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向。但開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生素質(zhì)、教師能力、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、管理水平等方面都提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

首先，為規(guī)范教學(xué)管理，課程組擬定了實(shí)驗(yàn)流程并在實(shí)驗(yàn)前予以公布，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程做到心中有數(shù)。本課程建議學(xué)生面向?qū)嶒?yàn)室已有的基于XILINX公司SPARTAN系列芯片的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)[11]，該平臺(tái)提供控制主芯片F(xiàn)PGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)、數(shù)碼顯示、控制輸入等硬件資源(但也允許學(xué)生使用單片機(jī)等核心器件進(jìn)行開(kāi)發(fā))。學(xué)生需合理設(shè)計(jì)電源電路、傳感電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D采樣電路、D/A及驅(qū)動(dòng)電路、與EDA開(kāi)發(fā)平臺(tái)接口等硬件部分，同時(shí)還需進(jìn)行探索研究，靈活應(yīng)用相關(guān)控制原理算法設(shè)計(jì)軟件以實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)要求指標(biāo)。課程組認(rèn)為，本科高年級(jí)學(xué)生面臨升學(xué)及就業(yè)，項(xiàng)目文檔的撰寫(xiě)及演示匯報(bào)訓(xùn)練也十分必要，因此本實(shí)驗(yàn)也要求學(xué)生撰寫(xiě)設(shè)計(jì)方案報(bào)告及項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告，并最后制作PPT演示答辯。實(shí)驗(yàn)的完整流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程圖

其次，在實(shí)驗(yàn)條件保障方面，“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程依托示范性微電子學(xué)院“本科生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)訓(xùn)基地”開(kāi)展。該基地可以容納60名學(xué)生同時(shí)開(kāi)展各類電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并能提供焊裝臺(tái)、萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀等電子實(shí)驗(yàn)常用儀器設(shè)備，完全能滿足本課程實(shí)驗(yàn)的條件需求。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前,“實(shí)訓(xùn)基地”的管理人員會(huì)對(duì)學(xué)生進(jìn)行安全及紀(jì)律培訓(xùn)，以保障實(shí)驗(yàn)的安全開(kāi)展。

此外，課程組對(duì)于選修該課程的學(xué)生人數(shù)及學(xué)業(yè)條件進(jìn)行了一定的限定。課程開(kāi)設(shè)第一年，學(xué)生人數(shù)控制在30人左右，選課學(xué)生的理論課成績(jī)需平均達(dá)到“良”及以上。在積累了一定的管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，第二年，學(xué)生人數(shù)控制在40人左右。隨著學(xué)生對(duì)該課的認(rèn)可度增加，明年擬將學(xué)生人數(shù)提高到60人，但會(huì)進(jìn)一步提高入選門(mén)檻，擬增加面試環(huán)節(jié)，考查學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)掌握以及綜合素質(zhì)。同時(shí)堅(jiān)持學(xué)生項(xiàng)目小組人數(shù)控制在每組4人以下，嚴(yán)格控制每組人數(shù)限額提高了單個(gè)學(xué)生的工作量，在很大程度上保障了學(xué)生的實(shí)際能力培養(yǎng)質(zhì)量。

最后，在課程實(shí)驗(yàn)日常管理方面，課程組也進(jìn)行了安排。挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)由于難度較高，學(xué)生很難在課程時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。學(xué)生除了在既定的課程時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之外，還可以通過(guò)課程微信群預(yù)約時(shí)間來(lái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。課程組會(huì)根據(jù)學(xué)生的預(yù)約情況安排額外的時(shí)間段，并輪流指派教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。學(xué)生不得在非預(yù)約時(shí)段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，也不得超時(shí)段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。始終保持只要有學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室，就有教師值守的狀態(tài)。從而既滿足了學(xué)生需在課外做實(shí)驗(yàn)的述求，又有效杜絕了管理上的漏洞。

借助這些措施的實(shí)施，課程得以安全順利的開(kāi)展。

3 教學(xué)方案設(shè)計(jì)

由于挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)面較寬，有部分學(xué)生感到無(wú)所適從，不知從何下手。為幫助“零設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”的學(xué)生上手，基于“化繁為簡(jiǎn)、各個(gè)擊破”的問(wèn)題解決策略[12]，在教學(xué)設(shè)計(jì)上對(duì)任務(wù)進(jìn)行了分解。首先，從任務(wù)性質(zhì)上，劃分為“硬件設(shè)計(jì)”和“軟件設(shè)計(jì)”兩部分。建議“零設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”學(xué)生先實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)，而后進(jìn)行控制算法的研究。

如“快速高精度水溫控制系統(tǒng)”這個(gè)課題。其實(shí)驗(yàn)任務(wù)：設(shè)計(jì)并制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)?？刂茖?duì)象為500 ml自來(lái)水，容器為玻璃燒杯，加熱設(shè)備為12V/8A直流電加熱棒。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度變化時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒溫控制，以保持設(shè)定的溫度恒定不變。

基本要求：

1)溫度設(shè)定范圍為40～80℃，最小區(qū)分度為1℃；

2)環(huán)境溫度變化時(shí)，溫度恒定控制的靜態(tài)誤差小于等于1℃；

3)水溫實(shí)時(shí)顯示。

挑戰(zhàn)要求：

1)采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變(如由40℃提高到60℃)時(shí)，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間要盡量小，溫度超調(diào)量小于等于0.5℃；

2)溫度恒定控制的靜態(tài)誤差小于等于0.3℃。

在硬件設(shè)計(jì)層面，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)電路功能模塊進(jìn)一步劃分為6個(gè)小實(shí)驗(yàn)，分步進(jìn)行探索研究和電路設(shè)計(jì)。

1)進(jìn)行溫度傳感器特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。隨著水溫變化，用萬(wàn)用表測(cè)試溫度傳感器輸出電壓，幫助學(xué)生了解傳感器的電氣參數(shù)特性。

2)進(jìn)行A/D特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。可通過(guò)滑動(dòng)變阻器分壓等方式作為A/D電壓輸入，觀測(cè)A/D輸出，了解A/D輸入電壓范圍、參考電壓、轉(zhuǎn)換精度、采樣頻率等電氣特性。

3)進(jìn)行運(yùn)算放大器應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在理解了溫度傳感器及A/D特性的基礎(chǔ)上，建議學(xué)生在面包板上搭建基于運(yùn)算放大器的傳感器信號(hào)調(diào)理電路，并與A/D對(duì)接。借助示波器等儀器，學(xué)生不難調(diào)試出信號(hào)調(diào)理電路。

4)進(jìn)行A/D采樣信號(hào)與FPGA聯(lián)接調(diào)試實(shí)驗(yàn)。FPGA采集到的溫度傳感信號(hào)直接通過(guò)內(nèi)嵌的示波器ChipScope功能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行觀察[12]。通過(guò)與成品溫度計(jì)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，可以很方便地調(diào)試溫度采集電路。

5)進(jìn)行電熱棒加熱驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制方式，通過(guò)FPGA輸出不同占空比的方波實(shí)現(xiàn)加熱功率的控制。

6)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn)。在各部分硬件電路搭建完之后，硬件電路進(jìn)行整體調(diào)試。建議學(xué)生將FPGA中的溫度控制算法簡(jiǎn)化成“0-1”控制法[13]，即當(dāng)前溫度小于設(shè)定溫度，啟動(dòng)加熱；當(dāng)前溫度高于設(shè)定溫度，關(guān)閉加熱。將算法難度減至最小，以使學(xué)生集中精力處理硬件問(wèn)題。

在面包板上完成硬件整體調(diào)試工作后，學(xué)生設(shè)計(jì)、外協(xié)加工、焊接PCB板，調(diào)試硬件電路。在硬件問(wèn)題完全解決后，學(xué)生就可集中精力進(jìn)行控制算法軟件的編制，以實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)要求中的性能指標(biāo)。

在軟件設(shè)計(jì)層面，建議學(xué)生根據(jù)“先簡(jiǎn)后繁”的策略來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1)測(cè)試“0-1”控制法達(dá)到的溫度恒定精度、系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等參數(shù)，分析原因，尋找解決辦法；

2)引入PID等閉環(huán)控制算法[13]，先只選定P項(xiàng)，進(jìn)行算法實(shí)現(xiàn)，后測(cè)試分析；

3)加入I項(xiàng)及D項(xiàng)，測(cè)試分析；

4)根據(jù)環(huán)境溫度、當(dāng)前溫度、設(shè)定溫度等參數(shù)，自適應(yīng)選取合理的P項(xiàng)、I項(xiàng)、D項(xiàng)及環(huán)境耗散熱補(bǔ)償參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高精度恒溫、快速調(diào)節(jié)、超調(diào)量小等指標(biāo)要求。

對(duì)于已經(jīng)具備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)或動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生，鼓勵(lì)他們自由探索，不給他們?cè)O(shè)計(jì)既定路線以免束縛其思維。

對(duì)于部分學(xué)有余力的學(xué)生，可鼓勵(lì)他們?cè)陧?xiàng)目完成后，繼續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行探索，可以設(shè)置一些啟發(fā)性問(wèn)題供學(xué)生們研究，如以下2個(gè)問(wèn)題：

1)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的恒溫控制必須補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響。而在人體溫度計(jì)設(shè)計(jì)上，對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償是一大技術(shù)難點(diǎn)，能否將本項(xiàng)目中的控制原理用于高精度的體溫計(jì)設(shè)計(jì)上？

2)機(jī)器人動(dòng)作很難實(shí)現(xiàn)精確控制。能否將本項(xiàng)目的控制算法用于其中？對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)硬件應(yīng)做哪些改動(dòng)？

圖3 學(xué)生們調(diào)試軟硬件系統(tǒng)

學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，鍛煉出了一定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，也具有了一定的創(chuàng)新能力，他們就會(huì)從心理上希望挑戰(zhàn)一下其他項(xiàng)目，在其他項(xiàng)目上一試身手。這時(shí)，可以順?biāo)浦?，給學(xué)生提供一些相關(guān)的信息及渠道：1)鼓勵(lì)并推薦優(yōu)秀學(xué)生參加各類大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽；2)鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)各級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目；3)推薦優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)及項(xiàng)目進(jìn)入學(xué)校團(tuán)委主辦的“大學(xué)生創(chuàng)業(yè)孵化基地”進(jìn)行產(chǎn)業(yè)孵化。這樣，學(xué)生就有了更為廣闊的繼續(xù)鍛煉他們創(chuàng)新及實(shí)踐能力的空間，“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程也得以另外的方式繼續(xù)在學(xué)生的能力培養(yǎng)中發(fā)揮作用。

4 考核方式改進(jìn)

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)沒(méi)有固定答案，這有別于傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程，因此必須對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)考核方式進(jìn)行改進(jìn)?？己说目茖W(xué)性、客觀性、公正性是我們制定考核標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。

為了保證考核的科學(xué)性，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果這兩方面都被納入考核范疇。為了提高考核的客觀性，學(xué)生需提交一系列反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果的報(bào)告文檔。這些文檔包括：“項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告”“項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告”以及演示PPT。其中，“項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告”需包含項(xiàng)目任務(wù)分析、實(shí)現(xiàn)方案推演、電路模塊設(shè)計(jì)、控制算法仿真等內(nèi)容；“項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告”需包含系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、PCB版圖、實(shí)物圖、軟件流程圖、算法描述、參數(shù)測(cè)試結(jié)果、項(xiàng)目總結(jié)及改進(jìn)建議等內(nèi)容。為方便學(xué)生規(guī)范撰寫(xiě)報(bào)告，課程組提供相應(yīng)的文檔模板供學(xué)生套用。

教師會(huì)從實(shí)驗(yàn)作品的新穎性、復(fù)雜性(難度)、實(shí)現(xiàn)完整性、展示環(huán)節(jié)等角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核。評(píng)分細(xì)則為：設(shè)計(jì)新穎性占20%，主要考量作品立意，硬件結(jié)構(gòu)，軟件算法等方面有無(wú)創(chuàng)新；設(shè)計(jì)難度占30%，主要評(píng)判作品軟硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性及實(shí)現(xiàn)參數(shù)指標(biāo)的難易程度；完整性占30%，主要根據(jù)既定參數(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)比例來(lái)進(jìn)行評(píng)定；報(bào)告及展示答辯環(huán)節(jié)占20%，主要考察學(xué)生的表達(dá)、思辨能力。

為了保證考核的公正性，考核辦法會(huì)在課程微信群中予以公布，并接受學(xué)生的反饋意見(jiàn)。修正后的考核辦法生效執(zhí)行。實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)因?yàn)槠淇陀^性及可追溯性很少有學(xué)生提出異議，但會(huì)有少部分學(xué)生對(duì)答辯環(huán)節(jié)成績(jī)提出質(zhì)疑。為減少答辯成績(jī)?cè)u(píng)定中的人為因素，課程組3位教師一起參加答辯成績(jī)?cè)u(píng)定。學(xué)生的答辯環(huán)節(jié)成績(jī)是三位教師所給分?jǐn)?shù)的平均值。此舉措在很大程度上保證了考核的公正性。

隨著課程運(yùn)行，考核辦法也在不斷改進(jìn)。匿名問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果表明，超過(guò)84%的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)行考核辦法能夠或者比較能夠客觀公正的評(píng)價(jià)學(xué)生成績(jī)。

5 初步教學(xué)效果

課程從2015年開(kāi)始建設(shè)，2016年正式開(kāi)出。兩年來(lái)，學(xué)生作品完成情況的統(tǒng)計(jì)表明，大概25～30%的學(xué)生能完成挑戰(zhàn)指標(biāo)，20～25%的學(xué)生完成了部分挑戰(zhàn)指標(biāo)，剩下的學(xué)生都能完成基本指標(biāo)。在評(píng)教意見(jiàn)中，學(xué)生們也反映通過(guò)課程學(xué)習(xí)，鍛煉了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作等多方面能力，使他們的自信心得到了提升。

學(xué)生們對(duì)該課的教學(xué)也高度認(rèn)可。該課2015～2016學(xué)年的學(xué)生評(píng)教成績(jī)是93分，2016～2017學(xué)年評(píng)教成績(jī)達(dá)到了95分，大幅超過(guò)了電子科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)課和挑戰(zhàn)性課程的平均成績(jī)。這門(mén)課在學(xué)生中也建立起了良好的口碑，選課人數(shù)逐年增多。2018學(xué)年，擬將教學(xué)班級(jí)擴(kuò)大到2個(gè)。

圖4 學(xué)生評(píng)教成績(jī)

另一方面，該課在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面也發(fā)揮了積極作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，通過(guò)該課程學(xué)習(xí)的學(xué)生中，有6人次獲得“挑戰(zhàn)杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽”、“互聯(lián)網(wǎng)+大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”“飛思卡爾智能汽車大賽”等國(guó)家級(jí)電子類設(shè)計(jì)大賽一、二等獎(jiǎng)。12人次獲得省部級(jí)一、二等獎(jiǎng)。4人次獲得校級(jí)以上創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金支持，16人次獲得學(xué)院級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目支持。尤為值得一提的是，某同學(xué)在課程實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)下，提出的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目“高精度非接觸式體溫計(jì)”通過(guò)學(xué)?！按髮W(xué)生創(chuàng)業(yè)孵化基地”的孵化，已在京東創(chuàng)業(yè)資金眾籌平臺(tái)上成功募集資金超過(guò)200萬(wàn)元，為創(chuàng)業(yè)成功打下了良好的基礎(chǔ)。

該課程的教學(xué)也獲得了同仁及專家們的認(rèn)可，其教學(xué)成果獲得了2017年度電子科技大學(xué) “教學(xué)改革示范二等獎(jiǎng)”以及“第五屆全國(guó)高校電工電子基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)”。

6 結(jié)束語(yǔ)

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)在對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力培養(yǎng)上能起到其他課程形式難以企及的作用。挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程既是對(duì)學(xué)生心理和能力的挑戰(zhàn)，同時(shí)也是對(duì)教師自身能力和甘于奉獻(xiàn)精神的挑戰(zhàn)。如果說(shuō)高校教師在科研工作中加班是家常便飯，那么擔(dān)任挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，加班也是稀松平常。

“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程組在教學(xué)研究中進(jìn)行了一些探索，初步取得了較好的教學(xué)效果。但我們深知“行百里者半九十”，課程組將與時(shí)俱進(jìn)，不斷引入先進(jìn)教學(xué)理念及方法，并一如既往地發(fā)揚(yáng)甘于奉獻(xiàn)、勇于探索的精神，繼續(xù)在挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)研究事業(yè)上俯身耕耘。