挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)案例設(shè)計(jì)與實(shí)踐

謝小東， 李 平

(電子科技大學(xué)示范性微電子學(xué)院，成都610054)

0 引言

“電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)”是電子科技大學(xué)示范性微電子學(xué)院面向本科高年級(jí)學(xué)生開(kāi)設(shè)的一門(mén)挑戰(zhàn)性課程［1］?？傉n時(shí)為48學(xué)時(shí)，其中6學(xué)時(shí)為理論教學(xué)，講授電子系統(tǒng)構(gòu)架、原理、設(shè)計(jì)方法等;作為教學(xué)主體部分，另有42學(xué)時(shí)為挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)是:通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目的開(kāi)展，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，促進(jìn)學(xué)生敢于并善于挑戰(zhàn)自我，進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)［2-4］。

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)有別于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)及課程綜合實(shí)驗(yàn)［5-7］，鼓勵(lì)學(xué)生自立題目，對(duì)確有困難的學(xué)生，也可以在教師處選擇題目，但這些題目均沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，也沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案。為達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，題目必須滿足: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;④具有探索性和挑戰(zhàn)性。

1 實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)

1.1 學(xué)生自立題目

課程非常鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)調(diào)研、觀察思考，自己能提出實(shí)驗(yàn)題目。在教師的啟發(fā)下，學(xué)生們也能提出一些題目的原始想法，但缺乏可操作性。這時(shí)就需要教師按照實(shí)驗(yàn)題目的設(shè)計(jì)要求對(duì)這些原始想法進(jìn)行凝練加工，經(jīng)與學(xué)生反復(fù)討論形成實(shí)驗(yàn)題目。比如“禽蛋新鮮度測(cè)試系統(tǒng)”，其出自學(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。

(1)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，之后在恒定室溫(25℃)，恒定濕度(50%)條件下分時(shí)間長(zhǎng)度儲(chǔ)存蛋品樣本。

(2)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)。哈夫值可通過(guò)測(cè)試蛋品的高度和質(zhì)量來(lái)確定［8-9］。)②誤判率低于20%。

(3)挑戰(zhàn)要求。①采用適當(dāng)?shù)姆椒?，能?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%。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)具有鮮明的應(yīng)用價(jià)值，除了涉及電子技術(shù)知識(shí)之外，也跨界到了農(nóng)業(yè)食品領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)蛋品儲(chǔ)存時(shí)間的精確判斷，具有相當(dāng)大的難度，學(xué)生除了采用哈夫值作為判斷依據(jù)之外，還必須綜合應(yīng)用蛋品內(nèi)部氣室高度測(cè)量等手段，以及考慮蛋品表面是否有裂紋等多個(gè)因素才能實(shí)現(xiàn)，基本上是在解決復(fù)雜工程問(wèn)題。該題對(duì)學(xué)生研究型學(xué)習(xí)能力能起到很好的鍛煉效果。此類(lèi)題目還包括“非接觸心率監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“疲勞駕駛提醒系統(tǒng)設(shè)計(jì)”“老人跌倒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”等。

1.2 教師提供題目選擇

當(dāng)然也有部分學(xué)生自己提不出想法，就需要在教師處選擇實(shí)驗(yàn)題目。課程組從歷屆全國(guó)各類(lèi)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題中精心挑選并二次設(shè)計(jì)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。比如“快速高精度水溫控制系統(tǒng)”。

(1)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)(成果形式:硬件+軟件)。控制對(duì)象為500 mL自來(lái)水，容器為玻璃燒杯，加熱設(shè)備為12 V/8 A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。

(2)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≤1℃;③水溫實(shí)時(shí)顯示。

(3)挑戰(zhàn)要求。①采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變(比如由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≤0.5℃;②溫度恒定控制的靜態(tài)誤差≤0.3℃。

該實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是①能培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，包括硬件和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及聯(lián)合調(diào)試;②綜合應(yīng)用了多門(mén)課程知識(shí)，涉及電路分析、模擬電路、數(shù)字邏輯、集成電路原理以及自動(dòng)控制原理等課程;③具有實(shí)用性，原型是科研中常用的恒溫水浴裝置，也可推廣為精確控制系統(tǒng);④要實(shí)現(xiàn)高精度的控制具有相當(dāng)難度，即具有挑戰(zhàn)性，而且學(xué)生需要自主學(xué)習(xí)閉環(huán)控制算法，具有探索性。

無(wú)論是學(xué)生自擬題目，還是在教師處選擇題目，問(wèn)題的解決都具有不確定性，給予學(xué)生足夠的探索空間;同時(shí)，題目達(dá)到的指標(biāo)也具有“上不封頂”的屬性，激勵(lì)著學(xué)生們挑戰(zhàn)自我，進(jìn)而增強(qiáng)其勇氣和自信。

2 實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

由于挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放性，實(shí)驗(yàn)流程的設(shè)計(jì)也與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)存在一定差異。

學(xué)生與教師討論確定實(shí)驗(yàn)題目后，即著手?jǐn)M定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并撰寫(xiě)設(shè)計(jì)方案報(bào)告。本實(shí)驗(yàn)建議學(xué)生面向?qū)嶒?yàn)室已有的基于XILINX SPARTAN芯片的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)［10］，該平臺(tái)提供控制主芯片F(xiàn)PGA、數(shù)碼顯示、控制輸入等硬件資源，實(shí)驗(yàn)也允許學(xué)生使用單片機(jī)小系統(tǒng)等平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。學(xué)生需根據(jù)各自的題目合理設(shè)計(jì)電源電路、傳感電路、信號(hào)調(diào)理電路、A/D采樣電路等硬件部分，同時(shí)還需進(jìn)行探索研究，尋找合適的算法并加以靈活應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。本科高年級(jí)學(xué)生面臨升學(xué)及就業(yè)，文檔撰寫(xiě)及演講匯報(bào)能力的培養(yǎng)也十分重要，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1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)涉及的知識(shí)面較寬，學(xué)生們完成的題目各不相同，學(xué)生們的基礎(chǔ)及能力也參差不齊，這對(duì)教師的教學(xué)指導(dǎo)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)。雖然是“一題一議”，但有一些基本的策略方法是普適性的。

課程組首先采用的策略是“因材施教”［11-12］。將學(xué)生分為3類(lèi):1類(lèi)是“零設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”學(xué)生;2類(lèi)是“具有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)”學(xué)生;3類(lèi)是“學(xué)有余力”學(xué)生。

針對(duì)“零設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”學(xué)生，幫助他們盡快上手是關(guān)鍵?；凇盎睘楹?jiǎn)、各個(gè)擊破”的問(wèn)題解決策略，在教學(xué)設(shè)計(jì)上對(duì)任務(wù)進(jìn)行了分解［13］。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)行算法的研究。

比如“禽蛋新鮮度測(cè)試系統(tǒng)”。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:

(1)進(jìn)行壓力傳感器(測(cè)禽蛋質(zhì)量)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。隨著質(zhì)量變化，用萬(wàn)用表測(cè)試傳感器輸出電壓，幫助學(xué)生了解傳感器的電氣參數(shù)特性。

(2)進(jìn)行AD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AD電壓輸入，觀測(cè)AD輸出，了解AD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)。在理解了傳感器及AD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AD對(duì)接。借助示波器等儀器，學(xué)生調(diào)試信號(hào)調(diào)理電路。

(4)進(jìn)行AD采樣信號(hào)與FPGA聯(lián)接調(diào)試實(shí)驗(yàn)。FPGA將AD采集到的壓力傳感信號(hào)直接通過(guò)內(nèi)嵌的示波器ChipScope［14］功能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示觀察。通過(guò)與成品電子稱(chēng)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，可以很方便地調(diào)試蛋品質(zhì)量采集電路。

(5)進(jìn)行紅外測(cè)量蛋品高度實(shí)驗(yàn)。紅外測(cè)距模塊輸出信號(hào)通過(guò)FPGA采集，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行觀察。通過(guò)與游標(biāo)卡尺測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，調(diào)試蛋品高度采集電路。

(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。

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、自行購(gòu)買(mǎi)元器件、裝配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)行算法軟件的編制。

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

(1)直接調(diào)用算數(shù)模塊實(shí)現(xiàn)哈夫值計(jì)算。

(2)從處理速度和硬件資源占用角度評(píng)價(jià)算法，提出改進(jìn)思路。

(3)引入查表法等改進(jìn)算法，并與原算法進(jìn)行比較分析。

(4)綜合應(yīng)用蛋品氣室測(cè)量等手段［15］，改進(jìn)判斷算法。

(5)根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)試精度指標(biāo)，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合優(yōu)化。

當(dāng)然，對(duì)于已經(jīng)具備一定設(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，甚至樂(lè)見(jiàn)他們“頭撞南墻”，盡量不要給出方案及具體技術(shù)建議以免束縛其思維。因?yàn)椴还苁鞘∵€是成功的探索，都將是學(xué)生們彌足珍貴的經(jīng)驗(yàn)。只有在他們遇到不可克服的困難時(shí)才施以援手，以防止學(xué)生中途因?yàn)闅怵H而放棄實(shí)驗(yàn)。

對(duì)于部分學(xué)有余力的學(xué)生，則鼓勵(lì)他們?cè)陧?xiàng)目完成后，“趁熱打鐵”申請(qǐng)各類(lèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。課程組也從中發(fā)現(xiàn)一些優(yōu)秀苗子推薦給學(xué)校競(jìng)賽教練團(tuán)隊(duì)參加各類(lèi)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽。

4 考核方式

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)沒(méi)有固定答案，對(duì)學(xué)生的考核主要從實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果這兩方面來(lái)進(jìn)行考核。為了保證考核的客觀性，學(xué)生需提交一系列材料來(lái)反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果，包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告、PCB版圖、系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試指標(biāo)參數(shù)、項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告、演示答辯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)方案論證、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)告需包含電路硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果、項(xiàng)目總結(jié)及改進(jìn)建議等內(nèi)容。為方便管理，課程組提供相應(yīng)的文檔模板供學(xué)生套用。

教師從新穎性、復(fù)雜性(難度)、實(shí)現(xiàn)程度、展示環(huán)節(jié)等角度對(duì)作品進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分細(xì)則為:設(shè)計(jì)新穎性20%，可從項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告及演示PPT等內(nèi)容中反映;設(shè)計(jì)難度30%，可從系統(tǒng)實(shí)物、PCB版圖、軟硬件設(shè)計(jì)中反映，如學(xué)生采用集成傳感模塊，則適當(dāng)扣分;實(shí)現(xiàn)程度30%，可從系統(tǒng)實(shí)物、測(cè)試指標(biāo)參數(shù)及項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告內(nèi)容中反映;報(bào)告及展示環(huán)節(jié)20%。主要考察學(xué)生演講能力、思辨能力。為減少考核及成績(jī)?cè)u(píng)定中的人為因素，課程組3位教師一起參加成績(jī)?cè)u(píng)定，學(xué)生的最終成績(jī)是3位教師所給分?jǐn)?shù)的平均值。

5 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)，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)題目完成情況的統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖2)表明，7%～10%左右的學(xué)生能超額完成挑戰(zhàn)指標(biāo)，15% ～22%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)挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，鍛煉了多種能力，獲得了自信。

圖2 學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)圖

2017學(xué)年的課程教學(xué)效果匿名調(diào)查中，46%的學(xué)生認(rèn)為挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)極大提高了他們的探索和創(chuàng)新能力，37%的學(xué)生認(rèn)為挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)對(duì)提高他們的探索和創(chuàng)新能力有幫助。

學(xué)生對(duì)這門(mén)課的教學(xué)也比較認(rèn)可。該課2015～2016學(xué)年的學(xué)生評(píng)教成績(jī)是93分，同期學(xué)校類(lèi)似課程平均評(píng)教成績(jī)?yōu)?8.56分。2016～2017學(xué)年，學(xué)校類(lèi)似課程平均評(píng)教成績(jī)?yōu)?9.17分，該課程的評(píng)教成績(jī)達(dá)到了95分。

該課程的教學(xué)成果獲得2017年學(xué)?！敖虒W(xué)改革示范二等獎(jiǎng)”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)語(yǔ)

挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(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，并能促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)。但由于挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)本身具有的開(kāi)放性，在實(shí)驗(yàn)題目設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、教學(xué)設(shè)計(jì)、考核方法等多個(gè)教學(xué)層面都值得教師進(jìn)行深入研究。因此，挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)既是對(duì)學(xué)生能力的挑戰(zhàn)，也是對(duì)教師自身素質(zhì)的挑戰(zhàn)?！半娮酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)”課程進(jìn)行了一些教學(xué)探索、實(shí)踐，并取得了一定的教學(xué)成果。但“學(xué)無(wú)止境”，教學(xué)研究也沒(méi)有終點(diǎn)。下一步，課程組將繼續(xù)優(yōu)化各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，并探索跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的建設(shè)，使挑戰(zhàn)性實(shí)驗(yàn)向綜合性跨學(xué)科方向發(fā)展，進(jìn)一步提升學(xué)生的復(fù)合創(chuàng)新能力。