以光電競(jìng)賽促進(jìn)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革

唐海波 郭紀(jì)祥 牛全旺 張禹濤 柴一峰 劉明偉

摘 要：數(shù)字電子技術(shù)課程是本科高校電子信息類專業(yè)核心應(yīng)用能力課程之一。本文以全國(guó)大學(xué)生光電競(jìng)賽為契機(jī)，針對(duì)在學(xué)生參加光電比賽和教學(xué)過(guò)程中暴露出數(shù)字電子技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，提出了針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革的一些思路和措施，旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和合作意識(shí)，為社會(huì)培養(yǎng)更優(yōu)秀的人才。

關(guān)鍵詞：全國(guó)光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽;數(shù)字電子技術(shù);教學(xué)改革與探索

全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽是由教育部電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)和中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)共同主辦的一項(xiàng)全國(guó)賽事。自2008年首屆競(jìng)賽舉辦以來(lái)，得到了中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)、中國(guó)光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會(huì)等的高度認(rèn)可，堪稱光電相關(guān)領(lǐng)域影響力最強(qiáng)、規(guī)模最大的競(jìng)賽，也是中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的預(yù)選賽之一，在業(yè)界獲得了高度認(rèn)可。2019年舉辦了第七屆全國(guó)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽，為單數(shù)年首屆創(chuàng)意賽。競(jìng)賽宗旨是促進(jìn)光電知識(shí)的普及，加強(qiáng)大學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)精神，促進(jìn)高等教育改革。

數(shù)字電子技術(shù)是光電競(jìng)賽的重要學(xué)科之一，是光電信息科學(xué)與工程、電子信息工程及通信工程等專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，為單片機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和傳感器技術(shù)等后續(xù)課程奠定堅(jiān)實(shí)的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)[1]。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和新工科建設(shè)要求，必須從教學(xué)理念、內(nèi)容、方法、手段等方面對(duì)數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)進(jìn)行改革，形成適應(yīng)時(shí)代需求的教學(xué)模式，進(jìn)而提高學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新綜合能力，以達(dá)到以賽促教以教促賽的目的[2]。

一、數(shù)字電子技術(shù)傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性

在數(shù)字電子技術(shù)課程傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中，為保持課程的系統(tǒng)性、理論性和規(guī)范性，教師會(huì)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)理論課的教學(xué)，而實(shí)踐性教學(xué)更多地停留在口頭上。在實(shí)踐教學(xué)中，主要通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來(lái)讓學(xué)生鞏固所學(xué)內(nèi)容，忽略了課程的應(yīng)用范圍，以及對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)[3]。

由于教學(xué)改革，數(shù)字電子技術(shù)課程的學(xué)時(shí)不斷被壓縮。數(shù)字電子技術(shù)課程本具有內(nèi)容多、散、碎等特點(diǎn)，教師上課時(shí)往往會(huì)相應(yīng)地加快教學(xué)進(jìn)度，容易造成課堂教學(xué)中“滿堂灌”現(xiàn)象。這種教學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生缺乏思考，不利于學(xué)生的教學(xué)參與、自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和學(xué)生課程課外拓展應(yīng)用?，F(xiàn)如今，在光電、電子及其他各項(xiàng)競(jìng)賽中，對(duì)掌握數(shù)字電子技術(shù)的要求越來(lái)越高，學(xué)生需要足夠多的專業(yè)理論知識(shí)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力，同時(shí)還須具備一定發(fā)散創(chuàng)造性思維。

二、數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)改革與探索

借鑒光電競(jìng)賽比賽和培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程進(jìn)行了一些有益的改革和探索。

首先，更新教學(xué)理念。好的教學(xué)理念能讓學(xué)生迅速理解并內(nèi)化課堂內(nèi)容。在數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)理念以教師如何教為主，學(xué)生處于被動(dòng)接受的狀態(tài)，這就導(dǎo)致了最后“填鴨式”教學(xué)的出現(xiàn)，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和接受都較為緩慢。因此，很有必要實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的創(chuàng)新。一是要做到以學(xué)生為中心。要發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣;要以發(fā)展能力為主要目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思考能力，鼓勵(lì)創(chuàng)新性學(xué)習(xí)。二是要充分發(fā)揮教師的引導(dǎo)作用。教師巧妙點(diǎn)撥和指導(dǎo)，可以大大增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣;要提高教師“導(dǎo)”的技能，要重視教學(xué)內(nèi)容的講解。三是在教學(xué)中形成互動(dòng)教學(xué)新型師生關(guān)系。在現(xiàn)代課堂教學(xué)中，可以借鑒中國(guó)傳統(tǒng)教育思想中優(yōu)秀的教育教學(xué)理念，如師生平等、有教無(wú)類、因材施教等。只有實(shí)現(xiàn)教學(xué)理念的創(chuàng)新，在實(shí)際教學(xué)中才可以實(shí)現(xiàn)師生積極互動(dòng)、共同發(fā)展的互動(dòng)教學(xué)新型師生關(guān)系。這種互動(dòng)教學(xué)新型師生關(guān)系，可以極大的調(diào)動(dòng)教師教和學(xué)生學(xué)兩方面的積極性，學(xué)生可以充分展現(xiàn)他們的潛能和創(chuàng)新思維，從而保證教學(xué)效果。

其次，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。全國(guó)大學(xué)生光電競(jìng)賽所涉及數(shù)字電子技術(shù)的內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)用極其廣泛，競(jìng)賽內(nèi)容在數(shù)字電子技術(shù)部分涉及有組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、各種數(shù)字集成電路（含門電路、可編程邏輯器件和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器）、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和脈沖波形的產(chǎn)生與變換電路等重要知識(shí)點(diǎn)。一直以來(lái)，全國(guó)大學(xué)生光電競(jìng)賽題目具有較強(qiáng)的實(shí)用性和較高的前瞻性。因此，以光電競(jìng)賽所涉獵的知識(shí)范圍為切入點(diǎn)，重新審視數(shù)字電子技術(shù)理論和實(shí)踐教學(xué)的計(jì)劃安排，增加和突出重點(diǎn)內(nèi)容和應(yīng)用性較強(qiáng)的內(nèi)容模塊，優(yōu)化過(guò)時(shí)、不合理或不重要的教學(xué)內(nèi)容。要緊跟時(shí)代發(fā)展的脈搏，把提高質(zhì)量作為教學(xué)改革的核心任務(wù)，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)應(yīng)用到光電競(jìng)賽、電子競(jìng)賽，“互聯(lián)網(wǎng)+”“挑戰(zhàn)杯”等各種社會(huì)實(shí)踐中，讓課堂教學(xué)富有生命力。

再次，創(chuàng)新教學(xué)方法。全國(guó)大學(xué)生光電競(jìng)賽需要學(xué)生富有創(chuàng)新思維，而這種創(chuàng)新思維的培養(yǎng)對(duì)教師提出了更高的教學(xué)要求。傳統(tǒng)的填鴨式教學(xué)方法，形式比較單一，課堂枯燥無(wú)味，無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。因此教師在教學(xué)過(guò)程中，要以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，以素質(zhì)培養(yǎng)為目的，注重教學(xué)方法的創(chuàng)新，吸引學(xué)生的注意力，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維。如采用問(wèn)題啟發(fā)式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法、項(xiàng)目化和參與式教學(xué)、強(qiáng)化案例分析法、頭腦風(fēng)暴法、小組討論法、講練模擬教學(xué)法、巧設(shè)疑問(wèn)法等。針對(duì)數(shù)字電子技術(shù)課程內(nèi)容多、散、碎等特點(diǎn)，可借助超星網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，采取SPOC（Small Private Online Course小規(guī)模限制性在線課程）翻轉(zhuǎn)課堂式創(chuàng)新學(xué)習(xí)法，注重探索以學(xué)生為中心的課程教學(xué)組織新模式。

最后，構(gòu)建多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。在數(shù)字電路實(shí)踐教學(xué)上，根據(jù)學(xué)生實(shí)踐能力和培養(yǎng)的循序漸進(jìn)性，構(gòu)建了由基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次教學(xué)體系。其中基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)側(cè)重于電子元器件的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，以及基本數(shù)字電路的調(diào)試和測(cè)量，盡量覆蓋理論課教學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生鞏固和應(yīng)用理論知識(shí)的過(guò)程。工程創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)側(cè)重于學(xué)生綜合素質(zhì)和能力的培養(yǎng)。分層次的實(shí)踐教學(xué)有利于學(xué)生加深理論認(rèn)識(shí)，提高專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。同時(shí)，及時(shí)更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)于一些硬件設(shè)施跟不上的實(shí)驗(yàn)，可以利用Proteus、Multism或EDA等軟件開設(shè)仿真實(shí)驗(yàn)。

三、教學(xué)改革與探索成效——以光電競(jìng)賽為例

2019年全國(guó)光電賽內(nèi)容圍繞光電信息技術(shù)在環(huán)境、醫(yī)療、安全等各個(gè)領(lǐng)域的新應(yīng)用，以培育新產(chǎn)品、新業(yè)態(tài)、新服務(wù)、新模式為目標(biāo)為題。根據(jù)學(xué)生理論課的學(xué)習(xí)情況，指導(dǎo)參加光電比賽大二學(xué)生這一組選擇了完成基于樹莓派智能巡檢設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該巡檢設(shè)備攜帶熱成像傳感器、粉塵檢測(cè)傳感器和攝像頭檢測(cè)裝置，可以對(duì)室內(nèi)空氣粉塵濃度、異常熱源等情況進(jìn)行警報(bào)，具有現(xiàn)場(chǎng)圖像采集、粉塵濃度檢測(cè)等功能。通過(guò)激光雷達(dá)進(jìn)行路徑規(guī)劃，可以按最優(yōu)路徑進(jìn)行自主巡視，滿足了在不同環(huán)境下智能巡檢的需要。

該系統(tǒng)以樹莓派為核心處理器。巡檢設(shè)備的粉塵濃度采集功能的實(shí)現(xiàn)利用了光散射原理。為了更好地對(duì)散射光信號(hào)進(jìn)行處理，需要設(shè)計(jì)光接收電路對(duì)其進(jìn)行放大和濾波處理。熱成像的實(shí)現(xiàn)利用物體熱輻射的特性，選用FLIR熱成像模塊，通過(guò)USB接口與樹莓派進(jìn)行通信和圖像傳輸。智能巡檢設(shè)備在工作過(guò)程中通過(guò)L298N接受邏輯電平控制電機(jī)，完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。智能巡檢設(shè)備的云端數(shù)據(jù)庫(kù)采用在騰訊云個(gè)人服務(wù)器搭建MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳采用了基于TCP協(xié)議的實(shí)時(shí)傳輸方法，實(shí)現(xiàn)了云端數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化查看。

通過(guò)競(jìng)賽，學(xué)生把課堂上學(xué)習(xí)的邏輯門電路、鎖存器和觸發(fā)器、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、編程邏輯器件、AD轉(zhuǎn)換、DA轉(zhuǎn)換這些數(shù)字電電路專業(yè)基礎(chǔ)課程連接在一起，鞏固了重要的知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)還可以將電路理論、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、C語(yǔ)言編程技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)課程連接在一起，鞏固了專業(yè)知識(shí)等，從工程實(shí)踐能力上加強(qiáng)了學(xué)生PCB電路的設(shè)計(jì)和制作、電路焊接與調(diào)試、電路綜合故障排除等能力。本組最終獲得2019年第七屆全國(guó)光電競(jìng)賽中南賽區(qū)一等獎(jiǎng)，全國(guó)三等獎(jiǎng)。這樣的成績(jī)對(duì)于還在讀大二的三名學(xué)生實(shí)屬不易。

四、結(jié)語(yǔ)

以光電競(jìng)賽為動(dòng)力，以培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才為目的，對(duì)數(shù)字電子技術(shù)進(jìn)行了有益的教學(xué)改革和探索，并取得了良好的效果。通過(guò)以賽促教、以教促賽的教學(xué)方式，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)積極性、綜合素養(yǎng)和能力得到了明顯提高，在光電競(jìng)賽和其他電子競(jìng)賽中取得了良好的成績(jī)。通過(guò)競(jìng)賽，大大開闊了學(xué)生的眼界，培養(yǎng)了學(xué)生的協(xié)同創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉青，張衛(wèi)平，張東彥，黃明.新形勢(shì)下電子技術(shù)課程教學(xué)研究與探索[J].教育教學(xué)論壇，2018，30：137-138.

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[3]劉華珠.淺談數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)改革研究[J].教育現(xiàn)代化，2018，21：55-56.

基金項(xiàng)目：2019年湖南省教育廳“普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目”（編號(hào)：G21916）

作者簡(jiǎn)介：唐海波（1980—），男，漢族，湖南祁東人，博士，講師，主要從事激光與物質(zhì)相互作用研究及光電教學(xué)研究。