電子工程創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目教學(xué)改革：理論付諸實(shí)踐

樊 華，謝華江，李蘇杰，王岑涅，葉星寧，陳偉建

（1.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054；2.成都大學(xué)旅游與文化產(chǎn)業(yè)學(xué)院，成都 610106；3.電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，成都 611731）

0 引言

隨著電子工程技術(shù)的不斷發(fā)展，社會(huì)對(duì)創(chuàng)新型人才提出了更高的要求，高校教育在人才的培養(yǎng)中充當(dāng)著至關(guān)重要的角色。然而當(dāng)前在高校教育中普遍存在著人才培養(yǎng)方法陳舊、教育體制不合理、管理體制不完善以及迫切需要提高教師隊(duì)伍水平等問題［1-4］。例如，部分課程使用的教科書出版于數(shù)十年前，但是隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，很有必要對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行及時(shí)更新，補(bǔ)充教材知識(shí)的最新應(yīng)用實(shí)例。另一個(gè)不容忽視的問題是大學(xué)生的實(shí)踐操作項(xiàng)目普遍不足，許多學(xué)生很難透徹理解在大學(xué)中所學(xué)的理論知識(shí)，容易導(dǎo)致學(xué)生不知道如何去運(yùn)用。為此根據(jù)當(dāng)前社會(huì)對(duì)人才的需求，提出了一種有針對(duì)性的教育改革方法，通過鼓勵(lì)學(xué)生參加創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，幫助學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系，從而更好地促進(jìn)學(xué)生完成從理論知識(shí)向?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化［5-8］，將理論知識(shí)投入到實(shí)踐應(yīng)用中，同時(shí)將零散的知識(shí)組合起來，使學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有更全面的理解。本文介紹了兩個(gè)針對(duì)改革精心設(shè)計(jì)的、與課程緊密相關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目，這些創(chuàng)新項(xiàng)目都是根據(jù)學(xué)生不同的專業(yè)、結(jié)合了多門相關(guān)課程而設(shè)計(jì)的。學(xué)生通過參與到項(xiàng)目的整個(gè)流程中，將會(huì)熟悉較完整的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及如何將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技能。這樣的改革將極大地有益于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)［9］。此外，人才的培養(yǎng)也能夠反過來進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。教育改革有望成為實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的新動(dòng)力。

1 對(duì)電子工程創(chuàng)新教改的探究

1.1 更新人才培養(yǎng)理念，重視實(shí)踐訓(xùn)練

對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法的改革在高校教育改革中至關(guān)重要，學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需要得到更高的重視，而不僅僅只注重于課堂教學(xué)。創(chuàng)新培訓(xùn)作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要組成部分，應(yīng)放在教育改革的核心位置。教育改革的關(guān)鍵在于人才培養(yǎng)重心的轉(zhuǎn)移。加強(qiáng)高校對(duì)于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，必須從革新傳統(tǒng)教學(xué)思想入手［10-11］。在探索更好的教學(xué)方法的過程中，高校應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的自主性、探索性、合作性以及創(chuàng)新性，而不是單純地在課堂上教授學(xué)生理論知識(shí)。

如今許多高校的電子工程學(xué)課程體系缺乏整體性，各學(xué)科之間的聯(lián)系不夠緊密，學(xué)生很難建立起完整的知識(shí)體系。課程相關(guān)的創(chuàng)新型項(xiàng)目是解決這一問題的有效方法，因?yàn)閷W(xué)生在完成這些項(xiàng)目的過程中將接觸到多門課程的知識(shí)，并需要掌握如何去解決實(shí)踐中遇到的問題。教學(xué)改革的目的是幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何將課堂所學(xué)的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中，比如通過課程相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)踐。這些創(chuàng)新項(xiàng)目通常是針對(duì)不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)生而專門設(shè)計(jì)的，涉及不同的專業(yè)背景和相關(guān)知識(shí)［12］。此外，項(xiàng)目還劃分成多個(gè)難度水平的類型，可供學(xué)生根據(jù)自身的能力做相應(yīng)的選擇［13-14］。與傳統(tǒng)的統(tǒng)一式教育相比，這種個(gè)性化的教育更好地做到了因材施教，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，傳統(tǒng)的大學(xué)教育過度側(cè)重于單一的理論教學(xué)，所有學(xué)生接受的都是幾乎一樣的知識(shí)輸入，而涉及實(shí)踐操作的鍛煉嚴(yán)重不足，因此這些涉及多個(gè)學(xué)科知識(shí)的創(chuàng)新型項(xiàng)目正好彌補(bǔ)了這一缺陷。圖1展示了一個(gè)典型創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)展的流程，首先有針對(duì)性地提出項(xiàng)目規(guī)劃，然后在項(xiàng)目的實(shí)施過程中靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)并不斷查漏補(bǔ)缺，最后進(jìn)行項(xiàng)目完成后的總結(jié)和改進(jìn)。

圖1 典型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目流程

一個(gè)典型的創(chuàng)新項(xiàng)目是傳感器檢測(cè)微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，圖2展示了多門課程的不同知識(shí)在該項(xiàng)目中的交叉運(yùn)用情況。①為了選擇合適的傳感器進(jìn)行檢測(cè)，學(xué)生將復(fù)習(xí)基于傳感器系統(tǒng)課程中的知識(shí)，了解不同傳感器的類別和典型的用法。② 可能需要的是設(shè)計(jì)放大器和濾波器電路，這是在模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)課程中所教授的，傳感器的直接輸出信號(hào)通常比較小，因此需要設(shè)計(jì)相關(guān)電路以放大得到更強(qiáng)的信號(hào)，并運(yùn)用濾波電路來消除引入的噪聲和失調(diào)。③為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊的控制，學(xué)生可以利用到嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中的知識(shí)。④對(duì)于大量輸出數(shù)據(jù)的處理和分析得出最終結(jié)論也是必不可少的一環(huán)。⑤ 學(xué)生還可以利用電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程中的PCB設(shè)計(jì)和版圖布局技巧。在完成這些項(xiàng)目后，多門課程之間的聯(lián)系將變得更加緊密，并且學(xué)生也將構(gòu)建出更完整的知識(shí)體系。在遇到問題和解決問題的過程中，學(xué)生可以真正地將各個(gè)學(xué)科不同課程的知識(shí)結(jié)合起來，更好地將理論付諸實(shí)踐。

圖2 創(chuàng)新項(xiàng)目與課程相結(jié)合

教材作為高校教育的一個(gè)重要組成部分，在學(xué)生的理論學(xué)習(xí)中起著至關(guān)重要的作用。正因如此，讓教科書跟上時(shí)代發(fā)展的步伐是很有必要的。部分版本陳舊的教材應(yīng)該及時(shí)更新，以更好地提高教學(xué)質(zhì)量。例如，舊教材可能缺乏足夠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，因?yàn)椴糠蛛娮庸こ虒W(xué)教材過于側(cè)重于理論知識(shí)的教學(xué)，純粹的理論和公式推導(dǎo)占據(jù)了大部分版面，使得教科書內(nèi)容顯得過于緊密，也從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。最新的典型實(shí)例應(yīng)該被添加到現(xiàn)有的教科書中去，用來向?qū)W生展示一些如何運(yùn)用理論知識(shí)的基本概念，教材中加入更多的互動(dòng)和實(shí)踐內(nèi)容也將有助于學(xué)生理解理論知識(shí)如何應(yīng)用于實(shí)際。通過課本上的這些例子，學(xué)生將會(huì)初步了解該如何解決生活中存在的實(shí)際問題，從而更好地吸收抽象的理論知識(shí)。

1.2 落實(shí)各類資源，為教育改革提供保障

目前看來，社會(huì)對(duì)于高校創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)沒有提供足夠的支持。應(yīng)該有更多的資源投放在教育環(huán)節(jié)上。人才培養(yǎng)所帶來的巨大生產(chǎn)力和革新力的意義尚未被全面認(rèn)識(shí)到。高素質(zhì)人才在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的幾乎每一個(gè)方面都做出了重大貢獻(xiàn)。世界各國(guó)也越來越重視人才的培養(yǎng)。人才的培養(yǎng)具有極大地促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的潛力。事實(shí)上，許多革命性的突破正是由少數(shù)創(chuàng)新型人才發(fā)展出來的。在現(xiàn)代社會(huì)，不遺余力地讓學(xué)生得到充分有效的教育是值得的，因?yàn)槿瞬诺呐囵B(yǎng)實(shí)際上是任何社會(huì)發(fā)展的核心［15］。

為了確保學(xué)生有足夠的機(jī)會(huì)參與創(chuàng)新培訓(xùn)項(xiàng)目，高校首先應(yīng)該給予學(xué)生最充分的支持。高?？梢猿浞掷闷鋵?shí)驗(yàn)室和研究平臺(tái)，為學(xué)生提供更好的研究環(huán)境。并且可以設(shè)置更多的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程，提供更多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以確保學(xué)生有足夠的實(shí)踐機(jī)會(huì)。此外，專業(yè)課程應(yīng)有效地納入創(chuàng)新培養(yǎng)計(jì)劃。通過這些課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以有更全面的知識(shí)基礎(chǔ)來完成與課程相關(guān)的項(xiàng)目，而創(chuàng)新項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也將促進(jìn)理論知識(shí)和實(shí)踐技能的統(tǒng)一。教育改革的結(jié)果代表著教育從理論成果到實(shí)踐成果，從科技成果到生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)變，應(yīng)該投入更充足的技術(shù)和資金支持來確保創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目的持續(xù)開展和完善。

此外，加強(qiáng)學(xué)校和企業(yè)之間的合作也是意義重大的一項(xiàng)改革措施。吸引更多的社會(huì)資源參與到人才培養(yǎng)中，為學(xué)生提供不同形式的教育模式也是非常重要的［16］。2018年夏，我校電子科學(xué)與工程學(xué)院先后與分別位于上海、蘇州、成都等地的13家企業(yè)建立了合作關(guān)系，并派出117名學(xué)生赴企業(yè)實(shí)習(xí)鍛煉。近兩年來，學(xué)院與36家企業(yè)、研究所等單位保持著密切的聯(lián)系，并為學(xué)生提供了企業(yè)中更為實(shí)用的專業(yè)實(shí)踐技能。來自企業(yè)的項(xiàng)目可以讓學(xué)生更深入地了解他們所學(xué)的知識(shí)是如何在現(xiàn)實(shí)生活中得到運(yùn)用的。除此之外，各所高校的教學(xué)資源也應(yīng)該得到相應(yīng)的合作交流，結(jié)合不同學(xué)校的優(yōu)勢(shì)共同為學(xué)生提供更高質(zhì)量的教學(xué)保障。更全面的培訓(xùn)不僅能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)，還能幫助他們獲得同樣重要的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這種合作極大地促進(jìn)了人才創(chuàng)新培養(yǎng)教育的發(fā)展，也為企業(yè)帶來源源不斷的新生人才力量，很好地實(shí)現(xiàn)了雙贏局面。

2 在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目中貫穿課堂知識(shí)和科技熱點(diǎn)

電子工程學(xué)教育改革應(yīng)尤其注重大學(xué)教育與科技熱點(diǎn)趨勢(shì)的聯(lián)系。需要讓學(xué)生感受到科技的逐步發(fā)展和革新，這種科技的魅力會(huì)引起學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。創(chuàng)新課程項(xiàng)目是該教育改革的最重要措施之一。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程不同，創(chuàng)新課程相關(guān)的項(xiàng)目與日常生活緊密相連，側(cè)重于解決來源于現(xiàn)實(shí)生活中的問題。這樣的項(xiàng)目選題方法最大的好處是讓學(xué)生對(duì)正在做的項(xiàng)目感興趣，這也勢(shì)必使他們對(duì)于項(xiàng)目有更強(qiáng)的動(dòng)力，并投入更多的時(shí)間和精力。學(xué)生們通常對(duì)時(shí)下熱門方向有更大的興趣，因此在為創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目選擇主題時(shí)，跟上科技的發(fā)展趨勢(shì)也非常重要。

2.1 智能窗簾項(xiàng)目

創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目中包含的一個(gè)典型項(xiàng)目是智能窗簾項(xiàng)目。該項(xiàng)目選題正是源于現(xiàn)實(shí)生活中可能遇到的問題。設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)理論和實(shí)踐之間更緊密的聯(lián)系。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)和生活的快速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量有了更高的要求，一個(gè)更舒適、更方便、更安全的生活空間總是受到人們的期待和追求。智能家居產(chǎn)品可以大大提高生活質(zhì)量，讓消費(fèi)者能夠改造出屬于自己的現(xiàn)代家居內(nèi)飾，智能家居也因此已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)［17］。針對(duì)這一趨勢(shì)，為電子工程專業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)了一個(gè)智能窗簾創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目（見圖3）。與傳統(tǒng)窗簾相比，這種智能窗簾具有許多優(yōu)點(diǎn)。用戶可以用智能手機(jī)通過藍(lán)牙連接遠(yuǎn)程控制窗簾。在定時(shí)模式下，窗簾將通過設(shè)置的時(shí)間按時(shí)打開或關(guān)閉。而在自動(dòng)模式下，窗簾將根據(jù)來自光傳感器的信號(hào)自動(dòng)調(diào)整其開閉。在這個(gè)項(xiàng)目過程中學(xué)生將親自動(dòng)手完成整個(gè)智能窗簾系統(tǒng)的搭建，加深對(duì)各個(gè)模塊功能的理解并將各學(xué)科的知識(shí)結(jié)合起來。

圖3 智能窗簾系統(tǒng)組成模塊

智能窗簾系統(tǒng)主要由用戶部分、控制部分和動(dòng)力部分組成。用戶部分是指Android系統(tǒng)用戶控制窗簾的智能手機(jī)應(yīng)用程序?？刂撇糠种饕侵笖?shù)據(jù)處理模塊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算也是在這個(gè)部分完成。智能窗簾系統(tǒng)需要一個(gè)合適的處理器來完成對(duì)數(shù)據(jù)和指令的處理。為了選擇最合適的智能窗簾系統(tǒng)控制器，對(duì)Arduino、ExtraCore、BeagleBone Black 和Raspberry Pi 4個(gè)開發(fā)板進(jìn)行了分析比較。學(xué)生需要從編程語言、速度、大小和價(jià)格等多個(gè)方面比較不同處理器。最終選擇如圖4所示的樹莓派Raspberry Pi開發(fā)板作為智能窗簾系統(tǒng)主處理器。Raspberry Pi集成了ARM兼容的中央處理器（CPU）和片內(nèi)圖形處理單元（GPU）［18］。Raspberry Pi采用了一個(gè)基于Linux的操作系統(tǒng)Raspbian，Python是其主要的推薦編程語言。Raspberry Pi開發(fā)板作為控制部分最重要的模塊將處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)和指令、通信模塊、無線模塊、繼電器模塊等其他部分通過數(shù)據(jù)接口與樹莓派連接［19-20］。Raspberry Pi上連接配置了藍(lán)牙模塊，作為連接用戶部分和智能窗簾的橋梁，建立用戶與微處理器之間的數(shù)據(jù)連接，用戶可以通過藍(lán)牙連接向智能窗簾系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)和命令，然后從處理器接收到反饋數(shù)據(jù)［21］?？刂浦悄艽昂煹拇a是用Python編程語言編寫，這對(duì)于學(xué)生來說相對(duì)比較容易上手。利用Python代碼通過處理主處理器發(fā)出的命令來實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，學(xué)生通過編寫這個(gè)簡(jiǎn)單程序?qū)⒊醪秸莆帐褂镁幊陶Z言來控制一個(gè)系統(tǒng)。該創(chuàng)新培養(yǎng)項(xiàng)目還需要編寫一個(gè)簡(jiǎn)潔的Android應(yīng)用程序。學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)簡(jiǎn)單的Java編程語言來實(shí)現(xiàn)這樣的手機(jī)控制應(yīng)用。APP首頁上有著明顯的拉開／關(guān)閉控制按鈕以及一些其他附加功能，如定時(shí)功能和自動(dòng)模式。該應(yīng)用程序是用Java語言編寫的，適用于Android設(shè)備。當(dāng)用戶在APP中按下按鈕時(shí)，相應(yīng)的指令將通過藍(lán)牙發(fā)送到智能窗簾系統(tǒng)的處理器Raspberry Pi。處理器接收指令后，將相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送到Raspberry Pi的輸出端口，由輸出端口控制繼電器的運(yùn)行。窗簾的動(dòng)力部分主要由窗簾模型、電動(dòng)機(jī)和繼電器組成。繼電器的狀態(tài)取決于Raspberry Pi輸出端口的電壓，由主處理器控制，繼電器進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的電源，窗簾的開閉操作是通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來完成的，從而完成窗簾的拉拔。智能窗簾系統(tǒng)的框圖如圖5所示。通過對(duì)智能窗簾系統(tǒng)的搭建和測(cè)試，一方面可以讓學(xué)生更好地了解各個(gè)模塊的基礎(chǔ)知識(shí)和工作原理，另一方面可以顯著提高學(xué)生的編程能力。

圖4 Raspberry Pi樹莓派開發(fā)板

圖5 智能窗簾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

這個(gè)智能窗簾項(xiàng)目是從改善人們期待更舒適生活空間的現(xiàn)實(shí)問題的角度來設(shè)計(jì)的。在對(duì)學(xué)生進(jìn)行了關(guān)于電子工程學(xué)科傳統(tǒng)課程反饋調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)重要的問題就是部分學(xué)生很難將理論知識(shí)聯(lián)系到實(shí)際應(yīng)用上。而通過完成這個(gè)智能窗簾系統(tǒng)的過程，學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力得到了極大的提高，對(duì)電路、Linux系統(tǒng)以及編程技能有了更好的理解。這個(gè)項(xiàng)目不僅可以提高學(xué)生對(duì)科研的興趣，還能夠幫助他們熟悉智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程。在今后基于該類項(xiàng)目的教學(xué)過程中，還將進(jìn)一步開發(fā)出更多新的功能和操作模式，使學(xué)生的創(chuàng)新思維能力得到更顯著的提高。

2.2 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器項(xiàng)目

為了進(jìn)一步提升高校教學(xué)質(zhì)量，理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)問題的緊密聯(lián)系在高校電子工程學(xué)教育中顯得尤為重要。正因如此，課程改革中的很多創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目是從社會(huì)熱點(diǎn)話題的角度提出并設(shè)計(jì)的，這使得它們更容易激發(fā)學(xué)生的參與興趣。傳感器在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著越來越重要的作用，傳感器廣泛應(yīng)用于日常物體中，通?？梢詸z測(cè)溫度、壓力、位移、光、磁場(chǎng)等物理參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其重要應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、機(jī)械、醫(yī)藥、航空航天等多個(gè)方面。為了幫助學(xué)生更好地理解傳感器的重要性以及如何應(yīng)用傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)需要使用多種類型傳感器的身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器創(chuàng)新項(xiàng)目。該項(xiàng)目展示了教學(xué)改革的核心理念，即從解決日常生活中存在的實(shí)際問題的原則出發(fā)。生活中普遍存在的一個(gè)潛在健康問題是人們經(jīng)常以不正確的方式舉起重物或鍛煉身體，而這可能會(huì)對(duì)身體造成嚴(yán)重的損害。由此可以預(yù)見，如果人們?cè)诮∩砘蚋芍鼗顣r(shí)佩戴有可以監(jiān)測(cè)身體姿勢(shì)的設(shè)備，這將可以大大減少受傷的風(fēng)險(xiǎn)，也可以顯著提高運(yùn)動(dòng)效果。如圖6所示，本項(xiàng)目將由集成了多種傳感器的可穿戴式運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)器組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量用戶的身體角度和肘部彎曲角度?；诙鄠€(gè)傳感器測(cè)量到的這些數(shù)據(jù)，該設(shè)備將能夠檢測(cè)用戶的身體姿勢(shì)和活動(dòng)能力。

圖6 多種傳感器測(cè)量身體姿勢(shì)

這個(gè)項(xiàng)目中使用到1個(gè)STM32F3開發(fā)板、1個(gè)加速計(jì)和4個(gè)基于光的曲度傳感器。STM32F3開發(fā)板作為微控制器從其他模塊收集數(shù)據(jù)。學(xué)生可以通過STM32F3 DISCOVERY使用基于ARM Cortex-M4混合信號(hào)MCU的STM32F3系列輕松開發(fā)應(yīng)用程序。此外，STM32F3開發(fā)板還包括有加速計(jì)、陀螺儀、USB接口、LED和按鍵開關(guān)等組件。加速計(jì)將用于檢測(cè)用戶的身體傾斜角度，有1°的分辨率，該精度足以滿足本項(xiàng)目的要求。曲度傳感器用于檢測(cè)肘部彎曲角度，并且鼓勵(lì)學(xué)生親自動(dòng)手制作傳感器，以便于更好地理解傳感器的基本原理。

為了制造曲度傳感器，第一個(gè)嘗試是電阻式曲度傳感器，它是通過在兩條銅帶之間放置velostat壓敏電阻片制成的。該傳感器的圖像如圖7（a）所示，基本工作原理是velostat壓敏電阻片的電阻會(huì)隨著受到壓力的增大而減小，隨著將傳感器彎曲在不同的角度，傳感器將表現(xiàn)出不同的阻值，因此用這種方法可以檢測(cè)到特定的阻值并根據(jù)參考值將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的彎曲角度信息。但這類傳感器存在的一個(gè)問題是，很難確保用戶每次都將設(shè)備佩戴在同一個(gè)部位，也正因?yàn)槿绱?，傳感器所產(chǎn)生的數(shù)值也與彎曲部位有很大關(guān)系。這種彎曲傳感器的原理很象壓力傳感器，在應(yīng)用中也將無可避免地導(dǎo)致一定的誤差，因此該傳感器無法達(dá)到在項(xiàng)目中使用所需精度，為了解決這一誤差問題需要設(shè)計(jì)出一種設(shè)備，用以確保用戶每次都準(zhǔn)確地將該產(chǎn)品佩戴在同一部位。

然而這樣佩戴固定設(shè)備總是受到舒適度或成本的限制，因此另一種類型的曲度傳感器開始受到考慮，即基于光的曲度傳感器。基于光的曲度傳感器的工作原理是，光敏電阻（LDR）的電阻值會(huì)隨著入射光強(qiáng)度的降低而增加。當(dāng)傳感器彎曲時(shí)，這種彎曲傳感器將檢測(cè)到不同的光強(qiáng)，引起LDR阻值變化從而導(dǎo)致電路輸出電壓發(fā)生變化［22］?；诠獾那葌鞲衅髂Ｐ腿鐖D7（b）所示，這種類型的傳感器更加適合應(yīng)用于該項(xiàng)目，因?yàn)樗皇芩鶛z測(cè)到的光強(qiáng)的影響，而光強(qiáng)基本上取決于傳感器的彎曲度?；诠獾那葌鞲衅麟娐啡鐖D7（c）所示。經(jīng)過最后的測(cè)試，這種基于光的曲度傳感器被證明符合項(xiàng)目的精度需求。在這個(gè)項(xiàng)目中，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)計(jì)和制作傳感器，通過設(shè)計(jì)和制作的過程學(xué)生將比傳統(tǒng)方式更好地理解傳感器的工作原理，以及傳感器需考慮的如靈敏度、分辨率、偏差等重要參數(shù)的意義。

圖7 曲度傳感器

在測(cè)試光原理曲度傳感器時(shí)，每個(gè)傳感器被彎曲成4種程度（不彎曲、輕微彎曲、較彎曲、嚴(yán)重彎曲）。為了得到準(zhǔn)確的結(jié)果，應(yīng)該盡可能多地進(jìn)行樣本采集。在這個(gè)項(xiàng)目中，對(duì)每種彎曲程度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）輸出進(jìn)行了1 000次測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如圖8所示。x軸上值的范圍是0～3 300的ADC輸出。y軸上的值對(duì)應(yīng)著每個(gè)輸出范圍內(nèi)數(shù)值出現(xiàn)的頻率。圖8中的4個(gè)峰值分別為4種彎曲程度的平均測(cè)量值。直方圖中數(shù)值的方差展現(xiàn)了傳感器的精度，圖中的4個(gè)峰值及其數(shù)值方差用于確定4種程度的邊界，傳感器精度的峰值變化約為25%。測(cè)量結(jié)果在很大程度上取決于傳感器的質(zhì)量，在進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)一步考慮該問題。最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果代表了傳感器可能的特性，分析數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果有助于學(xué)生決定如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)搭建，以及怎樣能夠最充分準(zhǔn)確地應(yīng)用這些傳感器。例如，學(xué)生可以運(yùn)用這些數(shù)據(jù)來判斷用戶正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)類型（如俯臥撐、深蹲、平板支撐、舉重等），并將這些運(yùn)動(dòng)類型進(jìn)一步整合到應(yīng)用程序中，以便系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地識(shí)別它們，并幫助用戶監(jiān)測(cè)正確的運(yùn)動(dòng)方式。

圖8 ADC輸出測(cè)量結(jié)果

在安裝好所有必要的模塊并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試后，再開發(fā)一款A(yù)ndroid應(yīng)用程序來更方便地使用這個(gè)身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器。該應(yīng)用具有允許用戶通過藍(lán)牙模塊連接設(shè)備的功能。當(dāng)用戶連接后，應(yīng)用程序?qū)⒆x取從處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后反饋的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后會(huì)在屏幕上顯示給用戶。這個(gè)項(xiàng)目也涉及RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），多個(gè)指令可以在不同的時(shí)間間隔內(nèi)處理，這一過程也將使學(xué)生更熟悉系統(tǒng)架構(gòu)。設(shè)定傳感器每1 ms

采樣一次，所有采樣數(shù)據(jù)的平均值每隔2 s發(fā)送到APP。處理后的數(shù)據(jù)將由加速計(jì)所測(cè)每個(gè)軸的傾斜角度和每個(gè)傳感器所測(cè)彎曲角度來表示。此外，處理器還將同時(shí)收集這些測(cè)量值并判斷這些值是否在特定的范圍內(nèi)，以此決策出用戶的運(yùn)動(dòng)情況，然后應(yīng)用程序?qū)⒏鶕?jù)判斷結(jié)果通過語音模塊反饋給用戶。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

這個(gè)項(xiàng)目旨在從解決生活中切實(shí)存在的普遍問題的角度出發(fā)，通過搭建這個(gè)身體活動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，學(xué)生需要將無線通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和Android技術(shù)等知識(shí)相結(jié)合，該過程有助于理解各學(xué)科和專業(yè)之間的聯(lián)系。在項(xiàng)目完成后將對(duì)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中遇到的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，并在未來對(duì)該活動(dòng)監(jiān)測(cè)器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，所有這些工作都有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。這種類型的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目可以讓學(xué)生不僅僅明白如何應(yīng)用理論知識(shí)，還包括了在哪些實(shí)際層次和場(chǎng)合可以應(yīng)用到所學(xué)的知識(shí)。

3 結(jié)語

在分析了電子工程學(xué)科高校教育的現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的教育改革措施。該教育改革尤其重視對(duì)于學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)在電子工程學(xué)科中發(fā)揮著越來越重要的作用，引導(dǎo)學(xué)生更好地將理論與實(shí)踐結(jié)合起來應(yīng)成為高等教育的側(cè)重點(diǎn)。通過鼓勵(lì)學(xué)生參與到創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目中的教學(xué)改革實(shí)踐，較好地解決了傳統(tǒng)教學(xué)方法中存在的各學(xué)科之間聯(lián)系不夠緊密等問題。該改革對(duì)于高校培養(yǎng)符合當(dāng)今社會(huì)需求的創(chuàng)新型人才有著重要的實(shí)際意義，并為電子工程學(xué)科教育改革提供了新的探索方向。關(guān)于未來的進(jìn)一步工作，計(jì)劃根據(jù)學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐反饋情況，對(duì)課程相關(guān)的創(chuàng)新項(xiàng)目進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)充和完善，并根據(jù)學(xué)生不同的專業(yè)和掌握程度設(shè)計(jì)更細(xì)致的個(gè)性化定制創(chuàng)新項(xiàng)目。