“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”教學(xué)改革實踐

陸欣云, 黃家才，楊 雪，劉 靜

(南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167)

0 引言

目前，普通本科院校都會在自動控制類及電子信息類的專業(yè)培養(yǎng)方案中安排“電路分析基礎(chǔ)”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且會在學(xué)完這些課程之后安排“模電課程設(shè)計”和“數(shù)電課程設(shè)計”。我校原來的“模電課程設(shè)計”要求學(xué)生在一周的時間內(nèi)完成一個連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源或“正弦波-方波-三角波”發(fā)生電路的設(shè)計，并在面包板上搭建和調(diào)試此電路?！皵?shù)電課程設(shè)計”要求學(xué)生在EDA實驗箱上完成一個8人搶答器或者數(shù)字鐘等電路的實現(xiàn)。

由于單門課對應(yīng)的課程設(shè)計內(nèi)容相對不是一個綜合的電子系統(tǒng)，而且實際的電子產(chǎn)品從形態(tài)上與課程設(shè)計的作品有較大的差異，為了讓學(xué)生能夠獲得綜合電子系統(tǒng)設(shè)計與制作的訓(xùn)練，使學(xué)生在畢業(yè)前能具備良好的工程素養(yǎng)，畢業(yè)后能勝任相應(yīng)的研發(fā)類或工程類工作崗位。我校對電子技術(shù)課程設(shè)計進(jìn)行了改革，開設(shè)了“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”新課程。

“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”整合了原先“模電課程設(shè)計”“數(shù)電課程設(shè)計”“電子工藝實習(xí)”三門實踐課的內(nèi)容，采用四位一體教學(xué)模式來開展這門課的教學(xué)活動。四位一體教學(xué)模式是指從“工程化環(huán)境，項目化載體，團(tuán)隊式指導(dǎo)，協(xié)作式學(xué)習(xí)”四個方面來全面開展課程的實施。四位一體教學(xué)模式具體內(nèi)容包括教師教學(xué)團(tuán)隊的組建，對教學(xué)場地搭建規(guī)范的工程化環(huán)境，采用項目化教學(xué)方式，指導(dǎo)學(xué)生組成學(xué)習(xí)團(tuán)隊，進(jìn)行協(xié)作研討學(xué)習(xí)?；陧椖拷虒W(xué)法的“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”課程的開設(shè)是一種創(chuàng)新型互動性的實踐教學(xué)模式探索[1]。

1 四位一體教學(xué)模式的實施方法

1.1 搭建工程化環(huán)境

搭建工程化環(huán)境旨在為學(xué)生提供從事電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的模擬場景。電子系統(tǒng)的設(shè)計與制作本身就是一個富有創(chuàng)意的實踐活動，參考國際領(lǐng)先的創(chuàng)客空間建設(shè)解決方案，為教學(xué)實踐場地開辟了五大區(qū)域：教學(xué)區(qū)用于對學(xué)生進(jìn)行集中授課，主要由可以活動的桌椅構(gòu)成，桌椅可以拼裝成不同規(guī)模的大小以便小組成員之間進(jìn)行研討與交流。制作區(qū)為每一組的學(xué)生配備了一整套裝配調(diào)試平臺，其中包括焊接臺、計算機(jī)、示波器、信號發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、萬用表、工具箱等。讓學(xué)生可以在這里進(jìn)行電路設(shè)計及輔助分析、電路板的焊接與調(diào)試等工作。工具區(qū)主要提供給學(xué)生一些公用的制作設(shè)備及工具，包括打印機(jī)、熱轉(zhuǎn)印機(jī)、3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、虎鉗、臺鉆、博世工具掛板、熱水壺等，各組學(xué)生可以共享使用這些工具設(shè)備。收納區(qū)一方面存放制作中用到的電子元器件等材料，另一方面收集學(xué)生制作的過程中產(chǎn)生的電子垃圾從而進(jìn)行環(huán)保處理。展示區(qū)用櫥窗或立體貨架展示歷屆學(xué)生制作的優(yōu)秀作品。建立起他們對各種電子系統(tǒng)的直觀認(rèn)識，以拓寬學(xué)生的思路，激發(fā)他們的靈感。完善的工程化環(huán)境為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐學(xué)習(xí)活動提供了有力的保障。我校所搭建的工程化環(huán)境如圖1所示。

圖1 工程化環(huán)境布局示意圖

1.2 以項目化教學(xué)為載體

“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”的內(nèi)容是以一個具有實際應(yīng)用價值的小項目作為載體進(jìn)行學(xué)習(xí)與實施的。為了讓學(xué)生得到綜合的訓(xùn)練，同時也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計制作的興趣，并且能在三周的時間內(nèi)完成此項目，因此項目的選擇顯得尤為重要。經(jīng)過教學(xué)團(tuán)隊的探討與實踐，目前已開發(fā)出智能循跡小車，信號的產(chǎn)生、分解與合成，LED點陣顯示與驅(qū)動電路等若干個課題[2]。其中智能循跡小車項目要求一個學(xué)生團(tuán)隊設(shè)計制作出一個可以在白色路面上自動沿著黑色軌跡行走的小車，并且能實現(xiàn)對運(yùn)行的時間進(jìn)行計時。該項目運(yùn)用到模擬電子技術(shù)中光電對管檢測電路、電壓比較器電路、三極管驅(qū)動電路、LED控制電路等內(nèi)容。還運(yùn)用到了數(shù)字電子技術(shù)中組合邏輯電路、計數(shù)器、譯碼器、分頻計時器、數(shù)碼管的驅(qū)動等內(nèi)容。項目要求學(xué)生們學(xué)習(xí)Altium Designer軟件去設(shè)計模擬部分的電路，包括電路的原理圖及其PCB，并采用蝕刻的方法制作出電路的PCB，進(jìn)行焊接調(diào)試。智能小車實現(xiàn)計時顯示屬于數(shù)字電路的范疇，結(jié)合當(dāng)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，采用Intel公司的FPGA器件來實現(xiàn)數(shù)字電路的部分，由于在實驗室采用蝕刻方法很難制作出雙面PCB，手工制作的電路板很難適合高集成度的FPGA器件的焊接，因此將數(shù)字系統(tǒng)部分的硬件電路設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)的核心板提供給學(xué)生，并引出FPGA器件的I/O口用以與外圍電路進(jìn)行連接。這樣學(xué)生既獲得了PCB電路開發(fā)的實踐鍛煉，也獲得了數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)的訓(xùn)練，并且需要把二者有機(jī)地融合起來才能最終實現(xiàn)智能小車的功能。通過實踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對電路板的制作過程有極大的興趣，并且在制作的過程中會添加自己的創(chuàng)意在電路板上，例如添加自己小組的團(tuán)隊名稱和LOGO在PCB上。同時在制作的過程中會體會到設(shè)計中的缺陷給作品制作帶來的問題，例如，布線寬度太細(xì)導(dǎo)致銅膜導(dǎo)線易斷，焊盤設(shè)置太小會導(dǎo)致焊接困難等問題。學(xué)生根據(jù)問題進(jìn)行修正，積累了設(shè)計制作經(jīng)驗。

基于模數(shù)電的項目教學(xué)開展的效果很好，實際的電子系統(tǒng)中大多數(shù)情況還會有單片機(jī)的存在，因此我校還進(jìn)一步地推出了為時五周的基于“模電”“數(shù)電”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”“傳感器與檢測技術(shù)”等四門課綜合起來的課程設(shè)計[3]。由于學(xué)生已經(jīng)具備了更多的專業(yè)課程基礎(chǔ)，因此可以拓展更多的項目訓(xùn)練課題，目前已經(jīng)開展了如表1所示的實踐項目訓(xùn)練案例。

表1 實踐項目訓(xùn)練案例

對于這些項目的數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)部分，學(xué)生可以選用單片機(jī)，也可以運(yùn)用FPGA器件去實現(xiàn)。這樣可以基本保證一個班級中不同組別間做的項目有差異性。而每一個項目本身的設(shè)計目標(biāo)及內(nèi)容可以在每一年的實踐教學(xué)過程中進(jìn)行不斷地優(yōu)化迭代。

1.3 教師團(tuán)隊式指導(dǎo)

項目化教學(xué)的電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)涉及到較為寬廣的知識和技能，這對指導(dǎo)教師也提出了較高的要求，并且在實踐過程中學(xué)生可能會遇到各種問題，指導(dǎo)教師也要有豐富的經(jīng)驗來面對這些問題。學(xué)生的實訓(xùn)活動是在連續(xù)3～5周內(nèi)完成的，如果只有一名教師全程負(fù)責(zé)這們課程，務(wù)必會給教師的工作帶來巨大壓力，而且也會影響實踐教學(xué)的效果，因此，建立一個有分工、有協(xié)作的指導(dǎo)教師團(tuán)隊是必要的。我校在每一個班級的教學(xué)過程中組建了4～6人的教學(xué)團(tuán)隊，要求班級的學(xué)生自行選擇不同的訓(xùn)練項目，每一個項目有兩名熟悉此課題的老師來負(fù)責(zé)，任意一個時間點內(nèi)每個項目組至少會有一名老師在實踐場地。每一個項目的負(fù)責(zé)老師可以有主攻模擬電路部分及PCB設(shè)計或數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計與綜合部分的分工。這樣的團(tuán)隊式指導(dǎo)讓學(xué)生在實踐過程中遇到的問題能得到有效的解決，同時也減輕了教師的負(fù)擔(dān)。在這門課程的開展過程中指導(dǎo)教師一定會看到不同學(xué)生實踐能力與興趣的差異。教師可以在班級中選拔優(yōu)秀的學(xué)生作為后續(xù)其他班級教學(xué)的教學(xué)助手。讓他在課后協(xié)助教師去解決其它班級電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)中遇到的各類問題，這大大提高了該同學(xué)的實踐能力和素養(yǎng)。因為學(xué)生之間的相互溝通會比教師與學(xué)生之間的溝通更容易深入，這樣會大大提高教學(xué)效果，減輕教師的工作量。學(xué)生任教學(xué)助手經(jīng)過這樣的鍛煉后，還可以在教師的指導(dǎo)下參加中國機(jī)器人大賽或者全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽，也一定能取得不錯的成績。

1.4 學(xué)生組建團(tuán)隊進(jìn)行協(xié)作式學(xué)習(xí)

學(xué)生在學(xué)習(xí)實踐過程中的互相溝通交流是必不可少的，在完成一個具體項目的時候需要組建團(tuán)隊，團(tuán)隊的成員間進(jìn)行分工協(xié)作，最終才能將項目盡快實現(xiàn)。電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)的項目化教學(xué)就是給他們進(jìn)行團(tuán)隊學(xué)習(xí)實踐模擬的一個好機(jī)會，這是對學(xué)生今后進(jìn)入工作崗位與同事協(xié)作的一種前期培養(yǎng)。課程中要求學(xué)生之間自行組隊，三名同學(xué)為一個小組，共同完成所選的項目，每個同學(xué)負(fù)責(zé)作品的某一個模塊。在完成的過程中，每一個小組會分配一個組桌，方便他們討論方案，設(shè)計、制作、調(diào)試等。給每一組同學(xué)配備基本的一套儀器、工具、材料。由于在一個班級中開展的項目不可能每組都不相同，不同組別之間分配的任務(wù)會有類似的，他們之間也是可以相互交流和探討的，在評定成績方面可以對每個組的作品設(shè)計、制作、性能等各個方面給予成績評定。

為了防止做相同項目的組別某些同學(xué)有畏難情緒而出現(xiàn)抄襲其他同學(xué)的設(shè)計的情況，對同一個項目可以要求他們采用不同的方案實施，而且可以在項目要求上進(jìn)行區(qū)分。例如：針對環(huán)境信息采集及LED點陣顯示系統(tǒng)項目設(shè)定了5項不同的基礎(chǔ)部分要求，要求他們至少完成3項。另外，設(shè)定了13項不同的提高部分要求。要求不同組別之間為了獲得提高部分的成績必須選做不同的提高部分的內(nèi)容。這樣不同組別的成員可以相互借鑒學(xué)習(xí)，卻不能完全抄襲。該項目的考核具體要求如表2所示。從近5年的課程實踐效果來看，并沒有出現(xiàn)之前擔(dān)心的有的組完全照抄其他組的設(shè)計的情況。

表2 LED點陣顯示系統(tǒng)項目要求示例

2 結(jié)語

項目化教學(xué)是工程類專業(yè)教學(xué)的先進(jìn)產(chǎn)物，“電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)”的課程特征使其比較適用于項目化教學(xué)的方法[4]。

運(yùn)用四位一體的項目化教學(xué)方式，學(xué)生有著一個完整的項目作品設(shè)計任務(wù)，在綜合化的實踐場景下，能夠團(tuán)隊協(xié)作地去完成任務(wù)，將理論與實踐相結(jié)合，為其團(tuán)隊設(shè)計的作品賦予他們的創(chuàng)造力與想象力，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了知識技能，更重要的是激發(fā)了他們從事電子設(shè)計的興趣與熱情，培養(yǎng)了良好的工程素養(yǎng)，為他們今后從事本專業(yè)的工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。從目前的實踐效果來看，這項教學(xué)改革對提高學(xué)生的工程實踐能力得到了顯著提高，經(jīng)歷過電子系統(tǒng)綜合實訓(xùn)的大量學(xué)生在全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、中國機(jī)器人大賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目中有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。