以學(xué)生為中心的電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究

摘要：電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)基于電路、模電、數(shù)電知識(shí)體系，以學(xué)生為中心的電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)突出創(chuàng)新性、高階性、挑戰(zhàn)度;微弱信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將理論與實(shí)踐相結(jié)合、引導(dǎo)學(xué)生自主分析電路、創(chuàng)新思維方式、提升綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn);以學(xué)生為中心;電路設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式主要采用課堂講授以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，在進(jìn)行電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)，對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)應(yīng)用層次較淺，主要出現(xiàn)的問題：一是學(xué)習(xí)知識(shí)只是各個(gè)固定模塊，對(duì)于整體知識(shí)體系的關(guān)聯(lián)性不是特別清晰，理論積淀不深、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)結(jié)合理論應(yīng)用不夠到位;二是學(xué)生學(xué)習(xí)的知識(shí)深度較淺，創(chuàng)新意識(shí)不強(qiáng)，在解決實(shí)際工程技術(shù)問題時(shí)比較乏力;三是教師教學(xué)設(shè)計(jì)偏重教師講授，學(xué)生驗(yàn)證，沒有兼具高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，未區(qū)分學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)以及接受度。以學(xué)生為中心的電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)意義的“教師講授”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生學(xué)習(xí)”為中心[1]，著重突出學(xué)生對(duì)于知識(shí)體系的創(chuàng)新運(yùn)用能力，教師優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同學(xué)生的基礎(chǔ)以及接受度因材施教，學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識(shí)與自身方向領(lǐng)域工程技術(shù)相結(jié)合，解決實(shí)際問題。本文電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)采用微弱信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，微弱信號(hào)提取電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將電子技術(shù)理論課程融合貫穿連接，學(xué)生對(duì)于基本知識(shí)運(yùn)用的電路的分析設(shè)計(jì)，對(duì)于高階知識(shí)的創(chuàng)新應(yīng)用，兼具一定挑戰(zhàn)度，學(xué)生主體的實(shí)驗(yàn)課程意義凸顯。

一、設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)

1.案例設(shè)計(jì)內(nèi)容。理論課程學(xué)習(xí)知識(shí)的積累，設(shè)計(jì)完整的實(shí)驗(yàn)電路系統(tǒng)，方案整體設(shè)計(jì)、模塊電路設(shè)計(jì)與論證分析、各模塊調(diào)試分析，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)[2][3]。主要包括：①學(xué)習(xí)人體微弱信號(hào)（光電容積脈搏波信號(hào)）提取基本理論知識(shí)、知悉信號(hào)提取的基本思路。②提取信號(hào)需要設(shè)計(jì)好接口電路，將光電傳感器檢測(cè)到的信號(hào)可以傳遞給接口電路。③選擇合適的主控芯片、采用主控芯片對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行處理。④電路系統(tǒng)需要供電裝置，電源模塊供電需要滿足不同芯片的供電電壓。⑤微弱信號(hào)提取之后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，采樣頻率若為125Hz，需要設(shè)計(jì)足夠的存儲(chǔ)空間。

2.案例設(shè)計(jì)任務(wù)。結(jié)合教師引導(dǎo)，光電檢測(cè)器檢測(cè)人體微弱信號(hào)（光電容積脈搏波信號(hào)等），對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取分析，需綜合設(shè)計(jì)以下模塊：①信號(hào)采集電路模塊;②系統(tǒng)控制模塊;③系統(tǒng)供電模塊;④信號(hào)存儲(chǔ)模塊;高階要求可設(shè)計(jì)：⑤LCD信號(hào)顯示模塊[4][5]。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)

本實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)設(shè)計(jì)微弱信號(hào)提取電路，學(xué)生根據(jù)需要設(shè)計(jì)的要求及特點(diǎn)，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)分析設(shè)計(jì)電路，突出兩性一度包含基本要求、進(jìn)階要求和發(fā)揮要求。

1.基本要求。①信號(hào)采集電路能夠提取光電檢測(cè)器的信號(hào)。②采樣頻率為125Hz，需有存儲(chǔ)電路并保證有足夠空間存放數(shù)據(jù)。③主控芯片電路可選擇STM32，控制電路運(yùn)行。④系統(tǒng)供電模塊，需要對(duì)不同芯片供電，包含3.3V與5V。

2.進(jìn)階要求。①將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)到SD卡中，取出SD卡在電腦端讀取數(shù)據(jù)并用MATLAB顯示波形。②測(cè)量數(shù)據(jù)采用不同的采樣頻率，觀察波形顯示的區(qū)別。③系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì)一個(gè)充電模塊，保證在未接通電源時(shí)有電壓供給。

3.發(fā)揮要求。①設(shè)計(jì)一個(gè)LCD信號(hào)顯示模塊，可供實(shí)時(shí)顯示微弱信號(hào)。②換用不同的主控芯片，ARM或者其他芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并畫出電路PCB圖。

三、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求

基本實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求：①學(xué)習(xí)微弱信號(hào)提取方法、學(xué)會(huì)查找和閱讀所用芯片數(shù)據(jù)手冊(cè);②設(shè)計(jì)信號(hào)采集電路模塊，建議采用主流3接口，適配光電脈搏傳感器;③完成主控芯片選型及主控芯片最小系統(tǒng)搭建，能夠穩(wěn)定整個(gè)電路系統(tǒng);④查找主控芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，區(qū)分IIC、SPI、串口以及普通I/O口，進(jìn)行原理圖布線設(shè)置;⑤采樣頻率為125Hz，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)電路需要兼顧到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡大小和數(shù)據(jù)量大小;⑥系統(tǒng)供電模塊設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)包含3.3V和5V，建議使用CE8301芯片進(jìn)行變壓;⑦對(duì)各個(gè)模塊繪制原理圖，用Multisim軟件進(jìn)行仿真，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試，最后聯(lián)調(diào)直至成功。進(jìn)階實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求：①信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之后，取出時(shí)用MALTAB進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，注意簡(jiǎn)單程序編寫;②系統(tǒng)供電模塊加入充電模塊，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性，可嘗試TP4056充電芯片;

發(fā)揮實(shí)驗(yàn)過(guò)程及要求：設(shè)計(jì)LCD數(shù)據(jù)顯示電路，注意LCD顯示屏的驅(qū)動(dòng)以及顯示程序;選擇其他主控芯片應(yīng)考慮處理速度，畫出電路原理圖對(duì)應(yīng)的PCB圖。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

1.教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)兼顧不同知識(shí)基礎(chǔ)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，主要包括：課前準(zhǔn)備：通過(guò)學(xué)習(xí)群組發(fā)布課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)習(xí)微弱信號(hào)提取相關(guān)知識(shí)，并發(fā)布習(xí)題作業(yè)，根據(jù)學(xué)生答題情況適時(shí)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，原理方法、教學(xué)思路等。

課堂實(shí)施

（1）創(chuàng)設(shè)情境，引出任務(wù)。通過(guò)某醫(yī)院需要一批脈搏或者心電提取裝置，創(chuàng)設(shè)情境，該裝置需要如何設(shè)計(jì)，用到了哪些電路、模電、數(shù)電知識(shí)？

（2）反饋信息，知識(shí)講解。根據(jù)學(xué)生反饋的信息，對(duì)電路設(shè)計(jì)主要事項(xiàng)進(jìn)行講解，并對(duì)電路用到的知識(shí)進(jìn)行講解。

（3）講述原理、動(dòng)手設(shè)計(jì)。對(duì)所需電路進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)，主要包含信號(hào)采集、系統(tǒng)控制及供電、存儲(chǔ)以及LCD數(shù)據(jù)顯示模塊，簡(jiǎn)要介紹原理及方案，學(xué)員開始動(dòng)手設(shè)計(jì)。

（4）分組協(xié)作，完成任務(wù)。對(duì)班級(jí)學(xué)生進(jìn)行分組，每組8人，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真并調(diào)試電路，最后進(jìn)行聯(lián)調(diào)并繪制電路原理圖。各組之間充分討論形成答案，選派一名代表對(duì)本組成果進(jìn)行展示。

（5）小組展示，組間點(diǎn)評(píng)。教師組織各個(gè)小組對(duì)所設(shè)計(jì)電路原理圖進(jìn)行展示分享，各組之間發(fā)表意見。

（6）進(jìn)階提升、教師總結(jié)。對(duì)本次實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)階提升以及發(fā)揮需求的學(xué)生進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，教師對(duì)本次實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以華為事件激勵(lì)學(xué)生努力進(jìn)取，探索研究，培養(yǎng)愛國(guó)主義情懷。

課后拓展

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的電路裝置進(jìn)行與實(shí)踐結(jié)合應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款從人體光電容積脈搏信號(hào)提取呼吸波的裝置，創(chuàng)新思維方式，提升解決實(shí)際問題的能力。

2.報(bào)告要求。實(shí)驗(yàn)報(bào)告包含以下要素：①實(shí)驗(yàn)需求分析;②實(shí)驗(yàn)整體設(shè)計(jì);③實(shí)驗(yàn)各模塊論證分析;④主控芯片選型，最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路原理圖;⑤各模塊電路設(shè)計(jì)原理圖及設(shè)計(jì)思想;⑥整體電路設(shè)計(jì)，電路圖、仿真軟件測(cè)試結(jié)果及調(diào)試過(guò)程;⑦信號(hào)數(shù)據(jù)處理結(jié)果及波形展示;⑧實(shí)驗(yàn)總結(jié)及心得體會(huì)

3.考核評(píng)價(jià)。電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)將課程實(shí)驗(yàn)成績(jī)與報(bào)告成績(jī)相結(jié)合，主要包含：①課前預(yù)習(xí)及習(xí)題反饋（10%）;②各模塊設(shè)計(jì)及論證分析（40%）;③系統(tǒng)整體測(cè)試及教師驗(yàn)收答辯（20%）;④進(jìn)階要求及發(fā)揮要求完全實(shí)現(xiàn)（10%）;⑤實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫（20%）。考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的全面化有利于全面量化學(xué)員的學(xué)習(xí)狀態(tài)，對(duì)所學(xué)知識(shí)運(yùn)用創(chuàng)新能力。

五、總結(jié)與展望

學(xué)生通過(guò)電子應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)對(duì)各模塊進(jìn)行論證分析，提升電路設(shè)計(jì)能力;動(dòng)手調(diào)試電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)，提升學(xué)以致用能力;實(shí)驗(yàn)加入進(jìn)階要求和發(fā)揮要求，因材施教，適應(yīng)不同學(xué)習(xí)層次的學(xué)生，充分發(fā)揮以學(xué)生為中心，教師為主導(dǎo)的理念。實(shí)驗(yàn)后續(xù)可加入對(duì)微弱信號(hào)分解與提取，比如人體的光電容積脈搏波信號(hào)，分析處理之后提取呼吸波信號(hào)用于重癥ICU監(jiān)護(hù)、門診檢測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)與正常人體生理參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，達(dá)到健康預(yù)警的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?jiān)略?，王君明，陳榮幸，等.以學(xué)生為中心教育理念在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2020，18（9）：3.

[2]王彩紅，焦素敏.基于OBE理念的電路與電子技術(shù)課程建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇，2020（35）：2.

[3]邱燕，王明哲，趙方舟.基于成果導(dǎo)向理念的應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)的改革與實(shí)踐[J].高教學(xué)刊，2019（7）：4.

[4]陳真誠(chéng)，牛春望，朱健銘，等.一種利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解算法的光電容積脈搏波信號(hào)中提取呼吸波的方法研究[J].生物醫(yī)學(xué)工程研究，2019，38（2）：6.

[5]牛春望.基于光電容積脈搏波的呼吸波提取研究[D].桂林電子科技大學(xué).

作者簡(jiǎn)介：牛春望，陸軍特種作戰(zhàn)學(xué)院助教。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0