電子設(shè)計競賽水平提升思考

摘 要 作為旨在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐動手能力的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，正在成為高校工科專業(yè)推進教育教學(xué)工作、改革課程教學(xué)、推進課程思政的有力抓手以及大學(xué)生成長成才的有效途徑。文章探討了高校組織大學(xué)生參加電子設(shè)計競賽并獲得佳績的三個重要因素，認(rèn)為建立旨在培育大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐動手能力的培養(yǎng)體系是基礎(chǔ)，構(gòu)建合理有效的大學(xué)生科研組織體系和教賽融合是保障，強化賽事組織工作并在參賽中選擇最優(yōu)解決方案和團隊密切協(xié)作是關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 電子設(shè)計競賽；研創(chuàng)組織體系；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " "文獻標(biāo)識碼：A " "DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.6.018

Some Thoughts on Improving the Level of Electronic Design Competition

WU Zhichao， ZHANG Xiangli

（School of Mechanical and Electronic Information， China University of Geosciences （Wuhan）， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract As a national college students 'electronic design competition aimed at cultivating college students' innovative spirit and practical ability， it is becoming an effective way for engineering majors to promote education and teaching， reform curriculum teaching， promote curriculum ideological and political development， and an effective way for college students to grow up. This paper discusses the university organization of college students to participate in electronic design competition and the three important factors， think established to cultivate college students' innovative spirit and practical ability training system is the foundation， build reasonable and effective college students scientific research organization system and teaching fusion is guarantee， strengthen the event organization work and choose the optimal solution and team close collaboration is the key.

Keywords electronic design competition; research and innovation organization system; innovation ability

作為旨在培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐動手能力的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，越來越受到高校師生的廣泛關(guān)注和重視。以賽促教，以賽促學(xué)，以賽促改，正在成為許多高校推進教育教學(xué)工作和探索人才培養(yǎng)模式的重要舉措，正在成為許多高校改革課程教學(xué)、推進課程思政的有力抓手，以及大學(xué)生自立自強、自主探索、成長成才的有效途徑。

筆者作為指導(dǎo)教師指導(dǎo)大學(xué)生團隊參加了2023年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽，獲得湖北賽區(qū)“TI杯”，并在山東濟南國測當(dāng)中獲得國家一等獎，在另一項大賽集創(chuàng)賽中也斬獲國家二等獎。團隊內(nèi)的三名學(xué)生憑借優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績和出色的綜合能力分別保研至中國科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中南大學(xué)。2023年10月，在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）舉行的全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽湖北賽區(qū)“TI杯”頒獎大會上，筆者與來自湖北省內(nèi)58所高校的300余名師生進行了經(jīng)驗交流?；仡欉@次電子設(shè)計競賽，若把“TI杯”比作成功的果實，那么，其中的收獲離不開三個方面的重要因素：建立科學(xué)的培養(yǎng)體系是基礎(chǔ)，構(gòu)建完善的組織體系是保障，選擇最優(yōu)解決方案、團隊協(xié)作是關(guān)鍵。

1 "構(gòu)建科學(xué)合理的培養(yǎng)體系

第一，科學(xué)構(gòu)建本科人才培養(yǎng)方案。培養(yǎng)方案深入貫徹全國教育大會和新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神，依照“工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)”和“新工科六卓越一拔尖”要求，明確“專業(yè)培養(yǎng)與素質(zhì)教育相結(jié)合，知識傳授與能力培養(yǎng)相結(jié)合”的指導(dǎo)思想，將“價值塑造、知識傳授、能力培養(yǎng)”融為一體，培養(yǎng)“品德高尚、基礎(chǔ)厚實、專業(yè)精深、知行合一”的創(chuàng)新型應(yīng)用型工程人才。在課程體系設(shè)計上，大一大二夯實專業(yè)基礎(chǔ)，大三大四著重培養(yǎng)解決電子信息工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題的能力。同時，特別強調(diào)將學(xué)科前沿與實踐融入課程體系，將大三選修課分為三個方向，即嵌入式系統(tǒng)與通信信號處理、人工智能與機器人、光電子與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓學(xué)生根據(jù)自身的興趣特點，選擇最適合自己的發(fā)展方向，以培養(yǎng)其分析電子信息工程問題以獲得有效結(jié)論的能力。

第二，根據(jù)本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，整合實驗內(nèi)容，創(chuàng)建逐層遞進式實驗教學(xué)體系。包括實驗教學(xué)在內(nèi)的實踐教學(xué)的主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、運用所學(xué)的理論知識結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)解決實際問題的能力，訓(xùn)練實踐操作能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力[1]。我們將實驗教學(xué)體系劃分為四個逐步遞進的層次，分別對應(yīng)大一到大四四個培養(yǎng)階段。從最基本的工程能力和工程素質(zhì)，到對本專業(yè)動手能力的訓(xùn)練，接著是工程應(yīng)用能力的訓(xùn)練，最后是對接企業(yè)實際需求，對本專業(yè)領(lǐng)域的內(nèi)容進行綜合訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。通過以上逐層遞進式培養(yǎng)，為學(xué)生今后從事相關(guān)工作打下堅實的基礎(chǔ)。

第三，改革教育教學(xué)方式方法，實施創(chuàng)新能力融合培養(yǎng)。鼓勵和支持教師開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，針對不同課程采取有針對性的教學(xué)方法，在教學(xué)大綱和教案中巧妙融入課程思政元素[2]，基礎(chǔ)課著重科學(xué)精神、學(xué)術(shù)倫理道德培育，專業(yè)課著重深度提煉專業(yè)知識體系中蘊含的思想價值，提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的素質(zhì)與能力。同時，強化課程教學(xué)第一課堂（包括電路設(shè)計、嵌入式開發(fā)等實踐課程）與社會實踐（包括校企聯(lián)合舉辦的電信杯比賽）、學(xué)科競賽（包括工程機器人大賽、電子設(shè)計競賽、智能車大賽集創(chuàng)賽等）等第二課堂相結(jié)合，形成課上與課下、專業(yè)與實踐的協(xié)同效應(yīng)，實現(xiàn)跨學(xué)科交叉融合、教學(xué)與科研實踐融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育融合的“三融合”人才培養(yǎng)模式，不斷加強大學(xué)生創(chuàng)新思維和方法的訓(xùn)練、創(chuàng)新意識和實踐能力培育，切實增強大學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。

2 "建立有效的學(xué)生科研組織體系

一是注重學(xué)生梯隊培養(yǎng)，建立大學(xué)生研創(chuàng)組織。在大學(xué)生中有目的地培養(yǎng)一大批專業(yè)能力較強的學(xué)生骨干，發(fā)揮學(xué)生骨干的專業(yè)導(dǎo)向作用，逐漸形成傳幫帶的優(yōu)良傳統(tǒng)。定期開展新生零基礎(chǔ)實訓(xùn)、優(yōu)秀畢業(yè)生返校交流、專利與軟著輔導(dǎo)、賽前培訓(xùn)和經(jīng)驗分享。新生在這個過程中能夠迅速成長起來，站在前人臂膀上，少走許多彎路。與此同時，創(chuàng)設(shè)學(xué)生研創(chuàng)組織，有組織地開展研創(chuàng)活動[3]。比如2013年創(chuàng)立的電子信息工程研創(chuàng)會，2016年創(chuàng)辦的機器人創(chuàng)客協(xié)會，這些組織覆蓋電子信息、通信工程、自動化、機械工程等多個專業(yè)，服務(wù)學(xué)生均超過4千人。學(xué)校在實驗場地非常緊缺的情況下建立了開放實驗室，無條件地向參加各類科技和創(chuàng)新活動的學(xué)生開放。通過培養(yǎng)學(xué)生梯隊和創(chuàng)設(shè)研創(chuàng)組織，不僅營造了校園專業(yè)實踐和學(xué)術(shù)創(chuàng)新的氛圍，而且培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的學(xué)術(shù)好苗子，為參加各類競賽提供了優(yōu)質(zhì)的人員儲備。

二是加強指導(dǎo)教師隊伍建設(shè)，教賽融合?；A(chǔ)課程主講教師應(yīng)積極參與各項學(xué)科競賽的指導(dǎo)工作，融合實踐環(huán)節(jié)，突出創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性。最近幾年，機電學(xué)院電子信息系的學(xué)生在各項主流的學(xué)科競賽中收獲了豐碩的成果，而且最近三年成果的增長速度持續(xù)加快。專業(yè)基礎(chǔ)課教師應(yīng)積極指導(dǎo)學(xué)科競賽，一方面以教促賽，確保指導(dǎo)教師的業(yè)務(wù)能力過硬，指導(dǎo)有力，指導(dǎo)有方，另一方面以賽促教，把競賽元素融入課程教學(xué)，大大提高整個教學(xué)團隊的教學(xué)質(zhì)量。筆者所在的“電工與電子技術(shù)”教學(xué)團隊的同事們長期積極參加電子設(shè)計競賽的指導(dǎo)工作，教賽融合，循序漸進，把該門課程成功打造成了國家級一流本科課程，其成功經(jīng)驗受到湖北省主流媒體的專題報道。

三是明確教師班主任的科創(chuàng)職責(zé)，發(fā)揮班主任的考前指導(dǎo)功能。在班主任工作職責(zé)中明確要求：推動班級科技創(chuàng)新，營造良好科創(chuàng)氛圍，指導(dǎo)學(xué)生積極開展各類科技創(chuàng)新活動，指導(dǎo)幫助學(xué)生組建團隊參加各類科創(chuàng)競賽，教育引導(dǎo)學(xué)生恪守學(xué)術(shù)道德和規(guī)范。筆者在擔(dān)任班主任的過程中，與每位同學(xué)進行了一對一談話，經(jīng)常強調(diào)學(xué)科實踐的重要性，鼓勵學(xué)生學(xué)有所用，充分利用學(xué)院和學(xué)校的優(yōu)質(zhì)資源開展各類實踐活動。雖然同學(xué)們來自天南地北，基礎(chǔ)有差異，性格有差異，但是大家愿意相互合作，勇于挑戰(zhàn)突破自我，全員投身競賽的積極性高漲。除了電子競賽取得佳績之外，班級還在其他賽事中獲得優(yōu)異成績。

3 "強化賽事組織工作

一是為賽事活動提供有力支持和服務(wù)[4]。2023年的電賽組織和指導(dǎo)工作，由電子信息工程系兩位主任帶領(lǐng)，一位具有長期指導(dǎo)經(jīng)驗的老師具體安排各項事務(wù)。這是有史以來準(zhǔn)備得最充分、最細致的一屆電子設(shè)計競賽。以大二大三的學(xué)生為主，全院共有46支隊伍、138名學(xué)生報名參賽，占專業(yè)總?cè)藬?shù)的60%。在四天三夜里，實驗室燈火通明、熱火朝天，每位參與的學(xué)生都能感受到競賽的獨特魅力，緊張、充實，有壓力、有成長。參加指導(dǎo)的老師除了提供場地、器件資源、必要的技術(shù)指導(dǎo)外，還積極幫助學(xué)生解決后勤保障問題，讓學(xué)生可以全身心投入緊張的攻堅競賽活動中。據(jù)不完全統(tǒng)計，2023年年電賽前后總的經(jīng)費支出超過了20萬元。

二是針對選題選擇最佳方案。筆者指導(dǎo)團隊的選題是關(guān)于運動目標(biāo)追蹤，包括紅色光斑位置控制系統(tǒng)和綠色光斑指示追蹤系統(tǒng)。在電賽官網(wǎng)上有詳細的題目解析，像考點、涉及知識等，這里不過多展開，重點談方案選擇。

首先是芯片選型。團隊毫不猶豫地選擇TI MCU作為主控，因為相比于電賽常用的STM32等芯片，TI芯片有更加豐富的硬件資源，同時可用性也是最好的。雖然付出的成本相對高一點，但是換取可靠性和時間完全值當(dāng)。另外很重要的一點是團隊成員具有特別扎實的自主設(shè)計核心板與拓展底板PCB的能力。芯片用TI的，而開發(fā)板自己做，分立式設(shè)計可以快速迭代并更換燒壞器件。這是項目任務(wù)成功完成的前提。

其次是團隊的系統(tǒng)使用智能串口屏輸入指令，OLED屏用于調(diào)試，OpenMv用于識別矩形框以及激光源坐標(biāo)，根據(jù)得到的坐標(biāo)傳入單片機主控進行處理，以脈沖形式下發(fā)給控制板控制步進電機云臺運動，利用PID算法進行追蹤控制以及閉環(huán)控制完成任務(wù)，并使LED以及蜂鳴器完成聲光提示。在視覺方案選擇中，考慮到K210攝像頭分辨率較低，樹莓派開發(fā)又相對復(fù)雜，最終選用Open mv，它既滿足實際需求，又可直接調(diào)節(jié)攝像頭曝光時間、白平衡等參數(shù)，開發(fā)簡單。

關(guān)于云臺電機的選擇，考慮到舵機的步進角無法滿足該系統(tǒng)的精確度要求，最終選擇步進電機制作云臺，并使用FOC矢量控制技術(shù)彌補步進電機丟步的缺點，利用脈沖記錄間接獲取位置信息。在這個過程中也遇到一個非?，F(xiàn)實的問題，網(wǎng)上的貨源在比賽那幾天被一掃而空。于是團隊采用4D打印技術(shù)現(xiàn)場打印并利用已有的舵機云臺改裝。

最后是電源，采用外置分離式電源板，航模電池供電保證大電流輸出，DC降壓電路采用Mini560模塊，利用接插件連接，方便更換。

在整個過程中，筆者發(fā)現(xiàn)團隊三名成員經(jīng)過三年的訓(xùn)練，已經(jīng)具有相當(dāng)扎實的基本功，完全跳出了應(yīng)試思維、固化思維，而且具有良好的團隊合作意識。在電賽方案的選擇中沒有絕對的對與錯，只有最合適的，需要對成本、效率、便捷、安全、可靠等因素進行通盤考慮，做出取舍。在這方面，團隊成員充分體現(xiàn)出創(chuàng)新思維和全局思維。另外，這三名學(xué)生并不像有些隊伍那樣各有所長，A學(xué)生只擅長電路，B學(xué)生只負(fù)責(zé)算法，C學(xué)生只了解視覺，他們每個人的每項技能都學(xué)得很扎實，都可以做到獨當(dāng)一面。假如有人突發(fā)狀況，也不至于影響項目整體推進，這就大大降低了實施風(fēng)險，最終精誠合作順利完成設(shè)計方案并取得佳績也就水到渠成了。

4 "結(jié)語

以培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才為主要目標(biāo)的“新工科”建設(shè)正在高等教育戰(zhàn)線深入開展，電子設(shè)計競賽等大學(xué)生課外實踐活動必將成為電子信息類人才培養(yǎng)和成長的有效途徑而受到更加廣泛的關(guān)注。實踐證明，組織大學(xué)生積極參加電子設(shè)計競賽活動，能夠使大學(xué)生在競賽中得到真槍真刀的鍛煉，獲取真知和能力，培養(yǎng)造就一大批具有堅定追求、自主創(chuàng)新工匠精神的拔尖創(chuàng)新人才。但要提高競技水平和取得佳績，還需要建立健全長效機制[5]，充分調(diào)動各方面的積極性，學(xué)校、院系、指導(dǎo)教師和團隊成員各方面要持續(xù)不斷地協(xié)同努力，學(xué)校要結(jié)合競賽做好培養(yǎng)方案等頂層設(shè)計，為學(xué)生打下堅實的根基，院系層面要做好組織訓(xùn)練和服務(wù)保障，使學(xué)生輕裝上陣、沉著應(yīng)賽，指導(dǎo)教師要與學(xué)生打成一片、久久為功，參賽學(xué)生要大膽創(chuàng)新、團結(jié)協(xié)作。

參考文獻

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