剖析類型大作業(yè)在電工電子技術(shù)課程中的應(yīng)用研究與實(shí)踐

摘 要：針對(duì)電工電子技術(shù)課程工程能力培養(yǎng)方式和考核方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種新穎的對(duì)真實(shí)遙控四旋翼飛控板進(jìn)行剖析的大作業(yè)。另外，在大作業(yè)的設(shè)計(jì)中嘗試加入國產(chǎn)EDA設(shè)計(jì)軟件自主學(xué)習(xí)內(nèi)容及思政教育內(nèi)容。通過教學(xué)實(shí)踐，證明這種剖析類型大作業(yè)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，可以作為課程總評(píng)成績(jī)的有效組成部分，值得在電工電子類基礎(chǔ)課程中推廣。

關(guān)鍵詞：電工電子技術(shù)；大作業(yè)；自主學(xué)習(xí)；飛控；思政教育

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2024）21-0104-04

Abstract： A novel project has been designed and implemented to analyze a real remote-controlled quadcopter flight control board， aiming at cultivating engineering abilities and assessing methods in the field of Electrical and Electronic Technology courses. Additionally， domestic EDA design software self-learning content ， ideological and politicaleducation content have been incorporated into the project's design. Through teaching practice， it proves that this type of analytical project stimulates students' interest in learning， promotes their autonomous learning， and can be an effective component of overall course assessment scores. Therefore， it is worth promoting in basic electrical and electronic courses.

keywords： Electrical and Electronic Technology; term project; self-learning; flight controller; ideological and political education

電工電子技術(shù)是一門面向非電類專業(yè)本科學(xué)生開設(shè)的必修工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。本校選課學(xué)生分別來自航空科學(xué)與工程學(xué)院、機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院、交通科學(xué)與工程學(xué)院，以及自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院機(jī)器人專業(yè)。課程教學(xué)內(nèi)容涵蓋了電路分析基礎(chǔ)、電機(jī)與電氣控制、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，是一門理論性強(qiáng)、與實(shí)踐應(yīng)用較為緊密的課程，在學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)中起到基礎(chǔ)性和導(dǎo)向性作用[1]。課程核心目標(biāo)是使學(xué)生獲得電工電子技術(shù)方面必要的基本理論、基本知識(shí)和基本技能。

課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式還是以課堂教學(xué)為主，按知識(shí)點(diǎn)章節(jié)順序講授，以學(xué)生理解、掌握、應(yīng)用基本概念和基礎(chǔ)理論為目標(biāo)。課后的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)主要是完成傳統(tǒng)的作業(yè)題，考核方式以期中、期末筆試為主。特別是傳統(tǒng)的作業(yè)形式還是主要集中在課程知識(shí)點(diǎn)基本概念、基本公式的記憶強(qiáng)化，利用教材課后習(xí)題將課堂講授的概念、公式、模型等內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的梳理、運(yùn)算[2]。這種傳統(tǒng)的作業(yè)存在形式單一，難于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[2]，而且缺乏學(xué)生課后主動(dòng)學(xué)習(xí)的過程元素。

相對(duì)于常規(guī)課后作業(yè)，大作業(yè)突出的特點(diǎn)是題目具有綜合性，即題目貫穿課程的多個(gè)知識(shí)點(diǎn)[3]；另外，完成大作業(yè)所需時(shí)間長(zhǎng)[3]。大作業(yè)可以較好地訓(xùn)練和考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)點(diǎn)的能力，因此，諸多教師在專業(yè)課程教學(xué)中增設(shè)了大作業(yè)環(huán)節(jié)，作為課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。例如，清華大學(xué)鐘夏臨等[4]在化學(xué)反應(yīng)工程課程中設(shè)計(jì)了基于模塊知識(shí)融合的課程大作業(yè)；上海交通大學(xué)蔣鈴鴿等[5]在通信原理課程中利用大作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用仿真軟件的能力；東北石油大學(xué)鐘會(huì)影等[2]在試井分析課程中開展了大作業(yè)的教學(xué)實(shí)踐；中國地質(zhì)大學(xué)李占玲等[3]在水資源開發(fā)利用與保護(hù)課程中進(jìn)行了大作業(yè)的教學(xué)探索。

雖然很多教師在諸多理論課程中探索了采用大作業(yè)的方式進(jìn)行課后教學(xué)活動(dòng)及作為考核的元素，而且取得了一定的成果和成效。但是，從大作業(yè)的題目設(shè)置目標(biāo)來看，多以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)類的題目為主，目標(biāo)仍然還是專注于課堂知識(shí)點(diǎn)的掌握和綜合應(yīng)用；很少采用大作業(yè)作為激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的手段。幾乎沒有教師把培養(yǎng)和考查學(xué)生課程相關(guān)的工程應(yīng)用技能和工程基本素質(zhì)作為大作業(yè)的目標(biāo)。特別是電工電子技術(shù)課程有其自身的特點(diǎn)，照搬其他課程的大作業(yè)的方法或方案，或僅僅以綜合多知識(shí)點(diǎn)的計(jì)算題作為大作業(yè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

因此，針對(duì)上述問題，結(jié)合電工電子技術(shù)課程的屬性、教學(xué)目標(biāo)及非電專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，研究、探索能夠激勵(lì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，更適合學(xué)生能力培養(yǎng)的大作業(yè)題目和教學(xué)實(shí)踐是急需解決的關(guān)鍵問題。在學(xué)校重點(diǎn)教改項(xiàng)目和教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目的支持下，開展了針對(duì)電工電子技術(shù)課程的剖析類型大作業(yè)的研究和教學(xué)實(shí)踐工作。

一 大作業(yè)的定位與目標(biāo)

找準(zhǔn)定位，把握好目標(biāo)是設(shè)計(jì)大作業(yè)題目的關(guān)鍵。電工電子技術(shù)從教學(xué)內(nèi)容來看，電路分析部分是基礎(chǔ)，電子技術(shù)是重點(diǎn)。課程的目標(biāo)是培養(yǎng)非電專業(yè)學(xué)生具備使用和應(yīng)用電子儀器設(shè)備、模塊化電子電路的基本能力。即課程應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)σ延械摹⒊墒斓?、模塊化的電子電路進(jìn)行分析，理解工其作原理，掌握其對(duì)外的接口電氣特性，并能夠應(yīng)用已有的技術(shù)方案解決相關(guān)工程問題。另外，授課學(xué)生均來自非電專業(yè)，因此，通過設(shè)計(jì)電子電路解決工程問題類型的題目不太適合作為本課程的大作業(yè)。綜合分析、考慮這些因素，電工電子技術(shù)課程大作業(yè)需要達(dá)到的目標(biāo)包括以下幾點(diǎn)。

（一） 培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生分析真實(shí)電子電路的能力

電子技術(shù)不是紙上談兵，學(xué)生應(yīng)該能夠識(shí)別電子元器件、集成芯片，具備對(duì)真實(shí)的電子電路進(jìn)行分析的能力，理解電路的工作原理，并做出定性分析和判斷，這是學(xué)生應(yīng)該掌握的一項(xiàng)基本技能。

（二） 培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的查找、閱讀器件和芯片手冊(cè)能力

理論課程的講授僅僅涉及典型、經(jīng)典的電子器件和集成電路芯片。而伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電路的集成度不斷提高，新器件和集成芯片不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用。這就要求學(xué)生會(huì)搜索器件和芯片手冊(cè)，并且要讀懂手冊(cè)，理解工作原理和典型參數(shù)的物理意義及數(shù)值范圍。

（三） 培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的畫圖能力

學(xué)生應(yīng)掌握運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的電工、電子電路圖形符號(hào)，通過常用EDA軟件繪制簡(jiǎn)單的電子電路原理圖，表達(dá)設(shè)計(jì)意圖的能力。

（四） 電子技術(shù)知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用

實(shí)際的電子電路往往是模擬和數(shù)字混合的綜合性電路，這就要求學(xué)生應(yīng)該具備綜合應(yīng)用基本理論和基本方法分析、理解實(shí)際電子電路工作原理的能力。

二 大作業(yè)題目總體構(gòu)思

由于課程面向非電專業(yè)學(xué)生開設(shè)，而且選課學(xué)生多，又是技術(shù)基礎(chǔ)課，因此，不宜采用設(shè)計(jì)電子電路類型的大作業(yè)。課程開設(shè)在大二學(xué)年，而且學(xué)時(shí)多（72學(xué)時(shí)），所以，也要適當(dāng)控制學(xué)生完成大作業(yè)的總體時(shí)間投入。

大作業(yè)的題目采用對(duì)真實(shí)電子產(chǎn)品進(jìn)行拆解，剖析電路的具體構(gòu)成，分析其組成原理，撰寫紙質(zhì)報(bào)告的具體形式。剖析類型的題目是對(duì)已有電子電路功能和原理的解析，了解其使用的器件、芯片的基本特性，通過觀察真實(shí)電子元器件的連接關(guān)系逆向給出原理圖，并進(jìn)一步回答題目中設(shè)計(jì)的問題，進(jìn)而形成對(duì)電子電路功能的深刻認(rèn)識(shí)。

大作業(yè)剖析類型題目可以引導(dǎo)學(xué)生在完成剖析類型的大作業(yè)過程中動(dòng)手做，即拆解電子產(chǎn)品，彌補(bǔ)課堂教學(xué)的不足。同時(shí)，題目還能夠培養(yǎng)學(xué)生利用好網(wǎng)絡(luò)資源，查閱電子元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，并且結(jié)合課程理論知識(shí)初步自主看懂?dāng)?shù)據(jù)手冊(cè)。另外，剖析類型大作業(yè)還能督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)EDA軟件繪制原理圖。

被剖析的電子產(chǎn)品至關(guān)重要，其應(yīng)該對(duì)于課程知識(shí)點(diǎn)具有較好的綜合性。另外，其應(yīng)該來源于日常生活中的實(shí)際電子產(chǎn)品，既能看得見也能摸得著，能夠激發(fā)學(xué)生的探究愿望和自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。綜合以上考慮因素，在電工電子技術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中，選取微小型遙控四旋翼[6-7]的飛控板作為被剖析的電子產(chǎn)品，取得了較好的教學(xué)效果。

飛控板是一個(gè)典型的MCU最小系統(tǒng)，具有很好的綜合性知識(shí)點(diǎn)，既含有模擬電子技術(shù)的典型電路，又包含數(shù)字電子技術(shù)的典型電路。例如，其含有典型的屬于自激振蕩教學(xué)內(nèi)容的皮爾斯振蕩電路，供電電源部分屬于典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路屬于典型的MOS管應(yīng)用電路，I2C接口電路屬于典型的數(shù)字電路中OC門的應(yīng)用電路，等等。

更為新穎的是，在剖析類的題目中還首次引入了諸多思政教育元素。例如，飛控板的核心MCU選用的是國產(chǎn)化的GD32F103[8]，電路EDA設(shè)計(jì)軟件選用的是國產(chǎn)化的立創(chuàng)EDA軟件[9]。學(xué)生在完成大作業(yè)過程中可以親身感受和親身體驗(yàn)我國半導(dǎo)體技術(shù)和EDA軟件的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，增強(qiáng)民族自豪感和愛國情懷，達(dá)到了思政教育潤物細(xì)無聲的效果。

三 大作業(yè)題目設(shè)計(jì)

（一） 飛控板剖析大作業(yè)題目

飛控板遙控四旋翼的控制中心，其以國產(chǎn)32位GD32F103作為主控MCU。MCU可以通過微型陀螺儀和加速度計(jì)獲取姿態(tài)信息，在控制算法控制下實(shí)現(xiàn)操作者給定的飛行動(dòng)作。隨大作業(yè)下發(fā)給學(xué)生一個(gè)飛控板（圖1），附帶下發(fā)飛控板PCB文件。

大家通過對(duì)飛控板的剖析和學(xué)習(xí)，請(qǐng)回答以下幾個(gè)問題。

問題1：根據(jù)飛控板PCB圖，畫出原理圖。由于PCB文件格式為.pcbdoc（AD軟件格式），推薦采用免費(fèi)正版在線國產(chǎn)立創(chuàng)EDA軟件（https：//pro.lceda.cn/）打開PCB文件查看芯片和元器件之間的連接關(guān)系，并繪制原理圖（10分）。

問題2：請(qǐng)登錄GD32官網(wǎng)（https：//www.gd32mcu.com/）自行查閱飛控板所用MCU型號(hào)的相關(guān)資料（器件手冊(cè)、說明書、應(yīng)用筆記等），學(xué)習(xí)飛控板MCU的GPIO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，并具體說明：①GPIO口有幾種工作模式（2分）。②簡(jiǎn)要說明每種工作模式的工作原理（6分）。

問題3：請(qǐng)結(jié)合實(shí)際電路完成以下問題。①請(qǐng)具體說明MCU外配晶振電路的工作原理（3分）。②飛控板MCU與3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器（MPU6050）互連通信時(shí)采用了I2C總線，請(qǐng)具體說明I2C總線為什么要外配上拉電阻（3分）。③請(qǐng)結(jié)合原理圖具體說明飛控板電源部分電路的工作原理（3分）。④請(qǐng)結(jié)合原理圖具體說明四個(gè)空心杯電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法（3分）。

（二） 大作業(yè)題目解讀

飛控板總體架構(gòu)如圖2所示，其是以GD32F103為核心的典型MCU最小系統(tǒng)，外配了晶振模塊、電源模塊，采用PWM控制方式通過MOS管驅(qū)動(dòng)四個(gè)空心杯電機(jī)，通過I2C總線外擴(kuò)了陀螺儀加速計(jì)芯片，通過I2C總線外擴(kuò)了無線通信芯片等。飛控板是一個(gè)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)混合系統(tǒng)，非常適合用于訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用電工電子技術(shù)知識(shí)的能力。

飛控板PCB為6層板，4個(gè)信號(hào)層，1個(gè)電源層和1個(gè)地層，是復(fù)雜電子產(chǎn)品常用的一種板層結(jié)構(gòu)。學(xué)生可以通過國產(chǎn)的EDA設(shè)計(jì)軟件打開PCB文件，通過軟件操作PCB中各個(gè)元器件和芯片之間的電氣連接關(guān)系。

另外，在大作業(yè)命題過程中，把大作業(yè)題目進(jìn)行了細(xì)化，分為三個(gè)問題。問題2中又包含2個(gè)子問題；問題3中包含了4個(gè)子問題。這些問題和子問題的設(shè)計(jì)及次序安排經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，具有良好的引導(dǎo)性。學(xué)生按題目問題和子問題順序依次剖析解答，就可以順利完成對(duì)飛控板的剖析任務(wù)。隨作業(yè)下發(fā)的飛控板PCB圖文件還可以督促學(xué)生自主學(xué)習(xí)PCB基本知識(shí)和國產(chǎn)化EDA軟件的操作及使用，也達(dá)到了課程思政教育的目的。

（三） 大作業(yè)考查的能力元素

設(shè)計(jì)的剖析類型的大作業(yè)培養(yǎng)和考查的課程能力元素總結(jié)見表1。

四 大作業(yè)過程控制與指導(dǎo)

（一） 保證充足的完成時(shí)間

大作業(yè)在教學(xué)校歷的第八周（一共十六周）就將任務(wù)下發(fā)給學(xué)生，隨作業(yè)一起下發(fā)的還有被剖析的電子產(chǎn)品實(shí)物，以及必要的設(shè)計(jì)資料，例如飛控板的PCB設(shè)計(jì)圖。大作業(yè)上交時(shí)間為考試周結(jié)束的最后一天，這些安排均意在保證學(xué)生有充足的時(shí)間完成大作業(yè)。

（二） 幫與放并舉

大作業(yè)布置后不能放而不幫，否則會(huì)致使學(xué)生遇到問題后因?yàn)閷で蟛坏街笇?dǎo)而逐漸信心下降，自主學(xué)習(xí)、探索的動(dòng)力也隨之降低，也就無法達(dá)成大作業(yè)的目的。因此，為了協(xié)助學(xué)生進(jìn)行剖析，授課教師準(zhǔn)備了電烙鐵、萬用表、放大鏡等工具，供學(xué)生隨時(shí)借用。另外，授課教師開通了大作業(yè)微信群，方便學(xué)生在大作業(yè)過程中有問題可以隨時(shí)和教師取得聯(lián)系，進(jìn)行討論和交流。對(duì)個(gè)別有困難的學(xué)生進(jìn)行了單獨(dú)指導(dǎo)。

但是，大作業(yè)的主旨還是培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。因此，也不能對(duì)所有學(xué)生提出的問題有求必應(yīng)。類似如何查找芯片手冊(cè)，如何利用EDA軟件觀察PCB圖中器件的連接關(guān)系等問題就應(yīng)該放而不管，鼓勵(lì)、激勵(lì)學(xué)生自主解決問題。

（三） 理論課與大作業(yè)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制

在授課過程中，當(dāng)講解到和大作業(yè)相關(guān)的知識(shí)時(shí)，均進(jìn)行提示性的講解。例如，在講授數(shù)字電子技術(shù)門電路內(nèi)容時(shí)，OC門的原理是一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，此內(nèi)容與I2C的原理密切相關(guān)。因此，在講授中以實(shí)例提示性的方式提醒學(xué)生是否在大作業(yè)中出現(xiàn)了OC門的應(yīng)用電路。此種方式也實(shí)現(xiàn)了理論課與大作業(yè)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制。

五 教學(xué)實(shí)踐與成效分析

2023年秋季學(xué)期，自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院機(jī)器人專業(yè)的29位學(xué)生參加了課程學(xué)習(xí)。校歷第八周，給學(xué)生布置了大作業(yè)題目，下發(fā)了飛控板實(shí)物和PCB設(shè)計(jì)圖資料?？荚囍芙Y(jié)束的最后一天為大作業(yè)上交的截止時(shí)間，總計(jì)留給學(xué)生完成大作業(yè)的時(shí)間為10周。大作業(yè)總分30分，并直接計(jì)入期末總評(píng)成績(jī)。大作業(yè)分項(xiàng)成績(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

同時(shí)，分別做出問題1和問題3得分與大作業(yè)總成績(jī)的關(guān)系曲線（如圖3和圖4所示），以及大作業(yè)總分與期末總評(píng)成績(jī)的關(guān)系曲線（如圖5所示），并計(jì)算出相關(guān)系數(shù)R2，用以研究各個(gè)題目對(duì)大作業(yè)總分?jǐn)?shù)的影響，以及大作業(yè)總分?jǐn)?shù)對(duì)期末總評(píng)成績(jī)的影響[10]。

從上述表2以及圖3至圖5可以看出這種剖析類型的大作業(yè)具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)。

①問題1意在考查學(xué)生的對(duì)電子電路的識(shí)別能力、繪圖能力。學(xué)生在給定飛控板實(shí)物和PCB設(shè)計(jì)圖的輔助下均能較好地完成此項(xiàng)題目任務(wù)，平均分?jǐn)?shù)高。②由于個(gè)別學(xué)生在問題1的得分較低，造成了問題1得分的標(biāo)準(zhǔn)差最大，分?jǐn)?shù)離散型性大。問題1在大作業(yè)總分中的權(quán)重大，所以，和大作業(yè)總分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。③問題2平均分和標(biāo)準(zhǔn)差最小，并且和大作業(yè)總分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，說明學(xué)生均具有較好的查閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)、閱讀理解資料的能力。④問題3中的4個(gè)子問題單項(xiàng)分值并不高，但是都在考查學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用能力，自主拓展學(xué)習(xí)的能力，問題3的分?jǐn)?shù)和大作業(yè)總分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，說明題目設(shè)計(jì)具有較好的甄別學(xué)生能力的效果。⑤剖析類型的大作業(yè)在總成績(jī)中占比30%，其與總評(píng)成績(jī)分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。這個(gè)相關(guān)性比較合適，既以新的方式考查了學(xué)生的能力，又沒有過度加重學(xué)生的負(fù)擔(dān)。

六 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)電工電子技術(shù)課程中工程能力培養(yǎng)與考核的目標(biāo)，設(shè)計(jì)并且實(shí)踐了遙控四旋翼飛控板進(jìn)行剖析的大作業(yè)。這種剖析類型的大作業(yè)適合課程的定位，既具有課程知識(shí)點(diǎn)的綜合性，又涵蓋了多種能力的培養(yǎng)和考查，可以41708c0df4e758caa5cad1ec9ca2b083f029f2614d237cc9ad26adf2fb88a272較好地滿足對(duì)非電專業(yè)學(xué)生的能力培養(yǎng)的迫切需求。而且，剖析類型的大作業(yè)題目具有一定的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，符合“兩性一度”的基本要求。

另外，通過教學(xué)實(shí)踐也有力證明了剖析類型的大作業(yè)題目的合理性和有效性，可以作為課程多維度考核的重要組成部分，并在電工電子類相關(guān)課程中進(jìn)行普及和推廣。

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