《綜合電子創新實踐》教學改革探討與實踐

陳春 路明 黃捷

摘 要：為進一步培養學生的創新能力、實踐動手能力和團隊協作能力，通過《綜合電子創新實踐》課程的教學實施情況，對課程教學的內容、教學的形式以及考核方法和評價體系等幾個方面的改革進行了探討，通過近年來的教學探索和改革實踐效果來看，以學生為主體的實踐教學體系，對調動學生的主觀能動性，提高學生對課程的實踐興趣，以及增強創新能力和實踐能力都起到了積極的作用。

關鍵詞：實踐教學；教學改革；創新實踐

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）24-0025-04

Abstract： In order to cultivate students' innovation ability， practical ability and team collaboration capabilities， through analyzing the implementation of the "innovation" of integrated electronic teaching， the reform of teaching content， teaching form and evaluation methods and evaluation system is discussed. Through the teaching exploration and reform practice in recent years， the student centered practice teaching system has played a positive role in mobilizing students' subjective initiative， improving students' interest in curriculum practice， and enhancing their innovative and practical abilities.

Keywords： practice teaching； teaching reform； innovation practice

引言

《綜合電子創新實踐》課程是三江學院電氣類專業為了進一步培養本專業學生對專業基礎課程的綜合應用能力和創新實踐能力，而特別開設的一門綜合實踐類必修課程，其不僅對學生在基礎課程綜合應用能力方面有要求較強，還要求學生有較強的綜合創新動手能力。針對學生的學習情況和課程的教學內容要求以及培養目標的要求，近年來在課程的教學資源、教學方法、教學手段等多方面進行了改革和嘗試。

一、課程的定位

《綜合電子創新實踐》課程主要安排在大三下學期學期末的集中實踐階段，是在學生完成電子技術基礎理論課程和相應的專業基礎課以及部分專業課后安排的一門以微處理器應用為基礎的綜合性實踐課程，它是并不針對哪一門具體課程而設置的實踐環節，要求學生在一定的范圍內自選實踐課題，運用學過的知識，完成從課題選擇和論證、方案選擇與制訂、電路設計、電路調試、軟件編制測試、成果測試的整個過程，從而對解電子系統設計的整個過程有一個較為全面的認識和了解。既區別于針對某一門具體課程的課程設計集中實踐環節，也不同于針對理論課開設的配套驗證性實驗課程，傳統意義上課程實驗和課程設計主要是為配合理論教學，而畢業設計其課題內容大多是由指導教師的科研課題要求來決定的，并不是從學生在校所學知識內容結構的角度來決定的，這些實踐環節在學生的主動性和創新性的發揮都受到限制，因此，從與實驗課和課程設計以及畢業設計的區別上，來考慮綜合電子設計實踐課程的功能和作用定位，并制訂相應的教學內容和教學形式，是使本課程取得較好教學效果的關鍵之一。

二、梳理教學檔案，分析課程存在的問題和改進方向

重新審視課程的目標和任務要求，梳理現有軟硬件教學資源，以綜合性創新應用實踐教學為主導，根據學生的具體情況因材施教的設計課程。

（一）課程概況

由于我校教師結構的特殊性，該課程最初由來自東南大學的兼職教師進行負責授課，最初的教學內容和教學形式也都沿襲了東南大學的綜合電子創新課程群的部分內容和形式，經過最初幾輪的教學實踐發現，這種基于專業基礎課程的綜合性實踐課程在一定程度上給學生的創新能力和專業知識綜合應用能力帶來的提升，但“教”和“學”之間在教師對學生學習基本學習狀況的認知、教師對授課內容的難易程度的把控、學生自身知識水平以及對待課程的態度等多方面存在的問題，使得課程實施的實際效果并沒有很好的達到預期。

（二）硬件實踐平臺上手難度大

《綜合電子創新實踐》課程采用東南大學自研的ESD-5綜合性實驗箱為實踐平臺，實驗箱主控采用了MCU+FPGA的結構形式，具體包含ATMEL公司的51單片機、AlterEPF10K10系列FPGA、Lattice的ispPAC20可編程模擬器件、矩陣鍵盤、多位LED數碼管、320*240單色多層LCD顯示器組成，并帶有外部ADC和DAC芯片，功能強大，其結構如圖1所示。

從結構上看試驗箱并不復雜，并沒有太多花哨功能，由于采用MCU+FPGA構架實驗箱的系統資源和系統配置也具有高度的靈活性和綜合性，對學生的單片機基礎有一定的要求，尤其作為最基本的人機交互設備矩陣鍵盤輸入和LED數碼管顯示設計上，不同于常規單片機類實驗箱的接口方式，其矩陣按鍵需要學生首先掌握對FPGA編程才能使其連到單片機，而LED數碼管則需要通過對6片I2C接口的74HC164串并數據轉換芯片級聯編程實現6位數碼管的顯示。由于其硬件設計的綜合性和特殊性，加大了看似簡單的LED顯示人機交互模塊的程序復雜度和驅動編程難度，使得學生在理解范例上和基于此的靈活修改的難度也大為加大，容易造成在進行基礎模塊編程實踐時花費過多的時間和精力，從而影響多個模塊的綜合編程應用，極易影響學生動手實踐和學習的積極性和主動性，最終使得教學預期目標難以達到。

（三）實踐課時數不足并且安排分散

總課時大約32學時分11周進行，由于課程是定位于專業方向的綜合電子設計應用，有必要花費一定的課時用于與本課程有關的知識進行回顧和針對性地講解，以便學生能更好地從以前的理論學習及實踐經驗過度到綜合設計實踐應用。因為涉及專業知識點較多而廣，這部分內容大致需要花費6課時，余下的大約26課時分9次課用于完成實驗箱基礎模塊的單項訓練以及進行課題的綜合設計，由于實踐內容的前后關聯性大，分散進行的實踐教學一定程度上打撒了實踐教學的完整性，往往上次才學習實踐過的內容，這次上課基本上又忘了了一大部分，學生的學習興趣和積極性非常容易受到影響，從而形成惡性循環，使得課程實踐在一定程度上難以順利推進。

（四）教學資源和教學方式與學生知識水平不匹配

課程的軟硬件教學資源以及實施方式多年來一直參考東南大學的教學，但事實并沒有充分認識到兩種不同層次大學的學生在學習等各方面存在的巨大差異，而僅是從現有教學資源中選取相對簡單、易于教學的內容用于我校學生的實踐教學，教學方式上，先進行統一單項訓練集中授課，而后留一半的課程時間給學生完成給定的綜合性課題。這種教學方式和課程內容設置忽略了學生的知識水平差異以及學生存在的學習的目的性因素，從而影響學生學習積極性和能動性，難以達到預期的教學目的。

三、以學生為主體，軟硬兼施突出因材施教的實踐教學

（一）改進考核方式，注重實踐過程管理和考核

《綜合電子創新實踐》課程總共32課時，教學采用“一三制”教學，即四分之一學時集中授課進行必要知識復習與講授，四份之三學時學生進行自主創新實踐。課程考核采用“一五二二制”，即選題開題占總成績的10%，課程實施過程占50%，結題驗收20%，最終設計報告占20%。學生是教學活動的主體，自主創新實踐部分主要包含學生選題、方案實施、課題結果演示講解、設計報告書寫等，實踐教學內容、教學計劃以及過程管理和總結驗收等資源的設計和安排必須堅持因材施教的原則，所以，以學生為主體的自主創新實踐教學必須認真考慮學生特點和基礎先修課程的知識學習情況，從學生專業方向和學科特點，合理選擇和設計實踐教學范例內容。

為了使學生為主體的自主創新實踐教學能順利的展開，要避免演課程變成無目的、無思路、無計劃，最終無所事事的“三無”實踐課程，因此，如何因材施教地進行自主實踐引導就顯得特別重要。通過“一三制”實踐教學的集中授課過程可讓學生對課程有個總體的概念，包括了解課程的地位和課程概述及開展形式，并通過授課使學生回顧一些課程實踐必要的基礎知識和課題實踐的過程。

常規實踐教學過程，學生已習慣了通過實驗實踐指導書上的步驟和指導按部就班的完成整個實驗實踐過程，所以必須讓學生認識到本課程實踐活動與以往實踐課程的區別，并明確實踐目標和考核要求，使學生在思想上對課程有個正確的認識，端正學生對待課程的態度，使學生充分認識自己在實踐過程中應該扮演的角色。

為讓學生更好地接受與以往有明顯區別的實踐教學，需要學生明確在課程實施過程的任務和要求，同時，也為了使實踐教學更好地符合各專業學生培養的要求，在實踐范例的設計上考慮了各專業的特點，針對三個專業分別設計跟貼近專業的實踐的范例課題內容進行分析講解，通過課題的提出、課題任務的剖析，了解完整電子系統設計的整個過程。

（二）構建通用硬件基礎平臺

在綜合考慮以往的教學內容教學方式后，以及分析項目組自身存在的問題后，項目組決定分階段進行教改的實施，在2015年上半年開始的第一輪教學中進行小部分改革，在教學內容上，逐步增加部分與專業方向有關的綜合性課題，作為現有課題的補充，同時逐步考慮學生的知識水平以及對于本課程學習的目的性，不再對全班同學進行統一性的要求，對學習基礎和課程考核要求不同的學生提出不同的任務要求。

通用基礎硬件平臺的設計：

由于實驗箱數量有限，學生無法單獨借用實驗箱在課外進行課題實踐，實驗箱是2002年左右的設備，微處理器采用25針并口的下載調試端口，但現有筆記本電腦上已取消，所以，學生也無法自己用筆記本給實驗箱下載程序，另外也是考慮到目前入門級微處理器的發展現狀，國產51單片機的價格和下載方案上都要大大優于實驗箱上采用的國外的單片機，所以單獨額外設計了STC51單片機最小核心板，并且在功能定位上不打算和原有實驗箱一致，而是主要用于非實驗箱的課題設計。核心板以國產STC公司的STC15F2K60S2為核心，板載三色LED燈和兩個獨立按鍵，以及USB轉串口的程序下載模塊，將單片機的所有IO口都進行了擴展，并且和電腦連接的端口采用目前通用的USB接口，只要連上電腦就可以下載程序，使用極其簡單高效。此硬件平臺為后續的創新實踐的順利實施提供了簡便可靠的基礎。學生通過參考實例就可以很方便地進行硬件測試和二次開發。

此外，雖然多年來不僅在高校中8051內核單片機仍然是單片機課程的主要內容，還有在工業應用中仍然占據著很大的市場份額，但近年來隨著ARM內核微處理在市場上的廣泛應用，尤其是以ST意法半導體為代表的STM32系列ARM微處理器在市場上非常成功的推廣并得到廣泛應用，在就業市場上也相關崗位的招聘條件中，逐步以掌握類似STM32的ARM微處理器為基本條件，因此，為了給對學習有更高要求的學生提供更好的基礎實踐平臺，特別設計采用基于ARM微處理的STM32F103最小核心板，同樣，核心板除了板載基于USB接口的微處理器程序下載器外，還設有多個LED燈和按鍵并將微處理器所有的IO口都引出便于二次開發，因此學生只需一根USB電源線便能隨時開始實踐，極大提高了學習實踐的自由度。

四、采用項目驅動式教學法，有效實施分層次的實踐教學

（一）多層次專業實踐與實用趣味結合，激發學生實踐的熱情

為了使學生在自主選擇課題時有一個相對明確的范圍，設計了多個不同難易程度的課題供學生參考，為進一步激發學生實踐的信心和熱情，這些課題設計時也考慮到了課題相關資料的獲取的難易程度和課題的趣味性，比如設計自動尋跡小車、藍牙小車設計、避障小車設計、RFID的門禁設計、基于LED的光立方設計等在學生中較為容易入手實踐的課題。

考慮到學生專業方向不同、知識水平的多層次以及學習目的的不同，設計了多個不同專業方向和實踐難度的課題作為學生實踐的參考范例，通過范例學生可以了解電子系統設計從任務指標擬定、方案論證選擇、硬件電路設計、軟件算法和流程圖繪制、系統調試和指標測試、分析總結以及設計報告書寫的全過程。目前我院開設本課程的主要有電氣工程及其自動化、自動化、智能樓宇專業，范例的設計主要從交流參數采集、電源類、自動控制、智能樓宇幾個方向作為各專業的典型考慮。

交流參數采集。電力系統中通過對交流信號的采集與分析來判斷電網的質量、用戶的用電情況，對交流信號參數的采集具有非常典型的現實意義。實踐教學中，通過對安全電壓范圍內具有一定相位和功率的交流電壓和電流的采樣檢測，掌握交流信號的采樣與處理技術，此例需要學生會利用單片機實現AD轉換和顯示功能，實現難度中等。

數控直流穩壓電源。制作輸出電壓范圍可調的數控直流穩壓電源。具有基本的人機交互編程，用戶可通過安檢設定輸出電壓的大小，并在顯示設備上顯示設定的值和實際輸出值，難點是設計電壓調整電路，此外需要對AD/DA進行編程，本身課題難度稍顯大，不僅需要編程，還需要對相關硬件電路進行設計，但是此課題網上參考資料豐富。

溫度控制。溫度是自動控制系統中非常典型的控制對象，由于溫度的慣性大，實際上具有一定的控制難度，需要編程實現數字PID算法實現對溫度的精準控制。難度適中。

門禁系統。門禁是智能樓宇中最基本的配置。需要通過編程實現IC卡的讀取和權限管理，難度較小。

對于專業性強的實踐教學內容，學生更愿意接受和實踐的內容是沒有特定專業背景的相對比較簡單的電子創新設計實踐內容，比如：控制類的實踐課題更愿意做小車控制；檢測類的超聲波測距；比如可觀性強的發光矩陣POV顯示等等。

（二）充分論證課題，確保課題實施可行性

進行正確科學的選題是確保課題順利實施的基礎和保證，所以充分的課題論證和方案選擇設計顯得尤其重要。

由于學生知識水平之間的差距以及專業興趣的差別，傳統的實踐教學難以做到因材施教，或者沒有條件實現因材施教。而以學生為主體的創新實踐課程，學生可以根據自身的學業情況和興趣選擇相對合適的課題，課題由2-3人為一組進行自由組隊，學生確定隊員后進行課題的選擇，在這一階段，要求學生首先通過各種查閱資料，在明確課題任務和具體指標要求情況下，并對硬件方案進行分析比較。同時也為鍛煉學生的團隊協作以及講解能力，要求每組學生在講臺上針對自己最終選擇的課題進行為時5-10分鐘的課題講解，講解內容包括：課題具體的任務、期望達到的相關指標參數、課題2種以上可行的硬件實施方案分析比較并確定最終選定的方案、最終期望的成果及效果、課題組成員具體的任務分工以及各自工作計劃和階段性時間點安排。

為確保課題的順利實施，需保證課題本身的可行性和課題難度符合學生目前的知識能力水平，也就是課題“可做、可行、可實施”，因此課題組成員在完成課題介紹后，由授課教師對課題尤其是硬件方案進行把關點評，對課題中要注意的重點和難點進行分析講解。

（三）著重過程考核管理，確保課題順利實施

凡事預則立，不預則廢，學生為主體的實踐過程必須注重課題的計劃管理和實施過程管理，為了加強過程管理的執行力，在課程考核中，課題實施過程中的考核比例達到50%，考核內容包括課程出勤情況、課題實施過程的學生主觀能動性、階段性成果的完成情況等，督促學生認真執行課程日程計劃，每次上課都帶著明確的目標和任務來，同時促使學生投入必要的課余時間來保證課題按時順利完成。

以硬件設計為基礎的創新實踐課題，如果要求學生完全從零開始完成硬件方案選擇、電路設計、電路制版、焊接、硬件調試、一步步完成軟件開發及整機調試整個過程，實際上對于老師來說這個期望和要求是不切實際的，對絕大部分學生來說短時間內也是不可能完成的任務，因此，課題的硬件實現方案允許學生參照或選用現成的功能模塊來完成目標系統整合，鼓勵學生通過查閱資料移植網絡上現有的軟件代碼到自己課題中，通過軟硬件綜合調試最終完成課題內容。

（四）切實發揮教師的指導輔助作用

指導教師是學生課題實踐過程中結實的后盾。學生在實踐過程中很容易由于碰到某一個小問題就以消極的態度對待課程，因此，為使課程能順利進行，教師首先需對學生選擇的課題進行認真分析和把關，并提出切實可行的建議。其次，隨時主動關注每個課題的實施情況，對學生實踐過程中提出的難題能及時進行指導和提供切實可行的解決方案。

認真做好課程的最后一次課進行結題驗收，要求課題組成員制作演示幻燈片，向全班同學演示設計成果，講解成果的功能特點。結題驗收不僅讓學生在同學面前展示自己的設計成果，也通過項目總結分享課題組在設計過程中遇到的問題及解決的辦法，分享其中的樂趣。

五、結束語

多年來，《綜合電子創新實踐》課程的自主創新實踐模式在教學實踐中不斷探索，根據我校學生的具體情況，在軟硬件教學資源、課題設計范例、教學模式、過程管理、考核驗收能多方面不斷優化積累，課程建設越發完善。多年來的實踐結果來看，以生為主的創新實踐教學取得了較好的效果，學生在本課程中不僅培養了實踐動手能力和創新能力，還通過團隊協作，鍛煉實踐主體的責任意識，主動克服各種困難，經歷電子系統設計的全過程，完成了課題成果的設計和制作，從有別于傳統實驗實踐課程的實踐中完成了項目鍛煉，進一步增強了學生的綜合競爭力。

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