漸進式實踐教學體系的設計

杜會靜+孫彥龍+郭得峰

[摘要]如何優化高校理工科實踐成本，提高實踐經費的綜合使用效率，提高學生的創新實踐能力，是高等學校亟待研究解決的問題。以燕山大學電子信息科學與技術專業的實踐教學環節為例，該專業近年來通過漸進式教學設計方法，減少了以實物設計為載體的實踐教學成本，實現了實踐教學經費的合理支配，通過項目式教學以及競賽機制，使學生由單純的模仿式學習轉變為主動的創新性開發，達到了教學成本的優化與學生創新實踐能力提高的雙重目的。

[關鍵詞]實踐教學；教學成本；電子類專業；創新實踐能力

[中圖分類號]TN41；G642[文獻標識碼]A[文章編號]10054634（2017）03009205

0引言

提高人才培養質量是高等教育發展的核心任務《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010～2020）》指出，要通過全面實施高校本科教學質量與教學改革工程，強化實踐教學環節，進一步提高高等教育人才培養質量。隨著社會對學生實踐能力要求的提高，實踐教學在高校教學過程中的比例逐漸加大。目前，在大力推進實踐教學的過程中，出現2個主要問題：（1）各高校實踐教學經費投入逐年增加，但教學經費仍相對不足，這些問題在工科類院校體現得更加明顯。在高等教育教學成本中，實踐教學成本占了相當大的比重[1]；（2）在實踐教學過程中，學生仍以被動接受知識、簡單跟隨操作為主要實踐形式，未能充分發揮學生的主觀能動性及創新實踐能力。

如何合理有效地使用實踐教學經費，發揮有限教學經費的最大效益，最大化節約高校理工科實踐成本，同時能夠通過實踐教學，充分提高學生主動的進行創新性學習和實踐的能力，是高等學校亟待研究解決的問題。近年來，燕山大學電子信息科學與技術專業通過漸進式教學設計方法，減少了以實物設計為載體的實踐教學成本，實現了實踐教學經費的合理支配，使學生的實踐活動由被動的模仿式學習轉變為主動的創新性實踐。

1高等學校實踐教學運行現狀

本文所涉及的實踐教學，主要是指與專業課程教學配合的課程設計環節，所涉及的實踐教學成本主要是指用于實踐教學，如課程設計以及學生實訓等教學活動所需消耗材料的購置費用。

傳統的課程設計環節主要是針對大學某一課程的實踐教學環節，利用所學的知識，通過設計實踐，完成一項涉及本課程主要內容的綜合性、應用性的題目。課程設計環節把教學范圍拓展到了實踐中，有利于促進課程教學目標的完成。但是這種針對某一課程專門設置的課程設計，與后續其他課程設計之間相互關聯度不大。造成以實物設計為載體的某門課的課程設計項目完成之時，也是所設計的實物變成電子垃圾之時。在教學耗材的購置，例如電子元器件的采購等方面，存在大量的資源浪費；同時循環產生大量的不可回收的電子垃圾，對環境也造成一定的影響[2]。這些相互不關聯的以實物為載體的課程設計使高校的實踐教學經費不足的問題更加嚴重。

另一方面，由于學校實踐經費與教師實踐教學投入不足等多方面原因，導致課程設計項目單一，缺少系統化、創新性以及延續性的考慮。學生只是被動地跟隨教師或者實驗指導書進行模仿式實踐，創新性和主動性不能充分發揮，不能達到實踐性課程的預期結果。在某一課程的課程設計中設計出的項目作品及學到的技能，未能在后續課程中繼續得到深入挖掘和提高，而學生以課程設計實踐為基礎進行課外創新性實踐更無從談起。

實際上，高校中任何一個專業所有的課程設計都是為學生的綜合專業技能發展服務的，相互之間必然存在一定的關聯。根據這些關聯，搭建循序漸進的教學體系，打破課程設計間的壁壘，統籌規劃，是實現實踐教學成本優化使用的可能途徑。采用循序漸進式實踐教學體系，使得上一級項目能夠進入下一級實踐環節，充分發揮和擴展每一級實物設計的功能，減少資源的浪費，從而最大化的節約實踐教學成本[3]；在課程設計過程中，增加可以充分發揮學生主觀能動性的創新性實踐項目，采取競賽等形式進一步激發學生的實踐熱情和創新思維。3年的教學實踐證明，這一循序漸進式的實踐教學體系很好地優化了教學成本，提高了學生的創新實踐能力。

2循序漸進的實踐教學體系搭建

電子信息科學與技術專業是教育部于1998年特設的新專業，該專業涵蓋了無線電物理、電子學與信息系統、信息與電子科學3個舊的本科專業，對學生的現代電子技術應用、現代通信技術和計算機應用能力有比較高的要求，該專業順應了我國電子信息產業發展的需要，有較大的發展和提升空間。

電子信息科學與技術專業對學生實踐能力有著較高的要求，傳統的紙上談兵教學模式在日益嚴重的就業形勢面前迫切需要改革。從社會對于電子工程師的要求出發，搭建了以培養學生硬件電路設計、電路板焊接與測試、現代電子儀器的使用、單片機軟件開發、項目規劃與開發等能力為主的實踐教學體系[4，5]。該實踐教學體系打破了各課程設計之間的壁壘，統籌規劃、總體考慮，以實踐成本最優化、學生能力全面化為目標，制定了3個循序漸進、緊密相關的階段，分別為PCB電路設計與焊接（第3學期）、單片機程序設計與開發（第4學期）、電子設計綜合實訓（第5學期）。3個階段課程設計材料和設備統一采購，統籌規劃，每個設計環節的產品進入下一環節，持續提升和開發設計項目的功能，實現了學生全面實踐創新能力的分階段培養。

為了促進學生課外實踐的展開，本專業從2012級開始就將電路類以及計算機語言類課程提前，將《電路原理與分析》《模擬電子技術》《數字電子技術》分別提前到了第2、3、4學期，《C++面向對象程序設計》課程提前到了第2學期。而《單片機原理與應用》課程放在了第4學期。因此，PCB電路設計可以為充分理解和掌握電路相關知識打下基礎，同時該課程設計單元所設計的電路是基于STM32單片機的多功能開發板，可以讓學生在此設計中學習和掌握最基礎的單片機知識，為后續單片機理論課以及單片機程序設計與開發打下良好的基礎。學有余力并且感興趣的學生，可以在課下自學一些單片機知識，結合所設計的單片機開發板，完成一些課外實踐項目。實踐證明，這樣一個實踐系統序列大大促進了后續單片機理論的學習，本專業學生的單片機成績優秀率遠高于其他專業學生，達到了65%的優秀率。

經過電子信息科學與技術專業4年來的實踐教學檢驗，筆者認為該實踐教學體系極大地節約了實踐成本，在提高經費使用效率的同時，學生的創新實踐能力也得到了很大的提升。3年來，以學生為主體，獲批發明專利和軟件注冊權4項，國家級大學生創新訓練計劃9項，省級以上競賽獎項20余項。

3電子信息科學與技術實踐教學體系詳解

以下面分別從PCB電路設計、單片機程序設計與開發、電子設計綜合實訓3個方面解析本專業循序漸進的實踐教學體系的構成。

3.1PCB電路設計與焊接

印刷線路板（printed circuit board，以下簡稱PCB）是電子元器件的支撐體和電氣連接的載體。從 2006年開始，我國也已經取代日本成為全球產值最大的PCB生產基地和技術發展最活躍的國家。電子產品的焊接是電子產品制作過程中非常重要的環節，1名合格的電子工程師如果想開發出1款工藝簡單、器件封裝合適的產品，必須要了解焊接，尤其是現代貼片焊接技術的全過程。因此PCB電路設計已經成為電子、電氣類及相關專業重要的專業技能課之一[6]。在學校的電子信息科學與技術專業的教學計劃中，將PCB電路設計與焊接設置成了1門必修的專業基礎實踐課，時長為3周。

電子工程師完成PCB電路設計過程是先利用EDA軟件進行電路版的繪制，然后再進行焊接和調試。但對于沒有接觸過電路板實踐的學生來說，這個電路板繪制的過程猶如理論課程一樣枯燥無味。因此，該階段的設計先由教師根據自己多年的經驗及教學心得，按照循序漸進式的電路板設計理念，給出電路板的主體架構，進行電路板各部分功能講解、焊接，然后再進行電路板的繪制與仿真。這樣的PCB設計流程，可以讓學生在EDA軟件學習過程中，將一些抽象化的電路符號轉化為形象的電路模塊，非常方便地幫助學生理解和掌握。課程設計過程中，教師及時對各環節進行總結和關鍵提示，有助于學生快捷地掌握相關知識，緩解學時緊張的問題，該部分內容分4個階段完成。

1） 電路板功能分析和電子元器件選擇。此階段充分考慮了成本與功能這兩個矛盾面，結合循序漸進的實踐體系的要求，設計出基于STM32單片機的多功能開發板，板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，板載十多種外設及接口，可以充分挖掘 STM32 的潛質，極大地方便學生在后續課程設計以及課外科技活動中擴展及使用[7，8]。

STM32EVM主要由STM32單片機最小系統、串口下載及通信模塊、外設模塊及電源模塊構成。板載了8個LED燈、3個按鍵、直流電機驅動模塊、8路紅外檢測模塊。其中，電機驅動模塊、紅外檢測模塊和外置的智能小車底盤可以讓學生完成智能小車的控制、紅外循跡和紅外避障功能，培養了學生的綜合能力。電源模塊主要為開發板電路供電，分為兩部分：第一部分為USB供電及電源轉換電路，主要是在該開發板單獨使用的時候使用；第二部分為外置鋰電池供電及電源轉換電路，主要是在該開發板作為控制板，與智能小車底盤共同使用的時候使用。圖1為本專業設計的基于最小系統設計的PCB板電路圖，具有較大開發和升值空間。

2） PCB焊接和調試。該階段通過學生實際接觸到PCB板，對電路板產生直觀的認識，了解常用電子元器件形狀和封裝特點，掌握貼片焊接和直插孔焊接等電路板焊接技能，尤其對現代工業最常使用的貼片焊接的流程有清楚的認識；掌握鋼網、回流焊機、電烙鐵、熱吹風等焊接工具的使用以及電路板的測試和調試過程。

3） PCB板的繪制與仿真。經過PCB功能分析與焊接之后，學生對電路板設計有了初步的了解。接下來就是EDA設計軟件Altium Designer15的學習。該軟件是主流的EDA設計軟件，可實現PCB設計與繪制。此過程，教師負責進行繪制方法演示、指導、規則檢查以及驗收。通過此過程，學生可以通過原理圖繪制和封裝設置，電氣法則測試、導入網絡表、設計繪制PCB圖，掌握 PCB工程及完整的電路圖建立的過程。圖2是學生自主焊接和繪制的PCB電路板圖。

4） 電路板的調試——單片機程序設計與開發基礎入門階段。為了提升學生的成就感，該階段必須讓學生自己焊接出的電路板工作起來，因此在完成電路板的設計后，結合單片機程序設計，完成電路板功能的進一步開發，激發學生的學習熱情，快速上手STM32。從 STM32 固件庫、新建工程、編譯和下載程序出發，學習STM32單片機的基礎功能和常用外設。通過流水燈和按鍵實驗，掌握STM32的GPIO的原理和控制方法；通過中斷實驗，掌握EXTI外部中斷輸入方法；通過串口通信，實驗掌握單片機和電腦的信息交互的方法。該電路板功能的進一步開發和價值提升可在后續的課程設計中逐漸發揮出來。

3.2單片機程序設計與開發

本階段的課程設計，使用學生自制的基于STM32單片機的開發板，以C語言為基礎，以uVision5 IDE 集成開發環境作為開發工具，通過實例講解、學生練習、自主項目設計的形式，由淺入深，達到即學即用的效果，提高學生的創新實踐能力和獨立開發能力。經過PCB設計階段的STM32單片機的基礎功能和常用外設學習，實現了學生單片機程序設計的基礎入門。因此，在這一階段可以順利進入基于學生自制的STM32單片機開發板的高級功能擴展，該部分主要分3階段進行。

1） 基礎功能擴展階段。通過STM32的高級外設和常用的通信協議、ADC和DAC實驗、器件DHT11、AT24C02、W25Q64的學習，使學生掌握信號采集和輸出的功能、電子設計中常用的單總線協議、IIC協議和SPI協議，掌握示波器在信號采集與處理中的作用。

2） 傳感器模塊學習階段。該階段利用自制開發板板載的10多種外設及接口，使學生了解和使用各種傳感器模塊，如紅外感應模塊、聲音檢測模塊等十幾款信息采集傳感器；步進電機、蜂鳴器模塊、繼電器模塊等輸出執行傳感器；還有一些高級輔助模塊，如無線傳輸模塊NRF24L01、WIFI模塊ESP8266、三軸加速度/陀螺儀模塊MPU6050、液晶顯示模塊OLED12864等等，為后續綜合性的自主設計與開發打下基礎。

3） 綜合性的自主設計與開發階段。經過前面階段的學習，學生掌握了基于STM32的軟件編程和常用傳感器模塊的使用。為了充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的創新性精神、團隊協作意識及電子產品的設計開發能力，該階段特別設計了學生創新設計大賽。采用抽簽形式將學生進行分組，每組3人。小組根據現有的STM32開發板和傳感器模塊，在4天時間內完成以下任務：項目及創新點提出、作品原型制作、軟件開發、聯合調試、答辯。最終以比賽形式進行項目作品驗收，評委根據項目的難易度、完成度、創新性、外觀和答辯情況進行打分和評獎。

由于元器件以及外圍模塊數量有限，為了降低學生提出項目的相似度，開課第1天就給學生布置調研任務，要求學生在2天內完成項目名稱的提出，指導教師負責對學生項目的相似性、創新性、難易度進行把握，相似的項目進行刪除，重新讓學生商定題目。項目開展前，進行開題報告，學生簡要匯報項目的設計思路和實現方法。教師針對學生項目的整體思路指導，不同組也可加入討論，努力提高項目的創新性和綜合性。事實證明，這種提前審題以及開題審查相結合的辦法，對于降低學生項目相似度，提高項目綜合質量有很大的幫助。比如，同樣是濕度傳感模塊，引申出3個不同類的模塊應用環境：能夠自動尋光提高晾曬效率的智能晾衣架，能夠實現自助澆水、采用呼吸燈顯示花卉生存環境好壞的智能花盆，以及能夠實現光、水、空氣自主控制的智能農業大棚設計，分別利用濕度傳感器實現了衣服濕度、花盆土壤濕度和大棚土壤的濕度測定。

經過本次課設，學生的基于單片機的自主開發能力、編程能力、設備使用和調試能力、團結協作能力有了大幅提高，參與性和主動性得到了充分發揮。在該階段涌現了大量的創新性題目，如具有水量和水溫測量與顯示、警告和定時提醒功能的智能水杯，具有手勢識別、實現垃圾分類的智能家用垃圾桶，基于超聲波檢測的兒童坐姿矯正儀（如圖3所示）等，有3個作品被選中參加2016年在燕山大學舉辦的CDIO亞洲區域會議作品展。

3.3電子設計綜合實訓

經過PCB焊接與測試、單片機設計與應用的實踐性訓練，學生已經可以進行獨立的開發和設計。為進一步鞏固學習成果，繼續提高學生的電子設計能力，在第5學期，設計了電子設計綜合實訓環節，利用學生自主設計的開發板，進行逐步增容，完成1個智能循跡小車的開發設計[9，10]，最終設計完成的智能小車實物如圖4所示。

智能循跡小車作為一種融合自動控制、傳感器檢測、信息處理、計算機軟硬件設計等多學科知識，集機電于一體的綜合系統，是很好的電子設計綜合實訓項目。該智能小車以學生自主設計和焊接的STM32開發板為控制核心，集成紅外傳感器模塊和超聲波傳感器，利用單片機的高速運算處理能力處理8路紅外傳感器信息，控制單片機的PWM輸出占空比來調節左右直流減速電機的轉速，進而實現小車智能循跡行走，并通過超聲波傳感器實現躲避障礙物的功能。學生需要克服小車的直行、左轉、右轉、直道加速、S彎、虛線賽道處理、十字路口處理和自動停車等難題，該項目的完成，可以實現的電路設計、程序設計、檢測控制及信號處理等多方面專業知識的綜合利用，提升學生的整體創新實踐能力。

4結束語

由PCB電路設計與焊接、單片機程序設計與開發、電子設計綜合實訓3個實踐階段構成的循序漸進的實踐教學體系，以自制的STM32開發板為基礎，實現由淺入深的實物化電子產品設計。各實踐環節既相互獨立又前后關聯，既有詳細的理論又有大量的實踐，充分了發揮學生的主觀能動性，使學生具有了獨立的電路設計、計算機程序設計、電子產品設計能力。經過4年的實踐教學檢驗，該體系達到提高實踐教學經費的綜合使用效率和學生創新能力的雙重目的，在高校電子類相關專業具有很好的推廣價值。

參考文獻

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[10] 董杰，王國豹. 基于STM32 的智能循跡往返小車設計[J].電子設計工程，2013，21（12）：158159.

AbstractThe key problem of universitiesis how to optimize the practical education cost of the science and engineering majors in the colleges，improve the utilization efficiency of the teaching funds，and enhance the practical and creative ability of students with the limited funds.Our progressive practical teaching system designof electronic information science and technology major in Yanshan University is introducedin the paper.By this practicaldesign，we reduce the physical designbased education cost，and realize the reasonable spending of the teaching funds.With projectbased teaching and the contest mechanism，the passive imitation of thestudents changes to theactive innovation practice.By this progressive practical teaching system design，we realize the dual goals，which are the full optimization of the educational cost and the comprehensive improvementof the innovating ability of the students.

Keywordspractice teaching；educational cost；electronic major；innovative practice ability