改革實訓教學模式，提高學生綜合設計能力

宋華軍, 邵 帥， 劉潤華, 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

·實習與實訓·

改革實訓教學模式，提高學生綜合設計能力

宋華軍, 邵 帥， 劉潤華, 任旭虎

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東 青島 266580)

試驗箱的實訓教學方式，不能切實提高學生的實踐能力，很難滿足用人單位的要求。針對這一問題，在小學期制的教學模式下，根據電子信息工程專業的特點，設計一套從軟件到硬件，從簡單到綜合的系統實訓培養方案。在大一小學期軟件設計實訓，提高學生軟件編程能力；大二單片機硬件設計實訓，讓學生自主設計開發簡單的硬件系統；大三電子信息綜合實訓，學生設計軟件和硬件集成的完整系統，鍛煉綜合設計的能力。以大三小學期電子信息綜合實訓為例，詳細介紹了整個設計過程，最后展示了學生的實訓成果。實訓證明，學生通過這種實訓模式，不但有極大的興趣，并且提高了電子信息工程硬件和算法的綜合設計能力。

電子信息工程； 實訓教學； 小學期； 單片機系統； 綜合設計能力

0 引 言

隨著社會對電子信息工程專業人才需求不斷增長，要求高等學校能培養出的畢業生既具有較強的理論基礎又具有軟硬件系統設計能力。通過對公司和研究所的調查、已工作學生的回訪和幾所電子專業強勢的大學的實訓教學的教學效果、教學方法的調研，發現大部分剛畢業的學生不能滿足工作單位的專業技術要求，適應工作單位的專業崗位比較慢，工作勝任能力較差。在當前金融危機影響下更趨激烈的就業競爭面前，多數用人單位招聘時總以“有經驗者優先”為條件[1]。

傳統的教學方法是二學期制，學生參加實習鍛煉的時間是非常有限的，大部分都是理論為主，實驗為輔的教學模式，學生很難提高綜合實踐能力[2]。近幾年，包括清華大學在內的部分高校增加了小學期，形成了三學期制，即由原來的一學年兩個學期(二學期制)改為3個學期，即增加了小學期(第二學期結束到暑假前的一個月左右時間)[3]。小學期，是中國高校向美國學習的產物，陸續很多高校都采用小學期制，并且制定了新的教學大綱。我校面對創辦高水平研究型大學的發展目標，經過認真研討，總結學校近60年的辦學歷史和經驗，審視本科教育的發展方向，尊重人才的成長規律，以先進的教育理念為先導，提出了“三三三”本科教育培養新體系[4]。新體系的一個重要的變化是強調在小學期實踐能力的訓練。

電子信息工程專業是一門應用計算機等現代化技術進行電子信息控制和信息處理的學科，主要研究信息的獲取與處理，電子設備與信息系統的設計、開發、應用和集成[5-6]。電子信息工程已經涵蓋了社會的諸多方面，是集現代電子技術、信息技術、通信技術于一體的專業。當前大部分用人單位要求電子信息工程專業的畢業生要具有獨立設計開發完整的電子硬件和軟件系統的綜合能力，而要培養符合這種要求的學生，實踐課程的設置顯得尤為重要[7-8]。該專業學生的綜合能力的判斷主要體現在：

(1) 具有較強的理論知識。通過學習高等數學、微機原理、信號與系統[9]、通信原理、數字信號處理、數字圖像處理、電磁場等專業基礎課，掌握本專業的核心理論知識[10]。

(2) 具有較強的軟件編程能力。學習數據結構、Matlab程序設計、C++程序設計、HDL硬件描述語言、Visual C++編程等課程，掌握基本的編程技巧。尤其是C++語言，是電子信息工程專業必須掌握的一門語言，在算法編程，硬件編程等方面，都有廣泛的應用[11]。

(3) 具有設計單片機、數字信號處理器(DSP)[12]、現場可編程邏輯器件(FPGA)、嵌入式系統(ARM)等為核心的硬件電路的能力。通過學習當前流行的處理器芯片，會使用相應的芯片設計基本的信號處理、控制電路[13]。

這種綜合能力在二學期制模式下很難培養出來。傳統的二學期制模式下，實踐課程主要分為理論課驗證實驗和綜合型實驗。而這兩種類型的實驗都是基于計算機上仿真或者在試驗箱上運行演示程序的模式進行的。由于仿真軟件和試驗箱基本都是對上課的理論知識進行驗證，試驗步驟事先已經設定好，學生只能按照試驗步驟被動的去做。雖然有些綜合型的試驗，但是學時較短，大部分也都是基于試驗箱和附加現成模塊的模式下進行的。學生專業素質、創新精神、實踐能力等綜合素質得不到全方位提高[14]。盡管采取了一些改革措施，如改革實驗課程體系、實驗內容、實驗方法和實驗手段，但這些都只是對原有實訓教學模式枝節的修補，仍停留在紙上談兵，很少有從統籌綜合應用型人才培養的全過程著眼，達不到理想的教學效果。

為了解決上述問題，根據我校提出的“三三三”本科教育培養新體系和電子信息工程專業特點，在走訪用人單位、畢業校友的基礎上，設計了一套從軟件到硬件，從簡單到綜合系統的實訓教學大綱。新實訓教學大綱的思路是：學生從大一到大三的三個小學期分別完成C/C++程序設計實訓、基于單片機的硬件系統實訓、電子系統綜合實訓。理念是突破傳統的教學模式，切實從提高學生實踐能力著手，貼近用人單位需求，加強學生實際動手能力和鼓勵創造性研究。通過這個過程的實訓訓練，學生具有較強的實戰能力，能夠滿足用人單位對該專業學生的要求。

1 全新電子信息工程專業綜合實訓培養模式

在小學期模式下，結合電子信息工程專業的培養要求，制定如圖1所示的實訓培養模式。

圖1 電子信息工程專業綜合實訓培養模式

大一的學生專業知識比較薄弱，學習了“高等數學”“計算機應用技術”“程序設計語言C/C++”等前導課程，在小學期，結合軟件培訓公司的實訓模式，開展“C/C++軟件設計實訓”，鍛煉學生的編程能力。軟件編程能力是電子信息工程專業學生的基本技能。

大二期間，學生在學習了“數字電子技術”“模擬電子技術”“單片機原理與應用”“微機原理”“電子技術課程設計”等前導課程的基礎上，掌握了硬件設計的基礎理論知識，且通過相應的課程實驗，學生具備了完成簡單電路設計的能力，學習了單片機的內容結構、外設接口和編程的知識。在小學期，由學生自主設計一整套選定功能的單片機系統，包括繪制系統的原理圖、PCB圖、電路板制作完成后，學生自主焊接芯片，調試電路板，編寫控制程序完成整個系統的軟硬件功能。

大三開始，學生開始選修“高頻電子線路”“數字信號處理”“高速信號處理系統設計”“電子信息系統設計”等課程，學生具備設計高級硬件系統和信號處理的基礎知識。在小學期，參加電子信息綜合實訓，在導師的指導下，自主選擇綜合實訓題目，完成與工程應用、科研項目相關的系統設計，例如：智能視頻分析、機器人控制、三維震動分析等系統。培養學生針對實際科研，解決某一方向問題的能力。

大四期間開始學習“數字圖像處理”“模式識別”“SOC系統設計”“嵌入式系統原理及應用”等課程，完整的學習了電子信息工程專業的基礎專業課知識。在最后一個學期，學生在半年的時間內，根據前面學到的知識，設計一套完整的、綜合的集電子硬件設計、信息處理和控制的系統，最后完成畢業論文。

下面以大三小學期的電子信息綜合實訓為例，介紹具體的實訓內容。

2 電子系統綜合實訓

電子系統綜合實訓是在大三的小學期完成的。學生經過前期的C/C++軟件設計實訓和單片機系統實訓，具備了軟硬件的設計能力，結合專業課程，在大三小學期完成集硬件系統和軟件算法設計于一體的電子系統綜合實訓。由于實訓的難度和工作量都很大，對指導教師要求較高，故將學生分成小組，每個教師只指導一組學生。指導教師要求具有博士學位，結合自身的科研項目擬定不同的題目。典型的題目有：基于NIOS II處理器的嵌入式系統設計、隨鉆測量中的電子信息系統設計、模式識別系統設計、地震信號采集[15]及稀疏表示系統設計、云平臺搭建與圖像數據加速系統設計等。學生可以從這些題目中選擇喜歡的題目，也可自擬題目。本文以作者指導的題目“基于 STM8的數據采集處理系統設計”為例介紹實訓過程。

2.1實訓目的

培養學生能夠自主開發基于最新單片機的數據采集，處理和控制的完整系統[16]，滿足用人單位對電子信息工程專業系統設計人才的要求。

2.2實訓系統要求

(1) 采集物體震動加速度信號，分析物體振動加速度的頻率和幅度；

(2) 電池供電，設計的系統低功耗；

(3) 具有OLED顯示屏顯示功能，顯示系統的工作狀態和物體XYZ三軸振動加速度等；

(4) 具有通信功能(例如電路板通過藍牙模塊跟手機或主機通信)。

擴展內容：能夠通過獲取到的加速度和陀螺儀數據計算物體的運動軌跡。

要求學生完成基本功能的各個要求，對應優秀的學生，提前完成基本功能后，可以繼續完成擴展功能。

2.3實訓過程

整個實訓過程分為3個階段：硬件設計，硬件調試和算法軟件設計，文檔歸整。

2.3.1硬件設計

(1) 項目流程。通過查找資料，總結一個項目總體設計過程；設計出實訓課題的方案。

(2) STM單片機的學習。通過閱讀STM8Lxx芯片手冊，了解芯片的結構特點，重點掌握各個管腳的作用，將芯片主要特點和管腳功能總結成文檔。

(3) STM硬件系統方案設計。在掌握STM單片機功能的前提下，結合已有開發板的參考圖，設計系統的硬件方案，寫成硬件方案設計文檔，并繪制出各模塊之間的連接框架。圖2是典型的系統結構框架。

圖2 實訓方案框圖

STM8L系列單片機做為主控芯片，外接加速度和角速度傳感器芯片MPU6050，通過I2C協議與單片機進行數據傳輸。同時將所測數據在OLED屏上顯示，外接藍牙接口(BLE4.0)進行與外界通信。電源使用鋰電池供電。

(4) Altium Designer(AD)軟件原理圖繪制部分學習。通過AD軟件原理圖繪制教學資料，學會使用AD軟件繪制原理圖的過程；掌握原理圖繪制的規范，寫出設計規范的總結文檔。

(5) 系統原理圖繪制。根據設計的硬件方案和參考圖，使用AD軟件繪制系統原理圖；并且知道每個管腳連線的機理；自己檢查并且結合軟件檢查功能，確認原理圖沒有錯誤。根據實訓方案框圖，繪制出系統的原理圖，典型的原理圖如圖3所示。

圖3 硬件原理圖

(6) AD軟件PCB圖繪制部分學習。通過AD軟件PCB教學資料，學會使用AD軟件繪制PCB圖的過程；掌握PCB繪制的規范和布局、連線原則，寫出設計規范和繪制原則的總結文檔。

(7) 系統PCB圖繪制。繪制和指定原理圖各個芯片的PCB封裝，檢查無誤后，導入到PCB；根據上一步的學習，手工繪制系統的PCB圖；繪制完成后，用軟件的檢查功能，驗證無誤。加上個人印記，統一投板制作。圖4所示為學生繪制的PCB圖。

圖4 硬件PCB圖

2.3.2硬件調試和算法軟件設計

投板制作需要大約4 d的時間，在這個期間，完成下面的前3項內容。

(1) IAR安裝和使用。IAR是STM單片機的集成軟件開發調試軟件。通過查閱資料，學習IAR軟件的使用方法。

(2) 程序設計規范學習。查閱程序設計規范，總結編寫代碼的規范形成文檔。

(3) STM8單片機編程。參照開發例程中STM8的編程，了解每一句編程語句的含義；掌握單片機與外設通信的方法(SPI通信、I2C通信等)；開始編寫簡單的控制LED燈亮滅的程序。

(4) 板子回來焊接調試。調試按照電源模塊、核心芯片、各個外圍模塊的先后次序焊接調試。直到整個板子各個模塊功能調試結束。

(5) 編寫震動采集信號處理算法。根據先導課程，編寫信號采集、數字濾波、FFT變換的算法，將算法集成在整個軟件系統中，完成系統的總體功能。圖5所示為學生繪制的實際PCB。其中：圖5(a)是沒有焊接芯片的空板，圖5(b)是焊接芯片，編寫部分程序的硬件系統。

2.3.3整理文檔，形成報告

在前面已有文檔的基礎上，總結整個系統的設計過程，形成詳細的文檔。

2.4成績評定

成績考核主要由：平時努力程度(這部分由同組其他同學評價)、各個階段的文檔總結、原理圖和PCB圖以及軟件編程的規范性、最終結果展示和匯報組成。

(a) 沒有焊接芯片的空電路板

(b) 完整系統

3 新實訓方案取得的效果

經過實訓，95%的學生都能夠自主獨立進行整個實訓課程，并且圓滿完成實訓任務，對實訓充滿了激情，學生的系統設計能力得到了較大的提高。學生依托實訓項目，后期獲得2項國家級電子大賽二等獎，3項山東省電子大賽一等獎。有三組學生成功申請國家級大學生創新創業大賽和校級大學生創新創業大賽。通過介紹設計的實訓項目，在學生就業和考取研究生過程中也起到重要的助推作用。

4 結 語

新設計的電子信息工程專業實訓教學模式，既能解決當前本專業教師聯系實習單位的困難，并且克服學生在實習單位走馬觀花，不能學到實訓知識的問題，又能切實提高學生的電子硬件系統和信號處理算法的設計能力，滿足用人單位的要求。在后續的實訓中，通過學生的反饋和當前電子專業最新技術的發展，動態調整實訓方案和內容，設計切合實際、與時俱進的實訓內容。

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ReformingthePracticalTrainingTeachingforEnhancingtheComprehensiveApplicationAbilityofStudents

SONGHuajun,SHAOShuai,LIURunhua,RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

At present, most of the training teaching modes in colleges and universities stick in the teaching mode of experiment box. In the case, it is difficult to effectively improve the students’ practical ability and meet the requirements of the employing company. In view of this problem, based on the characteristics of electronic information engineering, a new practical training scheme is design. Main idea of the scheme is from software to hardware design and from simple to comprehensive system design under the three years. In the third semester of freshmen, those students take software design training in order to improve the ability of software programming. In the next year, simple hardware system is trained for improving hardware design ability. In the junior, students choose the comprehensive system integrated hardware and algorithm software. In this thesis, comprehensive system is taken as example. The whole design process is introduced in detail. It is shown that this practical training teaching mode not only improves student’s interest and also enhances electronic information engineering hardware and algorithm integrated design capability.

electronic information engineering; practical teaching; three semester system; single chip microcomputer system; integrated design capahility

G 420

A

1006-7167(2017)09-0206-05

2016-09-28

國家自然科學基金(61305012);山東省重點教改項目(2015Z025)

宋華軍(1978-)，男，山東威海人，博士，副教授，研究方向：智能信息處理。Tel.：18660266389；E-mail:huajun.song@upc.edu.cn