基于實踐創新的《電子信息工程綜合實習》課程設計

孫亞星，王建花，茆 姝，蔣玉想，曾德聰，張志強

（南京理工大學 工程訓練中心 江蘇 南京 210094）

1 引言

實踐創新能力培養，是高等教育的重要任務之一[1]。為此，許多高校采取了一系列的改革措施，包括開設多種“卓工”方向的綜合實訓課程和組織學生參加各種層次的學科競賽等[2，3]。如果能將學科競賽引入到這些綜合實訓課程中，開發出面向“卓工”計劃的、具有學科競賽背景的實習課程，意義是重大的。在此背景下，我校工程訓練中心面向電子信息相關專業，開發出一門綜合實訓課程——《電子信息工程綜合實習》，意在培養學生的實踐動手能力、現場調試技術和團隊協作精神。

2 課程的組織實施

《電子信息工程綜合實習》主要是面向電子信息類專業（包括但不限于電子信息工程、計算機技術、自動化等專業）開設的一門專業選修實踐課——選課學生具有不同的專業背景。該課程以《電子技術（模擬和數字）》、《VC++程序設計》和《電子工藝實習》等課程的開出為基礎，通常安排在大三學年進行，總共兩周（10天）時間，2學分[4]。具體實施步驟如下：

（1）教師進行實習動員，整體介紹課題背景、課題任務和注意事項，明確考核標準，并下發任務書。

（2）考慮任務構成、專業背景和選課人數專業分布等因素，鼓勵學生自行分組、跨專業組隊，要求每組控制在3～4人為宜。

（3）學生根據任務書內容，結合專業背景和個人興趣，明確各自所承擔的分項任務，即落實組內分工。

（4）根據分項任務內容，通過翻閱和收集資料，參考和分析相關材料，給出分項任務的初步設計。

（5）動手實踐，實現初步設計，測試結果，并在結果分析的基礎上，完成設計改進，提高效果。

（6）系統整體進行聯調，根據聯調結果，再次對各分項任務進行改進，提高整體性能。

（7）按照學科競賽的要求和流程，組織學生團隊對作品進行場地實測，給出作品的實測成績。

（8）答辯，分析、討論和總結課程實施過程出現的問題及其改進方案，并對課程效果給出評價。通過答辯，落實學生的參與度和獲得感，給出考核點評。

3 課程內容的選擇和具體教學環節設計

3.1 課程內容的選擇

通過對電子信息類專業的學科競賽項目歷年賽題的分析，考慮題目的趣味型和可實現性，選擇“智能小車”作為本課程所要實現的任務平臺。同時，對智能小車所要完成的任務進行了綜合和簡化，形成本課程需要完成的具體任務。

任務說明：設計一輛具有光電導航功能的智能小車，要求從線路的指定點出發，沿軌道鋪設的導航條走完全程。在行走過程中，利用光電計數測量沿途路邊樹木的棵數。在正確計數的前提下，用時少者獲勝。任務路線圖如圖1所示。

圖1 任務路線圖

任務規則：

（1）智能小車平臺：自行搭建，要求垂直投影落在A4紙范圍內。

（2）賽道寬度為0.3m；賽道中間貼有3cm寬的黑色導航膠帶。

（3）沿途用紅色中華鉛筆代表樹木；沿整個賽道的總樹木數不超過20棵；樹木之間的間距不小于10cm。

（4）利用智能小車自帶的顯示器顯示出測得的樹木數和總行進時間；可自行設置起點、終點判斷標識物。

（5）控制器單元：要求自行設計和制作，并在規定的時間內焊接完畢后，進行二次實測。

（6）導航和測量要采用光電技術，禁用遙控方式或在賽場內自行設置智能小車行駛路線導航標記。

3.2 具體教學環節設計

3.2.1 機械平臺的搭建 考慮到智能小車機械結構的多樣性以及傳感器位置對控制算法的不同影響，故而機械部分采用套件（結構散件）進行搭建。目前，比較流行的機械結構有：四輪驅動結構、兩輪驅動+萬向輪結構和兩輪驅動+舵機轉向結構等。這幾種結構各具特征，與不同傳感器配合，能夠實現不同的速度要求。同樣的，不同的傳感器位置，能夠影響檢測到環境變化的時間。因此，設計機械平臺搭建的環節，一是為學生提供實踐動手的機會，二是幫助學生理解控制算法與硬件平臺是整體的概念。

3.2.2 電源轉換和單片機單元的設計與制作 根據要求，控制系統的電源和MCU單元需要自制。而PCB設計、制板和焊接等，在《電子工藝實習》課程中已經進行過實習，相關要求和技術要點，學生已經掌握。考慮學生的實際情況，建議選擇LM7805作為電源轉換模塊，51單片機最小系統作為控制單位，因為這都是非常成熟的產品和技術。當然，鼓勵使用全新的產品和技術，并在考核標準中予以承認。該教學環節的設計，主要是為學生提供電路設計與制作的實踐機會，增加電子產品調試經驗，而這點也日益在學科競賽（“無碳小車-電控競賽”）中受到關注。

3.2.3 傳感器的選型 傳感器，是整個控制系統（智能小車系統）的眼睛。在任務內容中，傳感器的任務主要有：循跡，即控制智能小車沿著黑線前行；計數，即統計樹木（鉛筆）個數；判斷起、終點標識物。對于循跡，通常使用的傳感器有：灰度傳感器和攝像頭。對于樹木（鉛筆）個數的確定，一般選擇紅外傳感器，在單片機處理上，一般作為外部輸入脈沖的計數來處理。對于起、終點標識物的判斷，可以選擇接近開關作為傳感器，單片機可以將它作為普通的輸入口（開關量信息）處理。

3.2.4 動力單元的調試 動力單元，是整個控制系統（智能小車系統）的執行機構。在該課程中，根據機械平臺搭建部分的闡述，動力系統要么單獨是直流電機，要么是直流電機+舵機組合。實際上，根據控制原理，直流電機和舵機均可以采用PWM波來進行控制。而單片機產生PWM的方式有很多，包括軟件延時法、硬件定時器法和硬件PWM模塊法。這三種方法，性能相當，均可以得到使用。在硬件連接上，直流電機需要增加驅動模塊，常用的是L298N，舵機則不需要。

3.2.5 單片機系統的開發和聯調 單片機系統開發，是本課程的核心。單片機系統的實用化教學，就是從實際應用的視角，本著“用多少，學多少”的理念，主要講解：開發環境的使用（程序的編譯和下載）、I/O操作、中斷、定時/計數器和串口通信等，以學生操作為主。對于學有余力的小組，鼓勵使用高性能的單片機系統（如STM32系統）。

單片機系統的聯調是指將傳感器、動力單元與單片機連接在一起，構成單片機應用系統，并進行聯合調試。具體來說，就是單片機對傳感器的輸入信息進行處理，并根據處理結果輸出控制信號來控制動力單元的動作，構成一個輸入-處理-輸出的閉環系統。

目前，電類學科競賽中，單片機作為控制單元已經無所不在。因此，引入該教學環節，是落實學科競賽“以賽促教”的宗旨，擴大學科競賽的影響面，同時也是為電類學科競賽儲備學生隊伍。

4 考核標準

在考核標準的具體設計上，通過參考現行學科競賽的主流評價方式，結合教務處要求，給出了“比賽成績（占60%）+答辯成績（占25%）+平時成績（占15%）”的成績形成機制。

設計競賽成績占比60%，主要是考慮到該課程任務來源于實際學科競賽題目，她是一個團隊任務，要求組內學生通力合作，才能獲取好的成績。這部分成績，是整個團隊的整體成績。另外，對于采用新技術和新產品的團隊，這部分成績予以按比例提高。

設計答辯成績占比25%，主要是為了檢驗學生的有效參與度和實際獲得感，并切實有效的督促學生參與到團隊任務中去，避免“吃大鍋飯”的現象。另一方面，增加答辯環節，也能夠提高學生的溝通表達能力。這部分成績，是每個學生的個人成績，組內會有差異。

設計平時成績占比15%，主要是考察學生的學習態度、日常出勤和紀律安全等，這是課堂正常教學秩序的有效保證。同樣，這部分成績，也是每個學生的個人成績，組內有差異。

根據對近三年學生的成績統計，用上述考核標準所得到的學生成績分布是合理的，服從正態分布，能夠有效體現區分度。

5 實踐檢驗

從2015年開始，我校工程訓練中心已經連續三年開設《電子信息工程綜合實習》課程，每學期的選課人數在100人左右，課程學生滿意率三年均在95%以上。

該課程開設后，選課學生在學科競賽的獲獎方面也有了重大突破。近三年，在江蘇省機器人大賽的“智能車多車交互”項目中，獲得了多個二等獎和三等獎；在電子設計競賽中，均獲得了江蘇省二等獎。另外，在2016年的光電設計競賽中獲得了全國三等獎，特別是，2017年3月份電控無碳小車競賽中，獲得了江蘇省一等獎（第1名），并在5月份的全國賽中獲得了全國一等獎，獲得了同行的贊譽和學校的表揚。

因此，該課程的開出，對于學生實踐創新能力的培養，“卓工”計劃，和落實學科競賽“以賽促教”的宗旨，意義都是重大的。

6 課程特色

《電子信息工程綜合實習》課程，是作為我校面向電子信息類“卓工”方向學生開設的實踐類專業選修課程開設的，但其意義不僅僅在于此：

（1）實踐以課程方式組織學科競賽的培養訓練體系。本課程通過將學科競賽引入到課程的具體教學中，一方面促進了實踐類課程的教學改革，另一方面也培養、訓練和選拔了學科競賽的學生。

（2）實現多專業交叉融合的學生團隊組織。本課程的選修學生來自于多個學院的多個專業，而課程任務也需要多個專業學生共同完成，因此，在具體的分組中，通過自行分組（或“抓鬮”）方式來實現。這有效促進了學生團隊合作意識和交流溝通能力的培養。

（3）容易實現課程任務多樣性要求，有效解決課程內容老化的問題。課程選擇“智能小車”作為平臺，首先是因為跑道圖案可以靈活變換（整個跑道采用模塊化設計，具體實測跑道賽前通過抽簽合并的方式得到），其次是具體任務可以實現多樣化（比如，“樹木”棵數改為測“隧道長度”——2014年“光電競賽”題目）。

7 結語

《電子信息工程綜合實習》課程是在“卓工”背景下開設的一門實踐類專業選修課，主要特征是將學科競賽的題目綜合和簡化后作為實習訓練的題目，并且，整個教學過程按照學科競賽的流程進行組織。從考核結果來看，整個教學過程組織嚴密、任務明確，教師實習動員與知識講解工作到位，考核標準清晰，這些都是課程順利實施的有力而必要的條件。從學生的反饋信息來看，該課程的開設，對于學生實踐創新能力的培養、團隊合作意識的訓練和工程意識及精神的養成，均有重要意義。

[1]董超，王鑫，劉楠.基于學科競賽驅動的實驗室開放研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2017，36(3)：221-224.

[2]楊志東，陳小橋.學科競賽與創新人才培養模式的探索與研究——以電子類學科競賽為例[J].實驗技術與管理，2016，32(2)：14-17.

[3]劉艷，林相友，逯家輝，等.改革實踐教學推進創新創業教育[J].中國大學教育，2016，(7)：84-86.

[4]林純，吳曉新，王建平.開設“電子系統綜合設計”課程培養學生實踐能力[J].實驗室研究與探索，2015，34(2)：163-166.