挑戰性實驗案例設計與實踐

謝小東， 李 平

(電子科技大學示范性微電子學院，成都610054)

0 引言

“電子系統設計”是電子科技大學示范性微電子學院面向本科高年級學生開設的一門挑戰性課程［1］。總課時為48學時，其中6學時為理論教學，講授電子系統構架、原理、設計方法等;作為教學主體部分，另有42學時為挑戰性實驗環節。實驗教學目標是:通過實踐項目的開展，培養學生分析解決問題、溝通合作和探索創新等多種能力，促進學生敢于并善于挑戰自我，進行研究型學習［2-4］。

挑戰性實驗有別于驗證性實驗及課程綜合實驗［5-7］，鼓勵學生自立題目，對確有困難的學生，也可以在教師處選擇題目，但這些題目均沒有標準答案，也沒有現成的實驗方案。為達到教學目標，題目必須滿足:①能培養學生系統設計能力;②能綜合應用多門課程知識;③具有一定的應用背景;④具有探索性和挑戰性。

1 實驗題目設計

1.1 學生自立題目

課程非常鼓勵學生通過調研、觀察思考，自己能提出實驗題目。在教師的啟發下，學生們也能提出一些題目的原始想法，但缺乏可操作性。這時就需要教師按照實驗題目的設計要求對這些原始想法進行凝練加工，經與學生反復討論形成實驗題目。比如“禽蛋新鮮度測試系統”，其出自學生提出的“做一個電子系統測試雞蛋是否變質”的想法。最后加工出的實驗課題如下。

(1)實驗任務。設計并制作一個禽蛋新鮮度測試系統(成果形式:硬件+軟件)。測試對象為養殖場提供的新生雞蛋，之后在恒定室溫(25℃)，恒定濕度(50%)條件下分時間長度儲存蛋品樣本。

(2)基本要求。①能區分出適合食用和不適合食用兩個區間的蛋品。(以哈夫值40為分界線，對應的儲存時間為25天。哈夫值是美國農業部蛋品標準規定的檢驗和表示蛋品新鮮度的指標。哈夫值可通過測試蛋品的高度和質量來確定［8-9］。)②誤判率低于20%。

(3)挑戰要求。①采用適當的方法，能對蛋品的儲存時間(新鮮度)進行量化測試，測試精確到2天之內。②誤判率低于5%。

這個實驗具有鮮明的應用價值，除了涉及電子技術知識之外，也跨界到了農業食品領域。要實現蛋品儲存時間的精確判斷，具有相當大的難度，學生除了采用哈夫值作為判斷依據之外，還必須綜合應用蛋品內部氣室高度測量等手段，以及考慮蛋品表面是否有裂紋等多個因素才能實現，基本上是在解決復雜工程問題。該題對學生研究型學習能力能起到很好的鍛煉效果。此類題目還包括“非接觸心率監控系統設計”“疲勞駕駛提醒系統設計”“老人跌倒監測系統設計”等。

1.2 教師提供題目選擇

當然也有部分學生自己提不出想法，就需要在教師處選擇實驗題目。課程組從歷屆全國各類電子設計競賽試題中精心挑選并二次設計了“高精度頻率測試系統”“高保真語音存儲回放系統”“快速高精度水溫控制系統”等多個題目供學生選擇。比如“快速高精度水溫控制系統”。

(1)實驗任務。設計并制作一個水溫自動控制系統(成果形式:硬件+軟件)。控制對象為500 mL自來水，容器為玻璃燒杯，加熱設備為12 V/8 A直流電加熱棒。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度變化時實現自動恒溫控制，以保持設定的溫度恒定不變。

(2)基本要求。①溫度設定范圍為40～80℃，最小區分度為1℃;②環境溫度變化時，溫度恒定控制的靜態誤差≤1℃;③水溫實時顯示。

(3)挑戰要求。①采用適當的控制方法，當設定溫度突變(比如由40℃提高到60℃)時，系統的調節時間要盡量小，溫度超調量≤0.5℃;②溫度恒定控制的靜態誤差≤0.3℃。

該實驗的特點是①能培養學生系統設計能力，包括硬件和軟件系統的設計及聯合調試;②綜合應用了多門課程知識，涉及電路分析、模擬電路、數字邏輯、集成電路原理以及自動控制原理等課程;③具有實用性，原型是科研中常用的恒溫水浴裝置，也可推廣為精確控制系統;④要實現高精度的控制具有相當難度，即具有挑戰性，而且學生需要自主學習閉環控制算法，具有探索性。

無論是學生自擬題目，還是在教師處選擇題目，問題的解決都具有不確定性，給予學生足夠的探索空間;同時，題目達到的指標也具有“上不封頂”的屬性，激勵著學生們挑戰自我，進而增強其勇氣和自信。

2 實驗流程設計

由于挑戰性實驗的開放性，實驗流程的設計也與現有的實驗存在一定差異。

學生與教師討論確定實驗題目后，即著手擬定系統設計方案并撰寫設計方案報告。本實驗建議學生面向實驗室已有的基于XILINX SPARTAN芯片的電子設計自動化(EDA)開發平臺進行設計［10］，該平臺提供控制主芯片FPGA、數碼顯示、控制輸入等硬件資源，實驗也允許學生使用單片機小系統等平臺進行開發。學生需根據各自的題目合理設計電源電路、傳感電路、信號調理電路、A/D采樣電路等硬件部分，同時還需進行探索研究，尋找合適的算法并加以靈活應用來設計軟件系統。本科高年級學生面臨升學及就業，文檔撰寫及演講匯報能力的培養也十分重要，因此本實驗也要求學生撰寫設計方案報告及項目結題報告，并最后制作PPT演示答辯。實驗的完整流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

3 教學設計

挑戰性實驗涉及的知識面較寬，學生們完成的題目各不相同，學生們的基礎及能力也參差不齊，這對教師的教學指導帶來了不小的挑戰。雖然是“一題一議”，但有一些基本的策略方法是普適性的。

課程組首先采用的策略是“因材施教”［11-12］。將學生分為3類:1類是“零設計基礎”學生;2類是“具有一定設計經驗”學生;3類是“學有余力”學生。

針對“零設計基礎”學生，幫助他們盡快上手是關鍵。基于“化繁為簡、各個擊破”的問題解決策略，在教學設計上對任務進行了分解［13］。首先，從任務性質上，劃分為“硬件設計”和“軟件設計”兩部分。建議“零設計基礎”學生先實現硬件系統，而后進行算法的研究。

比如“禽蛋新鮮度測試系統”。在硬件設計層面，將整個實驗根據電路功能模塊進一步劃分為6個小實驗，分步進行探索研究:

(1)進行壓力傳感器(測禽蛋質量)特性測試實驗。隨著質量變化，用萬用表測試傳感器輸出電壓，幫助學生了解傳感器的電氣參數特性。

(2)進行AD特性測試實驗。可通過滑動變阻器分壓等方式作為AD電壓輸入，觀測AD輸出，了解AD輸入電壓范圍、參考電壓、轉換精度、采樣頻率等電氣特性。

(3)進行運算放大器應用設計實驗。在理解了傳感器及AD特性的基礎上，建議學生在面包板上搭建基于運算放大器的傳感器信號調理電路，并與AD對接。借助示波器等儀器，學生調試信號調理電路。

(4)進行AD采樣信號與FPGA聯接調試實驗。FPGA將AD采集到的壓力傳感信號直接通過內嵌的示波器ChipScope［14］功能在計算機上進行顯示觀察。通過與成品電子稱測試值進行對比，可以很方便地調試蛋品質量采集電路。

(5)進行紅外測量蛋品高度實驗。紅外測距模塊輸出信號通過FPGA采集，在計算機上進行觀察。通過與游標卡尺測試值進行對比，調試蛋品高度采集電路。

(6)進行聯合調試實驗。在各部分硬件電路搭建完之后，硬件電路進行整體調試。

在面包板上完成硬件整體調試工作后，學生設計、外協加工、自行購買元器件、裝配PCB板，調試硬件電路。在硬件問題完全解決后，學生就可集中精力進行算法軟件的編制。

在軟件設計層面，建議學生采取“先簡后繁”的策略來進行設計:

(1)直接調用算數模塊實現哈夫值計算。

(2)從處理速度和硬件資源占用角度評價算法，提出改進思路。

(3)引入查表法等改進算法，并與原算法進行比較分析。

(4)綜合應用蛋品氣室測量等手段［15］，改進判斷算法。

(5)根據系統的測試精度指標，進行軟硬件聯合優化。

當然，對于已經具備一定設計經驗或動手能力較強的學生，鼓勵他們自由探索，甚至樂見他們“頭撞南墻”，盡量不要給出方案及具體技術建議以免束縛其思維。因為不管是失敗還是成功的探索，都將是學生們彌足珍貴的經驗。只有在他們遇到不可克服的困難時才施以援手，以防止學生中途因為氣餒而放棄實驗。

對于部分學有余力的學生，則鼓勵他們在項目完成后，“趁熱打鐵”申請各類創新創業項目。課程組也從中發現一些優秀苗子推薦給學校競賽教練團隊參加各類電子設計競賽。

4 考核方式

挑戰性實驗沒有固定答案，對學生的考核主要從實驗過程和實驗結果這兩方面來進行考核。為了保證考核的客觀性，學生需提交一系列材料來反映實驗過程及結果，包括項目設計報告、PCB版圖、系統實物及測試指標參數、項目結題報告、演示答辯PPT。其中，項目設計報告需包含項目任務分析、實現方案論證、電路模塊設計、控制算法仿真等內容。項目結題報告需包含電路硬件設計、軟件設計、系統測試結果、項目總結及改進建議等內容。為方便管理，課程組提供相應的文檔模板供學生套用。

教師從新穎性、復雜性(難度)、實現程度、展示環節等角度對作品進行評分，評分細則為:設計新穎性20%，可從項目設計報告及演示PPT等內容中反映;設計難度30%，可從系統實物、PCB版圖、軟硬件設計中反映，如學生采用集成傳感模塊，則適當扣分;實現程度30%，可從系統實物、測試指標參數及項目結題報告內容中反映;報告及展示環節20%。主要考察學生演講能力、思辨能力。為減少考核及成績評定中的人為因素，課程組3位教師一起參加成績評定，學生的最終成績是3位教師所給分數的平均值。

5 教學效果

課程從2015年開始建設，2016年正式開出。兩年來，對學生實驗題目完成情況的統計(見圖2)表明，7%～10%左右的學生能超額完成挑戰指標，15% ～22%的學生能完成挑戰指標，20% ～25%的學生完成了部分挑戰指標，剩下的學生都能完成基本指標。在評教意見中，學生們也反映通過挑戰實驗的學習，鍛煉了多種能力，獲得了自信。

圖2 學生成績統計圖

2017學年的課程教學效果匿名調查中，46%的學生認為挑戰性實驗極大提高了他們的探索和創新能力，37%的學生認為挑戰性實驗對提高他們的探索和創新能力有幫助。

學生對這門課的教學也比較認可。該課2015～2016學年的學生評教成績是93分，同期學校類似課程平均評教成績為88.56分。2016～2017學年，學校類似課程平均評教成績為89.17分，該課程的評教成績達到了95分。

該課程的教學成果獲得2017年學校“教學改革示范二等獎”及“第五屆全國高校電工電子基礎課程實驗教學案例設計競賽二等獎”。

6 結語

挑戰性實驗能培養學生分析解決問題、溝通合作和探索創新等多種能力，并能促進學生進行研究型學習。但由于挑戰性實驗本身具有的開放性，在實驗題目設計、流程設計、教學設計、考核方法等多個教學層面都值得教師進行深入研究。因此，挑戰性實驗既是對學生能力的挑戰，也是對教師自身素質的挑戰。“電子系統設計”課程進行了一些教學探索、實踐，并取得了一定的教學成果。但“學無止境”，教學研究也沒有終點。下一步，課程組將繼續優化各個教學環節的設計，并探索跨學科實驗內容的建設，使挑戰性實驗向綜合性跨學科方向發展，進一步提升學生的復合創新能力。