電子系統設計實踐范例教學模式探索

許志猛 李娟 陳良琴

[摘 要] 文章利用范例教學法，對電子系統設計實踐的課程內容設置和教學方法改革進行探討?；陂_源的開發平臺，與時俱進地設計出智能電子系統的范例;在教學方法上，以提供的范例為基礎，引導學生獨立完成不同功能智能電子系統的設計，提高學生學習的主動性。

[關鍵詞] 范例教學;開源平臺;電子系統設計實踐

[基金項目] 福州大學第十批高等教育教學改革工程項目“基于范例教學法的《電子系統設計與實踐》實踐教學改革研究”（2017-67）;福州大學一流本科教育教改項目《電路類專業課混合式教學模式改革與實踐》（FDJG20190028）

[作者簡介] 許志猛（1980—），男，博士，副教授，研究方向為無線智能感知與傳輸技術。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0194-02? ? [收稿日期] 2019-11-04

一、引言

加強電子系統設計課程實踐的教學，不僅是電子類專業培養的需求，同時也是適應社會需求、落實教育部提高高等教育質量要求，探索以提高實踐能力為重點的人才培養模式的必然舉措[1]。

與電路等基礎課不同的是，學生在修習電子系統設計實踐課程時，迫切希望能在實踐中設計的系統與生活中常見的電子產品相聯系。近些年來，各種基于物聯網和手機的智能電子產品層出不窮[2]，而我校原有的電子系統設計實踐教學內容已顯陳舊，與快速更新換代的電子產品脫節，無法調動學生學習興趣。為此，本文探討了利用范例教學模式，結合當前流行的開源平臺，進行電子系統設計實踐教學內容及改革的方法。

二、課程教學現狀

筆者自2005年起參與我校電子系統設計實踐教學工作。該課程早期的教學模式是參考全國大學生電子設計競賽的方式，以歷年的競賽題目作為實踐內容。近些年來，隨著電子設計競賽賽題難度的增加以及對元器件、材料和測試環境要求的不斷提高，以賽題為實踐內容已經很難繼續推行下去。因此，課程設計了一些實踐課題供學生選擇。以2010級教學計劃為例，提供的選題包括：①多路智力搶答器;②數字電壓表;③循環彩燈控制系統設計;④紅外遙控收發系統;⑤數字鐘的設計等?？紤]到電子系統設計實踐覆蓋的教學內容較多，為了保證學生可以在規定學時內完成軟硬件設計和制作，在實踐題目的設置上，存在著許多問題。如果題目深度和廣度大一點，大部分學生很難完成實踐內容。因此，從上述選題可以看出，課程提供的許多題目功能單一，并且內容和單片機、電路等課程設計有部分重復，學生不僅學習興趣不高，也無法從課程中學到足夠的新知識。因此，近幾年來，我們通過開放學生自擬實踐題目的方法，嘗試調動學生的興趣和學習積極性。但是，由于學生知識結構的限制，僅有一小部分學生可以提出比較好的課題，大部分學生自擬的課題不是過于簡單，就是直接從網絡上找到的課程設計，無法滿足課程教學的要求。

通過分析，我們意識到學生對課程提供的相對陳舊的實踐題目興趣不大，但是讓他們以生活中常見電子產品為原型來自擬課程實踐題目，又普遍覺得難度太高，無法完成。因此，有必要對電子系統設計實踐的課程內容和教學模式進行改革，從而更好地培養學生實踐動手能力和創新能力。

三、課程教學改革

針對以上情況，我們首先結合范例教學法更新了新的實踐題目。新的題目設置中綜合考慮可操作性、趣味性和與應用銜接等特色，盡量滿足不同學習程度的學生的需求，激發學生參與實踐的熱情。我們設置了三大類實踐題目：第一類是相對比較簡單的控制系統課題，此類課題的范例基于Arduino開源平臺[3]進行開發;第二類是具有聯網功能物聯網控制系統課題，此類課題的范例基于ESP8266芯片的Node MCU[4]進行開發并采用了免費的機智云云平臺實現遠程聯網控制;第三類是具有較高計算能力要求的圖像、音頻和視頻處理系統課題，此類課題的范例基于開源硬件平臺樹莓派[5]進行開發，采用OpenCV[6]和百度語音識別等開源軟件資源實現了圖像和語音識別等功能。由于上述三類課題中涉及的知識內容非常多，無法在有限的學時內對涉及的每一個知識點進行詳細講解，根據范例教學法，我們選用的上述三類課題采用的都是當前比較流行的開源平臺。學生可以從GitHub等許多共享網絡平臺上找到很多的開發案例。因此，我們在設計范例教學內容時，努力使教學內容體現本質的、典型的知識和規律，以便在教學中能起到舉一反三的作用。

另一方面，在教學方法上，根據范例教學法，我們在實踐教學中不是簡單再現和傳授知識、技巧，而是啟發、引導、輔助學生主動積極地通過思考進行學習。因此，為了充分發揮學生的學習主動性，我們在范例設計中，僅給出了最基礎功能的實現方案，要求學生根據我們提供的案例，通過增加附加的軟硬件，自擬一個具有完整功能的電子系統方案，并自行完成相關軟硬件設計和實現。

四、課程教學改革成效

經過兩年的教學改革探索，我們發現，通過精心設計的教學范例和改進的范例教學法，學生可以將學習內容和實際生活中的電子產品聯系起來，保持了較高的學習興趣，同時，在完成自擬題目的設計和制作過程中，學生需要根據自己的知識儲備補充相關知識的學習，學習主動性得到了充分發揮。具體總結如下：

1.由于范例采用了開源平臺，學生普遍反映可以節約在制作基礎硬件平臺上的時間，從而可以集中精力在電子系統的功能設計上進行思考和拓展。教改實施之前學生普遍采用自己焊接的MCS-51單片機作為開發平臺，考慮到單片機系統的調試和制作屬于《單片機課程設計》這門實踐課的教學內容，本課程再讓學生在此方面花費太多時間和精力不太適合。教改實施后，采用的開源硬件平臺具有網絡連接等功能，擴展性強，同時也克服了自制單片機系統穩定性差、調試時間長等缺陷，可以更好地讓學生專注于系統設計方面的學習和實踐，學生自擬的課題功能多樣性顯著提升。

2.課程提供的范例和實際生活中的電子產品具有較強關聯性，同時結合了最新的一些電子產品設計技術，作為開發原型功能擴展性較強。這極大提高了學生的學習興趣。例如，提供的物聯網控制范例為一個可以在手機端遠程識別環境亮度并控制LED亮度的系統，經過簡單修改和擴展，可以構成一系列的智能家居遠程控制產品，而提供的語音識別范例，也可以擴展成當前比較流行的語音控制和智能語音產品，如智能音箱等。學生對自己可以完成一件智能家居產品的設計和制作抱有極大的興趣，學習的積極性和主動性得到了顯著提升。

3.由于電子系統設計實踐的課程教學內容可以很方便地和各類學生實踐創新項目和競賽結合在一起。因此，教改實施后，學生可以直接將實踐內容修改后參與各類競賽和創新項目，有助于多層次的實踐教學體系的建立。例如，2018年選修本課程的學生在完成“基于手勢識別的智能家居控制器”的課程設計后，經過完善和補充，獲得了2019年第九屆“銳智杯”福建省大學生智能設計大賽二等獎。該課題就是從課程提供的第三類范例，基于樹莓派的圖像識別系統中通過學生的自主學習開發出來的。

五、結束語

本文探討了電子系統設計實踐中范例教學法的應用，通過基于開源平臺精心設計的教學范例，以及能夠啟發、引導學生主動積極地通過思考進行學習的范例教學方法，實現了教學效果的提升，并增強了學生學以致用的實踐能力與創新能力。

參考文獻

[1]潘楊，朱磊，張曉丹.工程教育專業認證背景下電子信息工程專業實踐教學體系的改革探索[J].教書育人（高教論壇），2017（30）：87-88.

[2]王海，王志紅，梁科，等.基于物聯網智能家居系統的綜合創新性實驗設計[J].實驗室科學，2015，18（6）：71-74.

[3]劉哲旭，趙珍.基于Arduino開源平臺的電子創新實踐教學研究[J].實驗室科學，2019，22（1）：135-138.

[4]王浩，王東.基于NodeMCU固件平臺的RGB三色燈遠程控制設計與實現[J].軟件工程，2017，20（5）：47-50.

[5]劉瓊.基于樹莓派的應用型開放實驗[J].計算機教育，274（10）：55-57.

[6]李大湘，王小雨.基于OpenCV的《視頻圖像處理與分析》案例教學設計與應用[J].現代計算機（專業版），2018，631（31）：43-46.