電子工程創新訓練項目教學改革：理論付諸實踐

樊 華，謝華江，李蘇杰，王岑涅，葉星寧，陳偉建

（1.電子科技大學電子科學與工程學院，成都 610054；2.成都大學旅游與文化產業學院，成都 610106；3.電子科技大學信息與通信工程學院，成都 611731）

0 引言

隨著電子工程技術的不斷發展，社會對創新型人才提出了更高的要求，高校教育在人才的培養中充當著至關重要的角色。然而當前在高校教育中普遍存在著人才培養方法陳舊、教育體制不合理、管理體制不完善以及迫切需要提高教師隊伍水平等問題［1-4］。例如，部分課程使用的教科書出版于數十年前，但是隨著新技術的不斷涌現，很有必要對教材內容進行及時更新，補充教材知識的最新應用實例。另一個不容忽視的問題是大學生的實踐操作項目普遍不足，許多學生很難透徹理解在大學中所學的理論知識，容易導致學生不知道如何去運用。為此根據當前社會對人才的需求，提出了一種有針對性的教育改革方法，通過鼓勵學生參加創新訓練項目，幫助學生構建完整的知識體系，從而更好地促進學生完成從理論知識向實踐經驗的轉化［5-8］，將理論知識投入到實踐應用中，同時將零散的知識組合起來，使學生對所學知識有更全面的理解。本文介紹了兩個針對改革精心設計的、與課程緊密相關的實踐項目，這些創新項目都是根據學生不同的專業、結合了多門相關課程而設計的。學生通過參與到項目的整個流程中，將會熟悉較完整的實踐應用經驗以及如何將理論知識轉化為實踐技能。這樣的改革將極大地有益于創新型人才的培養［9］。此外，人才的培養也能夠反過來進一步推動科學技術的快速發展。教育改革有望成為實施創新驅動發展戰略的新動力。

1 對電子工程創新教改的探究

1.1 更新人才培養理念，重視實踐訓練

對傳統教學方法的改革在高校教育改革中至關重要，學生的實踐經驗需要得到更高的重視，而不僅僅只注重于課堂教學。創新培訓作為培養創新人才的重要組成部分，應放在教育改革的核心位置。教育改革的關鍵在于人才培養重心的轉移。加強高校對于創新型人才的培養，必須從革新傳統教學思想入手［10-11］。在探索更好的教學方法的過程中，高校應注重培養學生的自主性、探索性、合作性以及創新性，而不是單純地在課堂上教授學生理論知識。

如今許多高校的電子工程學課程體系缺乏整體性，各學科之間的聯系不夠緊密，學生很難建立起完整的知識體系。課程相關的創新型項目是解決這一問題的有效方法，因為學生在完成這些項目的過程中將接觸到多門課程的知識，并需要掌握如何去解決實踐中遇到的問題。教學改革的目的是幫助學生學習如何將課堂所學的專業知識運用到實際項目中，比如通過課程相關項目的實踐。這些創新項目通常是針對不同學科領域的學生而專門設計的，涉及不同的專業背景和相關知識［12］。此外，項目還劃分成多個難度水平的類型，可供學生根據自身的能力做相應的選擇［13-14］。與傳統的統一式教育相比，這種個性化的教育更好地做到了因材施教，因為在大多數情況下，傳統的大學教育過度側重于單一的理論教學，所有學生接受的都是幾乎一樣的知識輸入，而涉及實踐操作的鍛煉嚴重不足，因此這些涉及多個學科知識的創新型項目正好彌補了這一缺陷。圖1展示了一個典型創新項目進展的流程，首先有針對性地提出項目規劃，然后在項目的實施過程中靈活運用所學知識并不斷查漏補缺，最后進行項目完成后的總結和改進。

圖1 典型創新創業項目流程

一個典型的創新項目是傳感器檢測微系統的設計，圖2展示了多門課程的不同知識在該項目中的交叉運用情況。①為了選擇合適的傳感器進行檢測，學生將復習基于傳感器系統課程中的知識，了解不同傳感器的類別和典型的用法。② 可能需要的是設計放大器和濾波器電路，這是在模擬CMOS集成電路設計課程中所教授的，傳感器的直接輸出信號通常比較小，因此需要設計相關電路以放大得到更強的信號，并運用濾波電路來消除引入的噪聲和失調。③為了實現對不同模塊的控制，學生可以利用到嵌入式系統設計課程中的知識。④對于大量輸出數據的處理和分析得出最終結論也是必不可少的一環。⑤ 學生還可以利用電子系統設計課程中的PCB設計和版圖布局技巧。在完成這些項目后，多門課程之間的聯系將變得更加緊密，并且學生也將構建出更完整的知識體系。在遇到問題和解決問題的過程中，學生可以真正地將各個學科不同課程的知識結合起來，更好地將理論付諸實踐。

圖2 創新項目與課程相結合

教材作為高校教育的一個重要組成部分，在學生的理論學習中起著至關重要的作用。正因如此，讓教科書跟上時代發展的步伐是很有必要的。部分版本陳舊的教材應該及時更新，以更好地提高教學質量。例如，舊教材可能缺乏足夠的實踐經驗指導，因為部分電子工程學教材過于側重于理論知識的教學，純粹的理論和公式推導占據了大部分版面，使得教科書內容顯得過于緊密，也從而降低學生的學習興趣。最新的典型實例應該被添加到現有的教科書中去，用來向學生展示一些如何運用理論知識的基本概念，教材中加入更多的互動和實踐內容也將有助于學生理解理論知識如何應用于實際。通過課本上的這些例子，學生將會初步了解該如何解決生活中存在的實際問題，從而更好地吸收抽象的理論知識。

1.2 落實各類資源，為教育改革提供保障

目前看來，社會對于高校創新型人才的培養沒有提供足夠的支持。應該有更多的資源投放在教育環節上。人才培養所帶來的巨大生產力和革新力的意義尚未被全面認識到。高素質人才在經濟發展和社會進步的幾乎每一個方面都做出了重大貢獻。世界各國也越來越重視人才的培養。人才的培養具有極大地促進社會發展的潛力。事實上，許多革命性的突破正是由少數創新型人才發展出來的。在現代社會，不遺余力地讓學生得到充分有效的教育是值得的，因為人才的培養實際上是任何社會發展的核心［15］。

為了確保學生有足夠的機會參與創新培訓項目，高校首先應該給予學生最充分的支持。高校可以充分利用其實驗室和研究平臺，為學生提供更好的研究環境。并且可以設置更多的相應實驗課程，提供更多的實驗設備，以確保學生有足夠的實踐機會。此外，專業課程應有效地納入創新培養計劃。通過這些課程的學習，學生可以有更全面的知識基礎來完成與課程相關的項目，而創新項目的實踐經驗也將促進理論知識和實踐技能的統一。教育改革的結果代表著教育從理論成果到實踐成果，從科技成果到生產力的轉變，應該投入更充足的技術和資金支持來確保創新培養項目的持續開展和完善。

此外，加強學校和企業之間的合作也是意義重大的一項改革措施。吸引更多的社會資源參與到人才培養中，為學生提供不同形式的教育模式也是非常重要的［16］。2018年夏，我校電子科學與工程學院先后與分別位于上海、蘇州、成都等地的13家企業建立了合作關系，并派出117名學生赴企業實習鍛煉。近兩年來，學院與36家企業、研究所等單位保持著密切的聯系，并為學生提供了企業中更為實用的專業實踐技能。來自企業的項目可以讓學生更深入地了解他們所學的知識是如何在現實生活中得到運用的。除此之外，各所高校的教學資源也應該得到相應的合作交流，結合不同學校的優勢共同為學生提供更高質量的教學保障。更全面的培訓不僅能幫助學生學習課本上的理論知識，還能幫助他們獲得同樣重要的實踐經驗。這種合作極大地促進了人才創新培養教育的發展，也為企業帶來源源不斷的新生人才力量，很好地實現了雙贏局面。

2 在創新創業項目中貫穿課堂知識和科技熱點

電子工程學教育改革應尤其注重大學教育與科技熱點趨勢的聯系。需要讓學生感受到科技的逐步發展和革新，這種科技的魅力會引起學生主動學習和創新。創新課程項目是該教育改革的最重要措施之一。與傳統的實驗課程不同，創新課程相關的項目與日常生活緊密相連，側重于解決來源于現實生活中的問題。這樣的項目選題方法最大的好處是讓學生對正在做的項目感興趣，這也勢必使他們對于項目有更強的動力，并投入更多的時間和精力。學生們通常對時下熱門方向有更大的興趣，因此在為創新培養項目選擇主題時，跟上科技的發展趨勢也非常重要。

2.1 智能窗簾項目

創新培養項目中包含的一個典型項目是智能窗簾項目。該項目選題正是源于現實生活中可能遇到的問題。設計這個項目是為了培養學生的實踐和創新能力，幫助學生發現理論和實踐之間更緊密的聯系。近年來，隨著經濟和生活的快速發展，人們對生活質量有了更高的要求，一個更舒適、更方便、更安全的生活空間總是受到人們的期待和追求。智能家居產品可以大大提高生活質量，讓消費者能夠改造出屬于自己的現代家居內飾，智能家居也因此已成為全世界關注的焦點［17］。針對這一趨勢，為電子工程專業的學生設計了一個智能窗簾創新培養項目（見圖3）。與傳統窗簾相比，這種智能窗簾具有許多優點。用戶可以用智能手機通過藍牙連接遠程控制窗簾。在定時模式下，窗簾將通過設置的時間按時打開或關閉。而在自動模式下，窗簾將根據來自光傳感器的信號自動調整其開閉。在這個項目過程中學生將親自動手完成整個智能窗簾系統的搭建，加深對各個模塊功能的理解并將各學科的知識結合起來。

圖3 智能窗簾系統組成模塊

智能窗簾系統主要由用戶部分、控制部分和動力部分組成。用戶部分是指Android系統用戶控制窗簾的智能手機應用程序。控制部分主要是指數據處理模塊，系統的數據存儲和計算也是在這個部分完成。智能窗簾系統需要一個合適的處理器來完成對數據和指令的處理。為了選擇最合適的智能窗簾系統控制器，對Arduino、ExtraCore、BeagleBone Black 和Raspberry Pi 4個開發板進行了分析比較。學生需要從編程語言、速度、大小和價格等多個方面比較不同處理器。最終選擇如圖4所示的樹莓派Raspberry Pi開發板作為智能窗簾系統主處理器。Raspberry Pi集成了ARM兼容的中央處理器（CPU）和片內圖形處理單元（GPU）［18］。Raspberry Pi采用了一個基于Linux的操作系統Raspbian，Python是其主要的推薦編程語言。Raspberry Pi開發板作為控制部分最重要的模塊將處理系統數據和指令、通信模塊、無線模塊、繼電器模塊等其他部分通過數據接口與樹莓派連接［19-20］。Raspberry Pi上連接配置了藍牙模塊，作為連接用戶部分和智能窗簾的橋梁，建立用戶與微處理器之間的數據連接，用戶可以通過藍牙連接向智能窗簾系統發送數據和命令，然后從處理器接收到反饋數據［21］。控制智能窗簾的代碼是用Python編程語言編寫，這對于學生來說相對比較容易上手。利用Python代碼通過處理主處理器發出的命令來實現對繼電器的控制，學生通過編寫這個簡單程序將初步掌握使用編程語言來控制一個系統。該創新培養項目還需要編寫一個簡潔的Android應用程序。學生應該學習簡單的Java編程語言來實現這樣的手機控制應用。APP首頁上有著明顯的拉開／關閉控制按鈕以及一些其他附加功能，如定時功能和自動模式。該應用程序是用Java語言編寫的，適用于Android設備。當用戶在APP中按下按鈕時，相應的指令將通過藍牙發送到智能窗簾系統的處理器Raspberry Pi。處理器接收指令后，將相應的信號發送到Raspberry Pi的輸出端口，由輸出端口控制繼電器的運行。窗簾的動力部分主要由窗簾模型、電動機和繼電器組成。繼電器的狀態取決于Raspberry Pi輸出端口的電壓，由主處理器控制，繼電器進一步控制電動機的電源，窗簾的開閉操作是通過電動機的轉動來完成的，從而完成窗簾的拉拔。智能窗簾系統的框圖如圖5所示。通過對智能窗簾系統的搭建和測試，一方面可以讓學生更好地了解各個模塊的基礎知識和工作原理，另一方面可以顯著提高學生的編程能力。

圖4 Raspberry Pi樹莓派開發板

圖5 智能窗簾系統結構框圖

這個智能窗簾項目是從改善人們期待更舒適生活空間的現實問題的角度來設計的。在對學生進行了關于電子工程學科傳統課程反饋調查后，發現存在一個重要的問題就是部分學生很難將理論知識聯系到實際應用上。而通過完成這個智能窗簾系統的過程，學生的系統設計能力得到了極大的提高，對電路、Linux系統以及編程技能有了更好的理解。這個項目不僅可以提高學生對科研的興趣，還能夠幫助他們熟悉智能家居系統設計的基本流程。在今后基于該類項目的教學過程中，還將進一步開發出更多新的功能和操作模式，使學生的創新思維能力得到更顯著的提高。

2.2 運動檢測器項目

為了進一步提升高校教學質量，理論知識與現實問題的緊密聯系在高校電子工程學教育中顯得尤為重要。正因如此，課程改革中的很多創新訓練項目是從社會熱點話題的角度提出并設計的，這使得它們更容易激發學生的參與興趣。傳感器在現代社會中發揮著越來越重要的作用，傳感器廣泛應用于日常物體中，通常可以檢測溫度、壓力、位移、光、磁場等物理參數并將其轉換為電信號，其重要應用領域包括汽車、機械、醫藥、航空航天等多個方面。為了幫助學生更好地理解傳感器的重要性以及如何應用傳感器，設計了一個需要使用多種類型傳感器的身體活動監測器創新項目。該項目展示了教學改革的核心理念，即從解決日常生活中存在的實際問題的原則出發。生活中普遍存在的一個潛在健康問題是人們經常以不正確的方式舉起重物或鍛煉身體，而這可能會對身體造成嚴重的損害。由此可以預見，如果人們在健身或干重活時佩戴有可以監測身體姿勢的設備，這將可以大大減少受傷的風險，也可以顯著提高運動效果。如圖6所示，本項目將由集成了多種傳感器的可穿戴式運動監測器組成，可實時測量用戶的身體角度和肘部彎曲角度。基于多個傳感器測量到的這些數據，該設備將能夠檢測用戶的身體姿勢和活動能力。

圖6 多種傳感器測量身體姿勢

這個項目中使用到1個STM32F3開發板、1個加速計和4個基于光的曲度傳感器。STM32F3開發板作為微控制器從其他模塊收集數據。學生可以通過STM32F3 DISCOVERY使用基于ARM Cortex-M4混合信號MCU的STM32F3系列輕松開發應用程序。此外，STM32F3開發板還包括有加速計、陀螺儀、USB接口、LED和按鍵開關等組件。加速計將用于檢測用戶的身體傾斜角度，有1°的分辨率，該精度足以滿足本項目的要求。曲度傳感器用于檢測肘部彎曲角度，并且鼓勵學生親自動手制作傳感器，以便于更好地理解傳感器的基本原理。

為了制造曲度傳感器，第一個嘗試是電阻式曲度傳感器，它是通過在兩條銅帶之間放置velostat壓敏電阻片制成的。該傳感器的圖像如圖7（a）所示，基本工作原理是velostat壓敏電阻片的電阻會隨著受到壓力的增大而減小，隨著將傳感器彎曲在不同的角度，傳感器將表現出不同的阻值，因此用這種方法可以檢測到特定的阻值并根據參考值將其轉換為相應的彎曲角度信息。但這類傳感器存在的一個問題是，很難確保用戶每次都將設備佩戴在同一個部位，也正因為如此，傳感器所產生的數值也與彎曲部位有很大關系。這種彎曲傳感器的原理很象壓力傳感器，在應用中也將無可避免地導致一定的誤差，因此該傳感器無法達到在項目中使用所需精度，為了解決這一誤差問題需要設計出一種設備，用以確保用戶每次都準確地將該產品佩戴在同一部位。

然而這樣佩戴固定設備總是受到舒適度或成本的限制，因此另一種類型的曲度傳感器開始受到考慮，即基于光的曲度傳感器。基于光的曲度傳感器的工作原理是，光敏電阻（LDR）的電阻值會隨著入射光強度的降低而增加。當傳感器彎曲時，這種彎曲傳感器將檢測到不同的光強，引起LDR阻值變化從而導致電路輸出電壓發生變化［22］。基于光的曲度傳感器模型如圖7（b）所示，這種類型的傳感器更加適合應用于該項目，因為它只受所檢測到的光強的影響，而光強基本上取決于傳感器的彎曲度。基于光的曲度傳感器電路如圖7（c）所示。經過最后的測試，這種基于光的曲度傳感器被證明符合項目的精度需求。在這個項目中，鼓勵學生自己設計和制作傳感器，通過設計和制作的過程學生將比傳統方式更好地理解傳感器的工作原理，以及傳感器需考慮的如靈敏度、分辨率、偏差等重要參數的意義。

圖7 曲度傳感器

在測試光原理曲度傳感器時，每個傳感器被彎曲成4種程度（不彎曲、輕微彎曲、較彎曲、嚴重彎曲）。為了得到準確的結果，應該盡可能多地進行樣本采集。在這個項目中，對每種彎曲程度的模數轉換器（ADC）輸出進行了1 000次測量。測量結果如圖8所示。x軸上值的范圍是0～3 300的ADC輸出。y軸上的值對應著每個輸出范圍內數值出現的頻率。圖8中的4個峰值分別為4種彎曲程度的平均測量值。直方圖中數值的方差展現了傳感器的精度，圖中的4個峰值及其數值方差用于確定4種程度的邊界，傳感器精度的峰值變化約為25%。測量結果在很大程度上取決于傳感器的質量，在進一步改進設計時可以進一步考慮該問題。最終統計結果代表了傳感器可能的特性，分析數據和測量結果有助于學生決定如何實現一個完整的測量系統搭建，以及怎樣能夠最充分準確地應用這些傳感器。例如，學生可以運用這些數據來判斷用戶正在進行的運動類型（如俯臥撐、深蹲、平板支撐、舉重等），并將這些運動類型進一步整合到應用程序中，以便系統能夠精準地識別它們，并幫助用戶監測正確的運動方式。

圖8 ADC輸出測量結果

在安裝好所有必要的模塊并進行相關測試后，再開發一款Android應用程序來更方便地使用這個身體活動監測器。該應用具有允許用戶通過藍牙模塊連接設備的功能。當用戶連接后，應用程序將讀取從處理器傳輸的數據，然后反饋的數據經處理后會在屏幕上顯示給用戶。這個項目也涉及RTOS（實時操作系統），多個指令可以在不同的時間間隔內處理，這一過程也將使學生更熟悉系統架構。設定傳感器每1 ms

采樣一次，所有采樣數據的平均值每隔2 s發送到APP。處理后的數據將由加速計所測每個軸的傾斜角度和每個傳感器所測彎曲角度來表示。此外，處理器還將同時收集這些測量值并判斷這些值是否在特定的范圍內，以此決策出用戶的運動情況，然后應用程序將根據判斷結果通過語音模塊反饋給用戶。整個系統的結構框圖如圖9所示。

圖9 身體活動監測器系統結構框圖

這個項目旨在從解決生活中切實存在的普遍問題的角度出發，通過搭建這個身體活動監測系統，學生需要將無線通信技術、自動化技術和Android技術等知識相結合，該過程有助于理解各學科和專業之間的聯系。在項目完成后將對項目實現過程中遇到的問題進行詳細的分析，并在未來對該活動監測器進行進一步的優化，所有這些工作都有助于培養學生的創新能力和實踐能力。這種類型的創新創業項目可以讓學生不僅僅明白如何應用理論知識，還包括了在哪些實際層次和場合可以應用到所學的知識。

3 結語

在分析了電子工程學科高校教育的現狀及存在問題的基礎上，提出了相應的教育改革措施。該教育改革尤其重視對于學生實踐能力的培養，實踐經驗在電子工程學科中發揮著越來越重要的作用，引導學生更好地將理論與實踐結合起來應成為高等教育的側重點。通過鼓勵學生參與到創新訓練項目中的教學改革實踐，較好地解決了傳統教學方法中存在的各學科之間聯系不夠緊密等問題。該改革對于高校培養符合當今社會需求的創新型人才有著重要的實際意義，并為電子工程學科教育改革提供了新的探索方向。關于未來的進一步工作，計劃根據學生的項目實踐反饋情況，對課程相關的創新項目進行進一步的擴充和完善，并根據學生不同的專業和掌握程度設計更細致的個性化定制創新項目。