“電子系統綜合設計”的實踐教學設計研究

郜東瑞，汪曼青

（成都信息工程大學 計算機學院，四川 成都 610225）

引言

成果導向教育（OBE）是一種以學習成果為導向的工程教育理念，通過目標—措施—評價的閉環結構，以學生為主體，以學到了什么為目的，重點培養學生進入工作崗位后所具備分析問題和解決問題的能力［1-2］。相比于傳統教育模式，OBE教學理念將以教師為中心轉變為以學生為中心，面向學生的專業設置、畢業要求和職業目標，設計教學方法、教學內容和課程體系，有利于教學相長和學習效果的持續改進，已成為工科課程教學改革的新方向［3-4］。因此，筆者結合所在院校的培養目標，以“電子系統綜合設計”課程為例，構建綜合系統設計課程的教學內容、教學技巧和教學考核，達到串聯學生已有知識、培養學生的動手能力、提升綜合素質的目的。

“電子系統綜合設計”屬于工程實踐課程，不是傳統的理論課，需要學生完成多門課程后，具備了相關基本知識后才能學習。該類課程以應用項目為導向，通過培養學生問題分析、文獻調研、項目策劃、項目總結等能力，帶領學生學以致用，將知識轉化為能力［5-6］，是完成OBE教育理念的重要過程。

一、綜合實踐教學的基本設計

（一）“電子系統綜合設計”的基本理念

“電子綜合系統設計”是一個綜合性的工程開發課程，只有各個模塊都能正常工作時，才能保證系統開發的成功。因此，學生在完成C語言、數字電路、模擬電路、單片機等課程后，融會貫通所學相關知識，完成一個系統的開發，將對其所學知識和掌握的能力有綜合的評價和認同感。因此，設置電子系統綜合設計的基本理念是，將系統應用到生活中，并且進行必要的科目分工。

本實踐項目為基于腦電信號的注意力監測系統，以此展開的綜合實踐教學活動的優點在于：（1）該課程是一個團隊項目，有助于培養學生團隊意識，能夠對項目進行合理的分解，培養學生的全局觀，加深學生對學以致用的感受和理解；（2）電子系統綜合設計涵蓋了電路設計、數字電路開發、軟件編程、信號處理等方面工作，涉及學科面廣；（3）相對于其他專業課的實踐課程，本項目提出的注意力監測系統在民用和科研領域中都受到較多關注，此實踐項目應用性強，社會需求廣，能激發學生的參與感和責任感。

（二）實踐教學的內容安排

實踐項目涵蓋了工程項目開發的核心步驟和流程，包括整體方案設計、電路設計與開發、信號處理、嵌入式程序開發、PC機軟件系統開發、驗證與結題等，如圖1所示。上述環節能夠培訓學生實際動手操作能力、工程實施組織能力、分析問題和解決問題能力、文檔撰寫能力。

圖1 實踐項目主要設計內容

學生運用多學科知識進行電子系統綜合設計實踐，在項目最后，要求各組學生根據整個實踐過程編寫實踐報告，包括整個項目具體實施方案，項目過程中測試方法與測試結果，并能夠對試驗結果進行分析，總結項目取得的成果。具體實踐安排為六個方面。（1）針對本項目目標進行調研，包括國內外現狀、實現算法等；制定整體項目實施方案，根據方案模塊進行任務分工。（2）基于腦電信號的特點，設計模擬電路方案，依據方案圖進行PCB設計與制作，并進行焊接調試。（3）依據所采集的信號，進行算法設計，并對算法進行驗證。（4）編寫嵌入式程序，實現與硬件模塊的數據通信，并對讀取的數據進行在線處理。（5）開發軟件系統，實現與硬件模塊的數據傳輸，并對信號進行預處理、在線分析處理等。（6）綜合各個模塊，進行調試驗證；并依據驗證結果編寫項目總結，同時進行項目答辯。

（三）實踐教學的設計技巧

1.分組實施。“電子系統綜合設計實踐”是一個典型的涵蓋多學科知識的課程，涉及電子信息、通信、計算機技術等，系統從前期調研到研發、測試等過程均由學生以團隊形式完成。為此，注意力監測系統實踐項目以分組形式開展，一方面可以培養學生的團隊協作和溝通能力，另一方面小組之間比、學、趕、超，可以培養學生形成良好的競爭意識。

2.問題引導。綜合項目設計強調了學習內容的整合和應用，因此，在綜合設計的過程中教師要引導學生根據實踐問題構建知識框架。例如，要明確問題解決的目標，解析問題涵蓋的知識或技能；在問題的探究和解決過程中，如果遇到“障礙”，要引導學生獲取解決問題的途徑或措施；引導學生根據問題的目標導向，獲得解決問題的能力，這也是促成學生自主學習的重要途徑。

3.階段化考核。實踐項目包括了方案設計、電路開發、程序開發、軟件開發等內容，各模塊環環相扣，任一模塊的出錯都會影響系統性能，因此，設置階段化的考核是確保項目完成的重要環節。在本實踐項目中，方案設計時采用項目開題的方式，由學生闡述項目目標、實施方案和技術路線等；完成整個項目后展示系統的性能，并統計項目開展中的收獲和不足。通過階段化的考核，有助于學生學會及時總結和改進，確保項目的順利開展。

二、綜合實踐教學的考核

（一）實踐項目報告的設計

實踐項目的具體實施，要緊密的參考項目報告，有助于項目的整體規劃把控。本項目報告分為兩個階段，第一階段針對項目開展前需要完成；第二階段為項目總結階段需要完成，如圖2所示。其中，第一階段包括：需求分析，主要調研目前注意力檢測方面國內外主要的檢測方法，以及當前存在的問題等；方案設計，針對實際目標設計整個方案包括的功能模塊；技術路線，根據任務模塊規劃初步的實施路線；任務分工，根據分組學生的人數、特長進行任務分配。第二階段包括：系統測試方案，要求學生根據系統功能，制定具體的測試方法；測試結果，需要學生根據測試情況，進行結果統計；總結分析，要求學生根據實際完成情況，進行總結分析。

圖2 項目報告書的內容設計

（二）實踐項目考核結果分析

根據項目報告書的內容，本項目將課程考核細化，從項目問題分析、方案設計合理性、技術路線可行性、系統完成度、總結報告等多個指標評價考核學生的課程完成情況。表1統計了學生對應得分情況，為了更直觀了解得分，每一部分都按照百分制進行計算。從表中可以看出，第一階段在需求分析、方案設計和任務分工部分，學生得分較高，表明學生對項目的背景調研和整體任務規劃有較好的認識。但在具體方案制定，如技術路線和系統測試方案制定部分的得分較低，測試結果部分也還有較大的進步空間。從實踐項目的整體得分情況來看，學生由于缺少具體的項目鍛煉，平時以學習單一課程為主，缺少多學科知識融合運用的能力，因此該部分平均得分相對較低。

表1 實踐項目得分情況統計

三、體會與思考

綜合設計類課程是高等教育培養學生的動手實踐能力和綜合素質的重要組成部分。該課程教學場所為實驗室，學生通過系統集成設計的訓練來鞏固所需知識、鍛煉綜合應用知識和創新能力。然而，該類課程普遍存在學生缺乏學習興趣、學生綜合能力不足、教師教學方式單一、考核形式單一等問題［7］，形成的教學評價不如預期。

本教學實踐采用了基于項目教學的“電子系統綜合設計”，從項目選題、項目開展和課程考核等多方面開展教學改革。首先，項目選題出于當前熱點，結合學生的知識背景，提升了課程內容的實用性和系統性，大大激發了學生的學習興趣，培養學生的創新意識。其次，將實踐項目分解為不同任務環節，對應從不同角度培養和考查學生的能力和思維：需求分析，考查的是學生從外界搜集信息、歸納整理的能力；方案設計，考查學生全局統籌能力；任務分工，考查學生團隊配合和協作能力；技術路線和系統測試方案，是整個實踐項目的核心部分，考查學生針對已有知識，應用于具體工程項目中的能力，以及分析問題、解決問題的能力；測試結果，主要考查學生數據歸納能力；總結分析，考查學生對已有結果的分析總結能力。在課程開展過程中，采用以學生為主、教師講授為輔的教學模式，調動學生的主觀能動性。最后，課程考核部分采用分階段、多角度考核，由于主要目的是考查學生學以致用，達到OBE目標，因此技術路線和系統測試方案兩部分內容占比較重。課程考核方式的改革能及時、全面、科學的評價學生對知識的掌握情況和能力素養，提升學生學習積極性，提高學生對考核結果的認可度。當然，本教學實踐尚需進一步改進，如在項目開展中期增加過程化考核，在完成腦電采集電路和信號處理算法后進行項目中期檢查，及時對具體實踐中遇到的問題歸納總結，有助于引導學生認識綜合實踐的重要性，督促學生在正確的路線方案上逐步優化。

結語

綜上，綜合實踐是既講求基礎知識，也講求知識的靈活運用能力的課程。從解決實際問題出發，通過分析問題、解決問題的過程構建知識結構，這樣，學生掌握的知識和能力才更具有靈活性和變通性。本門課程設計以搭建注意力監測系統為主線，引導學生開展調研、收集資料、分析問題、提出方案到最后的方案實施和驗證，整個教學過程必須調動多學科知識和多方面能力，是對綜合思維和能力的培養。