漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)

漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系的設(shè)計(jì)

[中圖分類號]TN41；G642[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]10054634〔2022〕03009205

0引言

提高人才培養(yǎng)質(zhì)量是高等教育開展的核心任務(wù)?國家中長期教育改革和開展規(guī)劃綱要〔2022～2022〕》指出，要通過全面實(shí)施高校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革項(xiàng)目，強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提高高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量。隨著社會對學(xué)生實(shí)踐能力要求的提高，實(shí)踐教學(xué)在高校教學(xué)過程中的比例逐漸加大。目前，在大力推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)的過程中，出現(xiàn)2個主要問題：〔1〕各高校實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入逐年增加，但教學(xué)經(jīng)費(fèi)仍相對缺乏，這些問題在工科類院校體現(xiàn)得更加明顯。在高等教育教學(xué)本錢中，實(shí)踐教學(xué)本錢占了相當(dāng)大的比重[1]；〔2〕在實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生仍以被動接受知識、簡單跟隨操作為主要實(shí)踐形式，未能充沛發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性及創(chuàng)新實(shí)踐能力。

如何合理有效地使用實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)，發(fā)揮有限教學(xué)經(jīng)費(fèi)的最大效益，最大化節(jié)約高校理工科實(shí)踐本錢，同時能夠通過實(shí)踐教學(xué)，充沛提高學(xué)生主動的進(jìn)行創(chuàng)新性學(xué)習(xí)和實(shí)踐的能力，是高等學(xué)校亟待研究解決的問題。近年來，燕山大學(xué)電子信息科《W與技術(shù)專業(yè)通過漸進(jìn)式教學(xué)設(shè)計(jì)辦法，減少了以實(shí)物設(shè)計(jì)為載體的實(shí)踐教學(xué)本錢，實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的合理支配，使學(xué)生的實(shí)踐活動由被動的模仿式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膭?chuàng)新性實(shí)踐。

1高等學(xué)校實(shí)踐教學(xué)運(yùn)行現(xiàn)狀

本文所波及的實(shí)踐教學(xué)，主要是指與專業(yè)課程教學(xué)配合的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，所波及的實(shí)踐教學(xué)本錢主要是指用于實(shí)踐教學(xué)，如課程設(shè)計(jì)以及學(xué)生實(shí)訓(xùn)等教學(xué)活動所需耗費(fèi)材料的購買費(fèi)用。

傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要是針對大學(xué)某一課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，利用所學(xué)的知識，通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，完成一項(xiàng)波及本課程主要內(nèi)容的綜合性、應(yīng)用性的題目。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)把教學(xué)范圍拓展到了實(shí)踐中，有利于促進(jìn)課程教學(xué)目標(biāo)的完成。但是這種針對某一課程專門設(shè)置的課程設(shè)計(jì)，與后續(xù)其他課程設(shè)計(jì)之間相互關(guān)聯(lián)度不大。造成以實(shí)物設(shè)計(jì)為載體的某門課的課程設(shè)計(jì)工程完成之時，也是所設(shè)計(jì)的實(shí)物變成電子垃圾之時。在教學(xué)耗材的購買，示例電子元器件的采購等方面，存在大量的資源浪費(fèi)；同時循環(huán)產(chǎn)生大量的不可回收的電子垃圾，對環(huán)境也造成一定的影響[2]。這些相互不關(guān)聯(lián)的以實(shí)物為載體的課程設(shè)計(jì)使高校的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)缺乏的問題更加嚴(yán)重。

另一方面，由于學(xué)校實(shí)踐經(jīng)費(fèi)與教師實(shí)踐教學(xué)投入缺乏等多方面原因，導(dǎo)致課程設(shè)計(jì)工程單一，短少系統(tǒng)化、創(chuàng)新性以及延續(xù)性的考慮。學(xué)生只是被動地跟隨教師或者實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行模仿式實(shí)踐，創(chuàng)新性和主動性不能充沛發(fā)揮，不能到達(dá)實(shí)踐性課程的預(yù)期結(jié)果。在某一課程的課程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)出的工程作品及學(xué)到的技能，未能在后續(xù)課程中繼續(xù)得到深入挖掘和提高，而學(xué)生以課程設(shè)計(jì)實(shí)踐為根底進(jìn)行課外創(chuàng)新性實(shí)踐更無從談起。

實(shí)際上，高校中任何一個專業(yè)所有的課程設(shè)計(jì)都是為學(xué)生的綜合專業(yè)技能開展效勞的，相互之間必然存在一定的關(guān)聯(lián)。根據(jù)這些關(guān)聯(lián)，搭建循序漸進(jìn)的教學(xué)體系，打破課程設(shè)計(jì)間的壁壘，統(tǒng)籌規(guī)劃，是實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)本錢優(yōu)化使用的可能途徑。采用循序漸進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系，使得上一級工程能夠進(jìn)入下一級實(shí)踐環(huán)節(jié)，充沛發(fā)揮和擴(kuò)展每一級實(shí)物設(shè)計(jì)的功能，減少資源的浪費(fèi)，從而最大化的節(jié)約實(shí)踐教學(xué)本錢[3]；在課程設(shè)計(jì)過程中，增加可以充沛發(fā)揮學(xué)生主觀能動性的創(chuàng)新性實(shí)踐工程，采取競賽等形式進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的實(shí)踐熱情和創(chuàng)新思維。3年的教學(xué)實(shí)踐證明，這一循序漸進(jìn)式的實(shí)踐教學(xué)體系很好地優(yōu)化了教學(xué)本錢，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

2循序漸進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系搭建

電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)是教育部于1998年特設(shè)的新專業(yè)，該專業(yè)涵蓋了無線電物理、電子學(xué)與信息系統(tǒng)、信息與電子科學(xué)3個舊的本科專業(yè)，對學(xué)生的現(xiàn)代電子技術(shù)應(yīng)用、現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力有比擬高的要求，該專業(yè)順應(yīng)了我國電子信息產(chǎn)業(yè)開展的需要，有較大的開展和提升空間。

電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)對學(xué)生實(shí)踐能力有著較高的要求，傳統(tǒng)的紙上談兵教學(xué)模式在日益嚴(yán)重的就業(yè)形勢面前迫切需要改革。從社會對于電子項(xiàng)目師的要求出發(fā)，搭建了以培養(yǎng)學(xué)生硬件電路設(shè)計(jì)、電路板焊接與測試、現(xiàn)代電子儀器的使用、單片機(jī)軟件開發(fā)、工程規(guī)劃與開發(fā)等能力為主的實(shí)踐教學(xué)體系[4，5]。該實(shí)踐教學(xué)體系打破了各課程設(shè)計(jì)之間的壁壘，統(tǒng)籌規(guī)劃、總體考慮，以實(shí)踐本錢最優(yōu)化、學(xué)生能力全面化為目標(biāo)，制定了3個循序漸進(jìn)、緊密相關(guān)的階段，分別為PCB電路設(shè)計(jì)與焊接〔第3學(xué)期〕、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)〔第4學(xué)期〕、電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)〔第5學(xué)期〕。3個階段課程設(shè)計(jì)材料和設(shè)備統(tǒng)一采購，統(tǒng)籌規(guī)劃，每個設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，持續(xù)提升和開發(fā)設(shè)計(jì)工程的功能，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生全面實(shí)踐創(chuàng)新能力的分階段培養(yǎng)。

為了促進(jìn)學(xué)生課外實(shí)踐的展開，本專業(yè)從2022級開始就將電路類以及計(jì)算機(jī)語言類課程提前，將?電路原理與分析》?模擬電子技術(shù)》?數(shù)字電子技術(shù)》分別提前到了第2、3、4學(xué)期，?C++面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》課程提前到了第2學(xué)期。而?單片機(jī)原理與應(yīng)用》課程放在了第4學(xué)期。因此，PCB電路設(shè)計(jì)可以為充沛理解和掌握電路相關(guān)知識打下根底，同時該課程設(shè)計(jì)單元所設(shè)計(jì)的電路是基于STM32單片機(jī)的多功能開發(fā)板，可以讓學(xué)生在此設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)和掌握最根底的單片機(jī)知識，為后續(xù)單片機(jī)理論課以及單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)打下良好的根底。學(xué)有余力并且感興趣的學(xué)生，可以在課下自學(xué)一些單片機(jī)知識，結(jié)合所設(shè)計(jì)的單片機(jī)開發(fā)板，完成一些課外實(shí)踐工程。實(shí)踐證明，這樣一個實(shí)踐系統(tǒng)序列大大促進(jìn)了后續(xù)單片機(jī)理論的學(xué)習(xí)，本專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)成績優(yōu)秀率遠(yuǎn)高于其他專業(yè)學(xué)生，到達(dá)了65%的優(yōu)秀率。經(jīng)過電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)4年來的實(shí)踐教學(xué)檢驗(yàn)，筆者認(rèn)為該實(shí)踐教學(xué)體系極大地節(jié)約了實(shí)踐本錢，在提高經(jīng)費(fèi)使用效率的同時，學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力也得到了很大的提升。3年來，以學(xué)生為主體，獲批創(chuàng)造專利和軟件注冊權(quán)4項(xiàng)，國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練方案9項(xiàng)，省級以上競賽獎項(xiàng)20余項(xiàng)。

3電子信息科學(xué)與技術(shù)實(shí)踐教學(xué)體系詳解

下列面分別從PCB電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)、電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)3個方面解析本專業(yè)循序漸進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)體系的構(gòu)成。

3.1PCB電路設(shè)計(jì)與焊接

印刷線路板〔printedcircuitboard，下列簡稱PCB〕是電子元器件的撐持體和電氣連接的載體。從2022年開始，我國也已經(jīng)取代日本成為全球產(chǎn)值最大的PCB生產(chǎn)基地和技術(shù)開展最活潑的國家。電子產(chǎn)品的焊接是電子產(chǎn)品制作過程中非常重要的環(huán)節(jié)，1名合格的電子項(xiàng)目師如果想開發(fā)出1款工藝簡單、器件封裝適宜的產(chǎn)品，必須要了解焊接，尤其是現(xiàn)代貼片焊接技術(shù)的全過程。因此PCB電路設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電子、電氣類及相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)技能課之一[6]。在學(xué)校的電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)方案中，將PCB電路設(shè)計(jì)與焊接設(shè)置成了1門必修的專業(yè)根底實(shí)踐課，時長為3周。

電子項(xiàng)目師完成PCB電路設(shè)計(jì)過程是先利用EDA軟件進(jìn)行電路版的繪制，然后再進(jìn)行焊接和調(diào)試。但對于沒有接觸過電路板實(shí)踐的學(xué)生來說，這個電路板繪制的過程猶如理論課程一樣干燥無味。因此，該階段的設(shè)計(jì)先由教師根據(jù)自己多年的經(jīng)驗(yàn)及教學(xué)心得，按照循序漸進(jìn)式的電路板設(shè)計(jì)理念，給出電路板的主體架構(gòu)，進(jìn)行電路板各局部功能講解、焊接，然后再進(jìn)行電路板的《L制與仿真。這樣的PCB設(shè)計(jì)流程，可以讓學(xué)生在EDA軟件學(xué)習(xí)過程中，將一些抽象化的電路符號轉(zhuǎn)化為形象的電路模塊，非常方便地幫忙學(xué)生理解和掌握。課程設(shè)計(jì)過程中，教師及時對各環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)和關(guān)鍵提示，有助于學(xué)生快捷地掌握相關(guān)知識，緩解學(xué)時緊張的問題，該局部內(nèi)容分4個階段完成。

1〕電路板功能分析和電子元器件選擇。此階段充沛考慮了本錢與功能這兩個矛盾面，結(jié)合循序漸進(jìn)的實(shí)踐體系的要求，設(shè)計(jì)出基于STM32單片機(jī)的多功能開發(fā)板，板上除晶振外的所有的IO口全部引出，板載十多種外設(shè)及接口，可以充沛挖掘STM32的潛質(zhì)，極大地方便學(xué)生在后續(xù)課程設(shè)計(jì)以及課外科技活動中擴(kuò)展及使用[7，8]。

STM32EVM主要由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口下載及通信模塊、外設(shè)模塊及電源模塊構(gòu)成。板載了8個LED燈、3個按鍵、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、8路紅外檢測模塊。其中，電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外檢測模塊和外置的智能小車底盤可以讓學(xué)生完成智能小車的控制、紅外循跡和紅外避障功能，培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力。電源模塊主要為開發(fā)板電路供電，分為兩局部：第一局部為USB供電及電源轉(zhuǎn)換電路，主要是在該開發(fā)板獨(dú)自使用的時候使用；第二局部為外置鋰電池供電及電源轉(zhuǎn)換電路，主要是在該開發(fā)板作為控制板，與智能小車底盤共同使用的時候使用。圖1為本專業(yè)設(shè)計(jì)的基于最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的PCB板電路圖，具有較大開發(fā)和升值空間。

2〕PCB焊接和調(diào)試。該階段通過學(xué)生實(shí)際接觸到PCB板，對電路板產(chǎn)生直觀的認(rèn)識，了解常用電子元器件形狀和封裝特點(diǎn)，掌握貼片焊接和直插孔焊接等電路板焊接技能，尤其對現(xiàn)代工業(yè)最常使用的貼片焊接的流程有分明的認(rèn)識；掌握鋼網(wǎng)、回流焊機(jī)、電烙鐵、熱吹風(fēng)等焊接工具的使用以及電路板的測試和調(diào)試過程。

3〕PCB板的繪制與仿真。經(jīng)過PCB功能分析與焊接之后，學(xué)生對電路板設(shè)計(jì)有了初步的了解。接下來就是EDA設(shè)計(jì)軟件AltiumDesigner15的學(xué)習(xí)。該軟件是主流的EDA設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)與繪制。此過程，教師負(fù)責(zé)進(jìn)行繪制辦法演示、指導(dǎo)、規(guī)那么檢查以及驗(yàn)收。通過此過程，學(xué)生可以通過原理圖繪制和封裝設(shè)置，電氣法那么測試、導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計(jì)繪制PCB圖，掌握PCB項(xiàng)目及完整的電路圖建立的過程。圖2是學(xué)生自主焊接和繪制的PCB電路板圖。

4〕電路板的調(diào)試――單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)根底入門階段。為了提升學(xué)生的成就感，該階段必須讓學(xué)生自己焊接出的電路板工作起來，因此在完成電路板的設(shè)計(jì)后，結(jié)合單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，完成電路板功能的進(jìn)一步開發(fā)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，快速上手STM32。從STM32固件庫、新建項(xiàng)目、編譯和下載程序出發(fā)，學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)的根底功能和常用外設(shè)。通過流水燈和按鍵實(shí)驗(yàn)，掌握STM32的GPIO的原理和控制辦法；通過中斷實(shí)驗(yàn)，掌握EXTI外部中斷輸入辦法；通過串口通信，實(shí)驗(yàn)掌握單片機(jī)和電腦的信息交互的辦法。該電路板功能的進(jìn)一步開發(fā)和價值提升可在后續(xù)的課程設(shè)計(jì)中逐漸發(fā)揮出來。

3.2單片機(jī)程序設(shè)計(jì)與開發(fā)

本階段的課程設(shè)計(jì)，使用學(xué)生自制的基于STM32單片機(jī)的開發(fā)板，以C語言為根底，以uVision5IDE集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)工具，通過實(shí)例講解、學(xué)生練習(xí)、自主工程設(shè)計(jì)的形式，由淺入深，到達(dá)即學(xué)即用的效果，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和獨(dú)立開發(fā)能力。經(jīng)過PCB設(shè)計(jì)階段的STM32單片機(jī)的根底功能和常用外設(shè)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的根底入門。因此，在這一階段可以順利進(jìn)入基于學(xué)生自制的STM32單片機(jī)開發(fā)板的高級功能擴(kuò)展，該局部主要分3階段進(jìn)行。

1〕根底功能擴(kuò)展階段。通過STM32的高級外設(shè)和常用的通信協(xié)議、ADC和DAC實(shí)驗(yàn)、器件DHT11、AT24C02、W25Q64的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握信號采集和輸出的功能、電子設(shè)計(jì)中常用的單總線協(xié)議、IIC協(xié)議和SPI協(xié)議，掌握示波器在信號采集與處理中的作用。

2〕傳感器模塊學(xué)習(xí)階段。該階段利用自制開發(fā)板板載的10多種外設(shè)及接口，使學(xué)生了解和使用各種傳感器模塊，如紅外感應(yīng)模塊、聲音檢測模塊等十幾款信息采集傳感器；步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器模塊、繼電器模塊等輸出執(zhí)行傳感器；還有一些高級輔助模塊，如無線傳輸模塊NRF24L01、WIFI模塊ESP8266、三軸加速度/陀螺儀模塊MPU6050、液晶顯示模塊OLED12864等等，為后續(xù)綜合性的自主設(shè)計(jì)與開發(fā)打下根底。3〕綜合性的自主設(shè)計(jì)與開發(fā)階段。經(jīng)過前面階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握了基于STM32的軟件編程和常用傳感器模塊的使用。為了充沛發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性精神、團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識及電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)能力，該階段特別設(shè)計(jì)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽。采用抽簽形式將學(xué)生進(jìn)行分組，每組3人。小組根據(jù)現(xiàn)有的STM32開發(fā)板和傳感器模塊，在4天時間內(nèi)完成下列任務(wù)：工程及創(chuàng)新點(diǎn)提出、作品原型制作、軟件開發(fā)、聯(lián)合調(diào)試、辯論。最終以比賽形式進(jìn)行工程作品驗(yàn)收，評委根據(jù)工程的難易度、完成度、創(chuàng)新性、外觀和辯論情況進(jìn)行打分和評獎。

由于元器件以及外圍模塊數(shù)量有限，為了降低學(xué)生提出工程的相似度，開課第1天就給學(xué)生布置調(diào)研任務(wù)，要求學(xué)生在2天內(nèi)完成工程名稱的提出，指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)對學(xué)生工程的相似性、創(chuàng)新性、難易度進(jìn)行把握，相似的工程進(jìn)行刪除，重新讓學(xué)生商定題目。工程發(fā)展前，進(jìn)行開題報告，學(xué)生簡要匯報工程的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)辦法。教師針對學(xué)生工程的整體思路指導(dǎo)，不同組也可參加討論，努力提高工程的創(chuàng)新性和綜合性。事實(shí)證明，這種提前審題以及開題審查相結(jié)合的方法，對于降低學(xué)生工程相似度，提高工程綜合質(zhì)量有很大的幫忙。比方，同樣是濕度傳感模塊，引申出3個不同類的模塊應(yīng)用環(huán)境：能夠自動尋光提高晾曬效率的智能晾衣架，能夠?qū)崿F(xiàn)自助澆水、采用呼吸燈顯示花卉生存環(huán)境好壞的智能花盆，以及能夠?qū)崿F(xiàn)光、水、空氣自主控制的智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)，分別利用濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了衣服濕度、花盆土壤濕度和大棚土壤的濕度測定。

經(jīng)過本次課設(shè)，學(xué)生的基于單片機(jī)的自主開發(fā)能力、編程能力、設(shè)備使用和調(diào)試能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力有了大幅提高，參與性和主動性得到了充沛發(fā)揮。在該階段涌現(xiàn)了大量的創(chuàng)新性題目，如具有水量和水溫測量與顯示、警告和定時提醒功能的智能水杯，具有手勢辨認(rèn)、實(shí)現(xiàn)垃圾分類的智能家用垃圾桶，基于超聲波檢測的兒童坐姿矯正儀〔如圖3所示〕等，有3個作品被選中加入2022年在燕山大學(xué)舉辦的CDIO亞洲區(qū)域會議作品展。

3.3電子設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)

經(jīng)過PCB焊接與測試、單片機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用的實(shí)踐性訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)可以進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)和設(shè)計(jì)。為進(jìn)一步穩(wěn)固學(xué)習(xí)成果，繼續(xù)提高學(xué)生的電子設(shè)計(jì)能力