通過實踐課提高學生的電子系統設計能力

【摘要】該文分析了獨立實踐課的設置背景，詳細介紹了《電子技術綜合實踐》課程的教學內容、教學要求及考核方式。經過幾年的教學實踐與總結，探索出通過獨立實踐課提高學生動手能力的一種有效的教學模式，取得了顯著效果。

【關鍵詞】實踐教學;教學改革;電工電子

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)04—0132—03

引言

高等教育提出朝著“寬口徑、厚基礎、重能力”的方向發展，培養適應能力強、發展潛力大的復合型人才是高等教育追求的目標。電子信息類專業主要培養具有寬厚電子技術和信息系統的基礎理論、較強的電子信息系統設計實踐能力、科學的思維方法、獨立分析問題和解決問題的能力、能從事各類電子設備和智能儀器的研究、設計、制造、應用和開發的應用型工程技術人才。

當今世界，電子產品層出不窮，并且向智能化方向發展，這樣日益凸現出單片機和FPGA等可編程器件在電子產品設計和創新中的重要性，用人單位普遍要求求職的畢業生能夠掌握單片機的基本原理和設計方法，有的單位甚至要求畢業生具有基于單片機系統的電子產品的設計經驗[1]。電子系統設計主要是指基于單片機控制的完整應用系統的設計，包括系統軟硬件設計及系統調試等多方面的知識。電子系統設計課程體系是以《單片機原理及應用》課程為核心，由《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《感測技術》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等相關課程組成。

一 設課背景

學生經過《模擬電子技術》、《數字電子技術》、《單片機原理及應用》、《感測技術》、《電子設計自動化》、《可編程邏輯器件及應用》、《C語言程序設計》等課程的學習，通過教師教學和隨課的驗證性實驗，對于電子信息領域的相關理論知識有了了解和掌握，基本能夠進行單元電路的設計和調試，但驗證性實驗多數是教材內容的演示和再現，學生基本沒有進行系統級的設計和實訓，綜合實踐能力有待提高，學生沒有發揮自己的主觀能動性，不利于創新性人才的培養。

通過分析學生參加多屆電子設計競賽的情況，我們發現，按傳統理論教學和實驗方法培養的學生，在參加電子設計競賽時，會出現很多問題，達不到預期目標。比如:對某一功能電路進行設計，理論上設計正確但在工程上卻無法實現;單元電路正確卻無法實現系統聯調;各模塊功能實現卻無法完成一個系統等等。這是因為電子設計競賽既不是單純的理論設計競賽，也不僅僅是實驗競賽，而是由一個參賽隊共同設計、制作完成一個有特定工程背景的題目的競賽。電子設計競賽不僅要在單元電路上實現預期功能，更要考慮模塊間的接口關系;它既強調理論設計，更強調系統實現;它考核了學生綜合運用基礎知識的能力，更注重考察學生的創新意識，在2009年的全國大學生電子設計競賽中又增加了性能價格比和節能減排方面的考核內容，更加貼近工程實際和產品設計。從所涉及的課程內容上看，已經不是競賽題目一門或者幾門課程所能解決的，而是一個由相關課程組成的課程群。再從競賽使用的器件上看，有很大一部分是理論教學中沒有講授和更新的，因為電子信息技術的發展太快，新技術、新器件層出不窮，傳統的教學方法和體系面臨了嚴重的挑戰，如果不進行改革，建立一個新的理論課和實踐課教學課程體系，就無法適應培養現代化人才和發展高等教育的需要。

高等學校培養的人才最終是為社會和國家服務的，學生經過四年的本科學習，最終要走向社會，從畢業生的就業情況看，絕大多數畢業生從事電子信息相關的工作[2]。統計發現，到企業進行產品研發的學生通常是電子競賽獲獎或參加了電子競賽培訓的學生，動手能力較強，而從事銷售、服務等工作的畢業生很大比例是不能夠進行研發，不得已才去做銷售、服務的。為了使學生掌握電子系統的設計與開發，在相關理論課教學完成后我們開設了一系列的獨立的綜合設計實踐課，對學生開放實驗室，學生可以集中時間完成一系列的綜合性、設計性實驗項目，鞏固理論教學內容，提高學生的綜合設計能力和設計水平，為參加各級電子設計競賽和以后就業打好基礎，一舉兩得，事半功倍[3]。

二 實踐課設置情況

系列實踐課的設置遵循認知規律，是在隨課實驗基礎上的擴展和深入，經過調研和討論，聽取兄弟院校、相關企業和畢業生的意見和建議，在培養學生動手能力方面除了專業實習和畢業設計環節外，設置了一系列的獨立實踐課，分布于各個學期的教學中。以電子信息工程專業培養方案為例，實踐課設置情況如表1所示:

實踐課的教學基本上在相關的理論課程教學完成后進行，保證學生在進行實踐課時已經完成先導課程的學習和驗證性實驗，除《電子技術綜合實踐》，其它多數實踐課是對某一課程的強化和拓展。

三 《電子技術綜合實踐》教學過程

在系列獨立實踐課中，《電子技術綜合實踐》是關鍵性的教學環節，是最貼近電子設計競賽和實際工作應用的課程，要求綜合模擬電子技術、數字電子技術、傳感器、單片機、FPGA等多方面的知識。該課程強調以學生為主體，允許學生自由選題，題目的難度一般介于驗證性實驗和畢業設計之間。

本課程使學生能夠較系統地掌握電子系統設計的全過程，包選題、文獻查閱、方案論證、器件選擇、電路設計、電路實現、軟件編程、裝配調試、系統測試、總結報告、文檔整理等。學生完成由單元設計向系統設計的過渡，掌握現代化儀器設備在系統設計和實踐中的應用。課程充分發揮學生的主觀能動性和創造力，培養學生的獨立工作能力以及協作精神，并通過該課程選拔參加各類設計競賽的參賽選手。

1 題目設置

在該實踐課的教學上我們選擇了多個有代表性的、難易不同的實踐題目供學生選擇。具體題目有:液體點滴速度監控裝置、電子秤的設計與制作、智能電梯控制系統、水溫控制系統、脈搏測量儀的制作、直流數控穩壓源、數字式液量測量系統、轉速控制測量儀、數據采集系統、信號發生器、智能小車等等。這些題目基本上都是綜合性、設計性的，有的題目是歷年電子設計競賽題目的簡化或分解。以液體點滴速度監控裝置為例，該設計要求制作一個液體點滴速度監測與控制裝置，如圖1所示，實現的功能有:

(1)在滴斗處檢測點滴速度，并制作一個顯示裝置，能動態顯示點滴速度(滴/分)。

(2)通過改變h2控制點滴速度，也可以通過控制輸液軟管夾頭的松緊等其它方式來控制點滴速度。點滴速度可用鍵盤設定并顯示，設定范圍為20-150滴/分，控制誤差范圍為設定值 10% 。

(3)調整時間≤2分鐘(從改變設定值起到點滴速度基本穩定，能人工讀出數據為止)。

(4)當h1降到警戒值(2~3cm)時，能發出報警信號。

這個題目中對點滴速度和液面位置的檢測要用到傳感器，要有聲光報警電路，需要電機改變h2高度來控制點滴速度，整個系統由單片機進行控制，通常選擇PID算法來調整點滴速度。從實用和智能化角度出發，可以擴展成網絡，采用簡單的RS-232通訊實現從站和主站之間的通信，實現智能化管理。

學生在選題過程中進行引導，避免多組學生選擇同一題目，學生也可以自主擬定題目，經過指導教師審核即可。學生3人為1個小組，成員有所分工。

2 教學要求

(1)綜合運用EDA軟件

學生根據所選題目進行方案設計，對方案中的電路進行設計計算，包括元器件的選擇和電路參數的計算。要求學生通過各種EDA軟件進行仿真驗證，選擇Multisim7、Proteus、ISE等軟件進行相關仿真實驗。

(2)硬件電路制作

設計方案經指導教師審查通過后，學生領取所需元器件等材料，設計PCB電路板并且自己加工，最后焊接制作電路并調試。

本課程教學采用了“模板化”設計方法，將學生設計調試好的A/D轉換器、D/A轉換器、鍵盤、顯示電路“模板化”，使系統設計的局部和整體有機結合，提高了實驗資源的利用率和實踐效率，“模板化”后的單元電路在電子設計競賽中也可使用。

(3)軟件的編制與仿真。根據已設計出的軟件系統流程圖，編制出各功能模塊的子程序及整機軟件系統的主程序，程序設計時，要充分考慮與所設計硬件電路的連接及有關指標要求。向學生推薦使用C語言進行單片機的編程與開發，用C語言進行程序開發更方便移植，貼近實際工程背景，適合開發大型的工程應用程序。

(4)系統聯調。學生集中在1周內完成所選題目，3個學生為1組，按照模塊化設計方式有所分工，當每個同學所負責的模塊調試成功后進行系統聯調，要求學生之間相互配合，遇到問題一起找原因、想辦法，而不是相互埋怨、推脫責任，培養學生的合作精神，積累系統調試的經驗，培養學生分析問題和解決問題的能力。

(5)撰寫實踐總結報告。

書寫高質量的工作總結是反映工作實踐素質高低的一個重要方面，工程技術人員應能用書面形式系統、完整、清晰地表達自己的研究成果，其目的是讓人很容易地看懂所研究課題的內容、方案、原理、實現方法等。因此，書寫實踐總結報告也是實踐課考核的主要內容之一。

3 考核方法

(1)設計方案正確性與合理性，綜合考慮性能價格比和系統功耗。

(2)實踐動手能力，包括PCB設計水平、安裝工藝水平、焊接工藝水平。

(3)設計成果，達到的指標。

(4)調試中分析和解決問題的能力，創新精神。

(5)題目的難易程度。

(6)獨立工作能力，實踐工作態度。

(7)總結報告完成的質量。

四 教學效果

經過幾年的教學和改革，對學生動手能力的培養取得了較好的效果。2005年以來，學生參加了全國大學生電子設計競賽和浙江省大學生電子設計競賽，共獲3個全國一等獎，2個全國二等獎，4個省一等獎，6個省二等獎。近5年，本科生一次就業率年均在90%以上，多數畢業生到企業從事研發工作，少數畢業生獨立創業、注冊公司進行電子產品的設計與開發。

此外，學生參與教師科研項目、獨立申報承擔浙江省新苗計劃項目、浙江省大學生創新項目、校級學生科研項目的數量都顯著提高。

五 結束語

實踐課主要體現在對實際工程應用系統或產品的研制，使學生經歷從課題任務的提出到方案的論證、設計，軟件及硬件的開發、聯機調試等若干步驟。學生通過自己設計實驗電路、實驗步驟、實驗方法等，綜合應用電子技術的能力、理論聯系實際的能力得到了很大的提高，促進了學生創造性思維的發揮。這些實踐課是在理論課教學和相應驗證性實驗基礎上的深入和提高，是對學生電子系統設計的綜合性訓練，這種訓練培養了學生工程實踐能力、獨立工作能力及創新能力。

參考文獻

[1] 王劍.電子系統設計課程體系改革的探討[J].長江大學學報(自然科學版)，2009，6(2):377-378.

[2] 張家棟，房海蓉.加強開放實驗平臺建設促進學生創新能力培養——以北京交通大學為例[J].現代教育技術， 2009，19(7):132-134.

[3] 曹建樹，薛龍，蔣力培等.單片機創新實踐教學改革與實驗室建設[J].實驗室研究與探索，2005，24(9):4-6.