基于應用驅動的“模擬電子技術”實驗教學改革研究

曾凡菊 譚永前

（凱里學院大數據工程學院 貴州·凱里 556011）

模電課程是高校電子類、信息類等理工科專業的專業基礎課程，打好模電基礎是學好線性系統、通信電子線路等課程的基礎。如何講授好模擬電子技術實驗課程也成為高校教師們教學改革努力的一個重要方向，近年來，隨著CDIO( Conceive Design Implement Operate)工程教育模式的推廣和國家建設應用型本科高校的要求，高校教師們對模擬電子技術實驗課程的教學進行了一系列的教學改革嘗試。劉明等[1]把傳統任務驅動教學與工程教育理念結合，該教學方法在提高學生的學習積極性、實踐動手能力方面有顯著效果。梁啟文等[2]通過對模電實驗的教學分析，在實驗教學中融入CDIO 理念，對模擬電子技術實驗的教學方式等進行改革和探索，學生的創新能力、動手實踐能力得到了有效培養。此外，許多其他高校教師也在各自的教學實踐中提出了模擬電子技術實驗課程的教學方法，[3]均取得了一定的成效，改善了教學效果。本文針對凱里學院大數據工程學院模電實驗教學中存在的問題，從教學內容、教學方式、實驗設備、實驗成績考核等方面進行了改革，提出了基于應用驅動的模擬電子技術實驗教學模式。

1 模電實驗教學現狀

1.1 教學內容存在的問題

模電實驗一般都是作為理論課的附屬進行講授的，通常都是以實驗項目的形式展開，各個高校根據實際情況，給每個實驗項目分配2-4 個學時，如表1 所示。

表1 模擬電子技術實驗課程實驗項目

從這些實驗項目的設置可以看出，實驗項目的設置往往都是跟所講授的教材內容相關且同步，各個實驗項目之間的聯系并不緊密。這種通過教師設置實驗項目進行模擬電子技術實驗的教學方式，很容易把各個知識點孤立開來，人為的切斷了知識點之間的聯系。同時，所設置的實驗大部分都是驗證型的實驗，實驗的目的只是機械的驗證教材內容的正確性，學生的積極性不高，實踐能力沒有得到提升。這種教學方法沒有達到培養學生專業知識、自主學習、團隊合作的目的。

1.2 實驗設備存在的問題

傳統模擬電子技術實驗設備都是采用各種廠家生產的實驗臺或者實驗箱，且還占用大量的實驗室空間。在利用試驗臺或者試驗箱進行模擬電子技術實驗時，由于經常的拔插導線，導致插線孔損壞，電子元器件損壞等，影響了最終的實驗效果。同時，實驗設備廠家的售后維修跟進不及時，甚至造成相關實驗課無法正常進行的現象。由于試驗臺和實驗箱存在諸多的弊端，越來越多的高校在選擇模擬電子技術實驗設備時，放棄了這種傳統的模擬電子技術實驗設備。

2 基于應用驅動的“模擬電子技術”實驗教學模式

針對傳統模電實驗教學過程中存在的問題，本文從實驗的教學內容、教學開展的方式、實驗設備以及實驗考核方式進行改革，提出了基于應用驅動的模擬電子技術實驗教學模式。以“聲控避障小車”的應用設計為案例進行應用驅動教學模式的講解。

2.1 教學內容的改革

實驗內容的選擇不再以實驗項目的形式進行，而是以一個更具體的實踐項目進行，以“聲控避障小車”為例。

2.1.1 設計任務

利用聲控的方式按要求控制小車從指定的入口端A進入矩形場地G(尺寸為150×200cm)后，完成相關的行駛操作和停車操作，如圖1 所示。

圖1 設計實現要求圖

2.1.2 基本要求

（1）小車外部裝配黃色LED 指示燈。啟動小車，操作人員通過（“啟動”“左轉”“右轉”“前進”“后退”“停止”等）聲控口令控制小車完成前進、后退、轉彎等項目。同時要求小車檢測到聲控信號時黃色指示燈閃爍，無信號時熄滅。待完成上述基本操作后駛入場地，小車由A 處啟動，無視隔離帶以及限寬橋條件下駛向B 區泊車位。要求小車自駛入場地后，在2 分鐘內完成當前次行駛任務。

（2）小車由A處啟動，通過聲控操作小車，避開隔離帶駛向B區泊車位，并要求在3 分鐘內完成當前次行駛任務。

（3）通過聲控小車避開隔離帶，并經過限寬路障駛向B區泊車位，要求在4 分鐘內完成當前次行駛任務。

2.1.3 拓展發揮部分

在基礎部分（2）測試條件下，并在B 區以倒車入庫方式駛入參考泊車位，倒車過程中不壓線，在5 分鐘內完成當前次行駛任務。

在基礎部分（3）測試條件下，增加“加速”“減速”等口令駛向B 區，在3 分鐘內完成當前次行駛任務。

其他，如提升語音識別自適應能力、提升速度、降低行駛過程觸碰路障、墻壁次數、提升聲控靈敏度等。

2.2 教學方式的改革

傳統模擬電子技術實驗采取課前老師講解實驗原理、實驗步驟，然后學生再通過實驗來進行驗證的教學方法難以提高學生的學習積極性和實踐動手能力。本課程組針對傳統教學方式存在的不足，采用學生根據設計任務，分組討論各個模塊設計方案的方式進行，采取以學生為主，教師引導的教學方式。實踐項目主要模塊設計方案討論如下：

2.2.1 語音識別模塊方案

方案一：選擇LD3320 語音識別模塊，以傳統51 單片機（STC11L08XE）為處理器，識別到語音后可得到對應的ID 號，以此信號來控制小車的相關行為，但程序需TTL 轉串口下載較為復雜，故放棄該方案。

方案二：選擇LD3320 語音識別模塊，采用板載STC8F1K08S2，采用II2 通信，4Pin 連接主控芯片，具備循環識別模式、口令模式、按鍵模式三種識別模式，在測試的過程中識別效率高達95%，故采用此方案。

2.2.2 主控板模塊方案

方案一：主控板采用STC89C52RC 單片機，編程簡單，成本低。但采用一個51 內核的單片機控制4 個電機調速，在執行的過程中效率會大大降低。故放棄該方案。

方案二：采用Arduino Mega 2560 微控制器，采用MicroUSB 連接器下載，供電用，板載數字輸入/輸出端口，模擬輸入端口，還有4 路UART 串口，16MHz 的晶振，處理速度相對快，滿足設計要求，故采用此方案。

2.2.3 有線/無線連接通信模塊方案

方案一：采用將語音識別模塊和小車整體組合在一起的模式，但小車在行駛過程中，直流電機會產生干擾，會影響語音識別的精度，故放棄該方案。

方案二：采用藍牙無線通信方式，將無線藍牙通信安裝在小車上作為接收模塊，手持藍牙發送模塊，當聲控信息被安裝在小車上的接收模塊接收后，控制小車完成相關操作，與方案一相比，該方案避免了噪音的影響，提高了語音識別的精度，故采用此方案。

2.2.4 直流電機驅動選擇方案

方案一：采用分立元件搭建經典H式直流電機驅動電路，但需要元件較多，且一套電路只能驅動一個直流電機，故放棄該方案。

方案二：采用2.5A 雙路電機驅動，正反轉PWM 可調速，可同時驅動兩個直流電機，驅動電流大，使用此方案電路搭接簡單、可靠性高，因此選擇該方案。

2.2.5 直流電機選擇方案

方案一：采用JGA25-370 電機作為小車的驅動電機，該電機長為50mm，直徑為12mm，所需電壓大于6V，設計完成后的小車尺寸較大，不符合設計要求，故放棄該方案。

方案二：選擇TTL馬達電機，電機驅動能力選擇多樣，且長度較短，所需的驅動電流較小，尺寸較小，完成后的小車符合設計要求，故采用該方案。

2.3 實驗設備的改革

傳統實驗教學只能在實驗臺或試驗箱上進行，相關電路和電子元器件都被封裝起來，學生只能通過導線進行連接，驗證實驗結果，無法給學生提供真正實踐動手的機會。例如在“聲控避障小車”項目設計中，各個小組可在物聯網綜合實驗室、無線傳感器實驗室進行，實驗室提供設計所需的焊接工具、測量工具以及常用電子元器件、開發板等，一些特殊的電子元器件需要學生自行購買，保存發票后，學校可從相應經費中予以報銷，解決了同學們的后顧之憂，提高了同學們的參與積極性。

2.4 實驗成績考核制度的改革

實踐項目的設計貫穿整個學期，學生要完成實踐作品的設計需要更加積極主動去學習和查閱資料。改革后實驗成績的最終核算不再以傳統的實驗報告、期末考試、平時成績的方式進行，而是考核最終設計作品實現的功能、焊接水平、相應模塊測試結果是否正確、設計報告撰寫質量等方式進行考核。實驗成績考核制度的改革提高了學生參與動手的積極性、創新實踐能力、團隊協作能力以及分析問題解決問題的能力。

3 實驗教學改革成效以及存在的問題

采用本課程教學組的實驗教學方式對18 級、19 級物聯網工程班的同學進行授課后，教學效果逐漸顯現，主要體現在，學生的創新能力和運用知識解決問題的能力獲得了顯著提升。圖2 為部分學生的設計作品。

凱理學院組織了18 級、19 級物聯網工程專業學生參與了多項科技創新競賽和學科競賽，并多次獲獎，2021 年獲省級大學生創新創業項目立項6 項。主要存在的問題在于整個教學體系的建設還不夠完整，綜合實踐項目較少，沒有根據學生水平設置不同層次的實踐項目，教師對實踐項目中所涉及的知識與教材的對應關系把握能力還有待提高。

4 結論

本課程教學組提出了基于應用驅動的模擬電子技術實驗教學改革模式，通過實踐項目的需求去引導學生完成實驗課程，培養了學生的創新精神和實踐動手能力，提高了學生參與實踐的積極性，使得實驗教學效果得到有效提升。同時，建立更為豐富的實踐項目來引導學生完成實驗課程是課程教學組下一個努力的方向。