增量式專業綜合實驗設計

譚大為,孫 超,王 俊,馮文全

(北京航空航天大學 空天電子信息國家級實驗教學中心,北京 100191)

增量式專業綜合實驗設計

譚大為,孫 超,王 俊,馮文全

(北京航空航天大學 空天電子信息國家級實驗教學中心,北京 100191)

專業綜合實驗是課程設計教學環節的重要組成部分,是對學生學習專業知識的綜合實踐訓練。通過增量式專業綜合實驗設計,以“興趣牽引,任務驅動,現象啟發引導”方式使學生鞏固所學的理論知識,培養學生解決實際問題的能力,加強基本技能的訓練,切實提高學生的實踐動手能力和創新能力。

專業綜合實驗;增量式設計;任務驅動

收稿日期：2014- 05- 05 修改日期：2014- 07- 06

基金項目：“十二五”國家級實驗教學示范中心(2012)北航空天電子信息實驗教學中心建設項目(20120302006)

作者簡介：譚大為(1983—),男,湖南郴州,碩士,實驗師,主要從事高等教育實踐平臺研究與嵌入式系統實驗教學研究.

E-mail：tdw@buaa.edu.cn

國內外對于工程實驗教學提升工程和技術人才的培養質量有著廣泛的共識[1-5],而專業綜合實驗更是對學生學習專業知識的綜合實踐訓練,在工程能力培養方面有著非常重要的作用。專業綜合實驗針對本科四年級開設,一般融入課程設計的教學環節,旨在鞏固學生所學的專業理論知識,培養學生解決實際問題的能力,加強基本技能的訓練,切實提高學生的實踐動手能力和創新能力。

1 增量式專業綜合實驗設計思路與目標

增量式既體現在子實驗間的遞進過程,也體現在任務驅動過程中。考慮到實驗的連貫性、繼承性以及實踐認知過程的一般規律,每個子實驗在上個實驗基礎上對實驗內容都有1～2個知識點的增量,既能通過一些關鍵內容和動手能力的多次重復訓練,又能通過增加新的內容保持學生的興趣而不至于乏味。在任務驅動過程中,自學預習、思考討論、方案設計、平臺搭建、器件選型、電路設計、軟件仿真、現象觀察、數據測試與分析、表格設計、報告總結、答辯驗收、演講交流等內容都有不同層次的要求,依次遞進展開[6]。

增量式專業綜合實驗由6個子實驗構成,子實驗是層次遞進的關系。通過實驗流程的任務化設計,把每個實驗都當作一個任務,按照規定流程逐項展開,這樣既提高實驗的針對性和可操作性,同時能在學生實驗過程中開展完成速度和準確性的比賽對抗,從而調動學生主觀參與的熱情。其中,任務分析階段學生自學預習實驗,涉及知識與方法;在處理器選擇環節,通過實驗任務所需資源的分析,對比不同廠商的各個產品系列、型號,使學生對于器件選擇有較深刻的認識,同時開拓學生的視野;在軟硬件設計環節,開展原理圖識讀、硬件設計流程及相關工具、軟件開發工具、電路調試相關內容訓練;在程序調試環節,通過調試方式、方法的講解使用,指導學生完成實驗程序的調試;在代碼固化環節,通過引導學生進行工程實踐中產品發布需求考量,完成代碼固化過程。圖1是任務驅動型實驗步驟示意圖。

圖1 任務驅動型實驗步驟

通過增量式專業綜合實驗設計,以學生興趣為牽引,結合模擬電路、數字電路等專業理論知識,培養學生獨立設計方案,獨立分析與解決問題的能力;同時通過工程能力訓練(查閱數據手冊和資料、基本設計工具和EDA技術等),配合報告總結、答辯驗收、演講交流等形式,培養學生嚴謹的作風和科學的態度。

2 實驗內容設計

在實驗內容設計上,通過對相關專業內容進行梳理和采用平臺化思想[7-12],設計了一組具有層次性的實驗,其中包括5個基本實驗和1個開放式綜合實驗。6個子實驗是層次遞進的關系,學生完成當次實驗后通過預習下次實驗準備內容,可以很好地將前一次實驗學習掌握的內容與新的內容有機結合,并通過可觀可感的現象提高學生參與及交互的興趣。

基本實驗有I/O控制、外部按鍵中斷、定時器、LCD顯示、多任務調度。綜合實驗是一個開放性實驗,學生預習ADC及其他相關內容,并結合前5個實驗,依靠提供的資源完成具有一定功能和趣味性的嵌入式應用系統,如俄羅斯方塊游戲、彈球游戲、電壓表等。基本實驗和開放式綜合實驗將增量式專業綜合實驗設計分為2個層次:第一個層次是通過一系列依次遞進的子實驗使學生對專業知識的實踐工程應用有感性認識;第二個層次是在第一個層次基礎上專業知識的綜合運用,包括方案設計與論證、系統設計與調試、功能測試與設計總結等過程。實驗內容推進與專業知識綜合運用的承接關系如圖2所示。

圖2 增量式專業綜合實驗內容設計

在實驗內容推進上需要重視實驗前講課內容(包括知識講解、方法引導、背景解釋等)、實驗中的引導和實驗后的總結。實驗前的講課內容主要在于梳理專業知識,為學生利用理論知識開展工程實踐建立一個感性認識,為后續實驗的展開奠定良好基礎;實驗中需要根據學生實驗開展的情況及時加以指導,并在一些開放性環節進行必要引導,從而做到“開放”而不“放任”;實驗后的總結不僅是一份報告,一個成績,而且是通過演講交流等形式讓學生的經驗流動起來;不局限實驗本身,鼓勵學生進行拓展,在其他領域運用實驗中學到方法與技能。

(1) 從學生的興趣點切入。 以介紹系統設計為例(見圖3),通過手機這一常見并與學生生活息息相關的嵌入式設備切入,通過分析其組成部分得到嵌入式系統的一般結構,從而通過學生興趣點引入實驗前的講課內容。

(2) 通過對比分析強化學生專業知識。 以器件選型為例(見圖4),通過嵌入式微處理器構成的系統與嵌入式微控制器的對比,得出2種系統在應用中各自的優勢與不足,從而強化學生相關概念、定義以及系統構成等專業知識。

圖3 實驗內容的引入(以系統設計為例)

圖4 系統對比分析(以器件選型為例)

(3) 對一些關鍵實驗現象及時加以形象化說明解釋。學生在實驗過程中會遇到一些實驗現象,這些現象在書本中已有解釋,但這些解釋可能比較抽象而難以讓學生形成直觀認識,因此,可以結合實驗條件和實驗進度進行形象化說明解釋。以電源為例(見圖5),在課前講解嵌入式微處理器構成系統與嵌入式微控制器的對比時均有涉及(分別表述為“電源模塊”和“電源管理”),但并沒有就此展開,因此,在實驗過程中結合開關電源和線性電源電路組成進行形象化解釋,促進學生對于實驗原理的理解。

圖5 實驗電路的形象化說明(以電源為例)

(4) 通過實驗現象引導學生思考。 學生在專業知識學習中已經了解“開關電源效率高,但輸出紋波大;線性電源效率低,但輸出紋波小”這樣一個定性的結論,在實驗過程中可以讓學生通過用手指觸摸開關電源芯片和線性電源芯片的非金屬部分(注意安全),根據手指的溫度感受對開關電源和線性電源的不同工作原理產生的實際現象(熱的程度)有感性認識,進而引導學生思考如何在工程實踐中結合開關電源和線性電源的優勢構建結構合理的二次電源(見圖6)。

圖6 實驗現象引導學生思考(以二次電源結構為例)

3 實施效果

增量式專業綜合實驗2012年秋季學期在我校電子信息工程、通信工程、電子科學與技術3個本科專業開始實施,目前已運行2屆,每屆160人。自實施以來,取得了良好的效果,學生在專業知識的理解、獨立思考與分析、獨立解決問題、知識自主獲取、嚴謹學術作風和科學態度等方面都得到了很好的培養與鍛煉,同時有的學生將專業綜合實驗中內容加以拓展和延伸,結合自身的理解與靈感進行創新[13],在全國大學生電子競賽、全國信息安全競賽、全國嵌入式專題邀請賽、北航馮如杯等各級競賽中取得優異的成績(見圖7)。實施過程中發現的一些問題也不斷得到優化和解決,從而形成實施與反饋的良性循環與互動。

圖7 部分學生作品實物

4 結束語

本文針對增量式專業綜合實驗設計的相關內容進行了闡述,就實驗設計思路與目標、實驗內容與實施、實驗效果與反饋等問題進行了說明,探討專業綜合實驗實踐過程中，通過“興趣牽引,任務驅動,現象啟發引導”指導原則，學生實現“被教學”到“主動學”,教師實現“少講少做”、“少指導多引導”、“少講授多啟發”的新型實驗教學互動關系的形成,培養學生獨立分析和解決問題的能力,增強學生對于專業知識的理解領悟,為學生未來研究性、探究性學習和可持續發展奠定良好基礎。

References)

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Design of incremental professional comprehensive experiments

Tan Dawei,Sun Chao,Wang Jun,Feng Wenquan

(School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

The specialized comprehensive experiment is an important part of curriculum design,which is a kind of comprehensive practical training for students who have studied specialized knowledge. By designing incremental specialized comprehensive experiments,and using the“interesting-motivated,task-stimulated,phenomenon-guided” method, the students can obtain help to consolidate theoretical basis,and strength their operation ability and innovation ability.

professional comprehensive experiment; incremental design;task drive

2014- 05- 05 修改日期：2014- 07- 06

“十二五”國家級實驗教學示范中心(2012)北航空天電子信息實驗教學中心建設項目(20120302006)

譚大為(1983—),男,湖南郴州,碩士,實驗師,主要從事高等教育實踐平臺研究與嵌入式系統實驗教學研究.

E-mail：tdw@buaa.edu.cn

TP368.1

A

1002-4956(2015)1- 0212- 04