“互聯網+”電路板設計實驗教學的改革與探索

李 海， 王 茜， 牟一卉(電子科技大學成都學院， 成都 611731)

0 引 言

人們對教育模式的概念，大多都會認為老師在講臺上講，學生坐在下面聽。但如今，隨著“互聯網+”這個概念在各行各業的蔓延、滲透，傳統的教育模式已開始步入被改造之列。

互聯網時代提供了智能服務。新的時代呼喚新的產業變革，“互聯網+”的時代也呼喚教育理念、人才培養模式、教學方法及評價方式的蛻變，“互聯網+教育”也將進入融合和創新階段。通過互聯網，可構建起現代信息技術與新興的學生學習評價、教師專業發展網絡平臺，在師生學習發展方面，由單純的資源提供向師生自主參與、互動反饋轉變。學生能真正實現自主學習，參與測試評價，對自身學習情況進行反饋，從而獲得更有針對性的學習資料，實現“提優補差、因材施教”的效果[1-3]。我學院針對學生基礎弱，自覺性差，這幾年在教學方式和教學內容方面做出了巨大的努力，有一定的效果，但不明顯。2016年學院引入了超星學習平臺后，開始正式對“互聯網+教育”模式進行嘗試，電路板設計實驗成為本次教學改革的一門實踐課程。本教學改革的模式是錄制微視頻發布在網絡平臺上讓學生在課外時間在進行在線學習和學生與學生之間、學生與教師之間互動[4-6]。

1 課程定位

電路板設計實驗作為高等院校電子科學與技術、微電子和通信專業的核心實踐課程，它是一門技能課程，在專業課程體系中起到承上啟下的核心作用，見圖1。該課程主要介紹電子元器件設計電路原理圖的方法和技巧：器件封裝的概念和作用：器件封裝的設計制作方法；電路板設計方法；電路板設計規范的學習；電路板的DRC檢查；電路板的設計工藝流程等。

圖1 電路板設計實驗課程定位

2015年，學院在制定新的教學體系時，將電路板設計實驗課程納入到電子科學與技術、集成電路設計與集成系統和電子信息工程等專業的二級能力體系(工程方向)里面，作為單片機硬件開發方向、工業控制方向、ARM系統開發方向、FPGA設計方向、DSP設計方向和電子技能開發等就業方向的核心技能課程。該門課程一方面重點培養學生發現電路設計中的設計缺陷、提出問題所在，能夠從硬件整體功能出發，分析和解決問題，從而推演出高級系統的實現步驟和思路；另外一方面通過課程的教學讓學生能夠通過準確閱讀和理解原版用戶手冊資料從而設計出器件的外圍電路，然后進行合理的布局布線，從而制造出性能良好的開發板。

2 改革思路

學院“電路板設計實驗”總共為32學時，這32課時全部為實驗實踐課時，由于課時非常少，要讓學生完成一塊功能完整的開發板是不可能的，所以之前的教學內容主要是在課堂上以單片機電路板為案例來講解軟件的操作。本次教學改革引入翻轉課堂理念[7]，將講授的內容在課前以微視頻的形式發布于超星平臺，讓學生在線觀看視頻，學習軟件的使用，課堂上主要以小組形式討論各個電路設計方案和器件的選型，外圍電路的設計，這時教師參與各個小組進行討論和檢查，課后發布“學生自主學習任務書”，讓學生根據任務書的參數和電路要實現的功能來整個方案的設計，最后學生提交所設計的實物并進行演示答辯。

2.1 課程內容的確定

在課程開設之前，首先組建課程組，電路板設計實驗課程組的教師是由一名副教授，兩名講師和一名實驗師構成的。課程組就教學內容在開學的時候進行了討論，首先選擇了電路板設計軟件的使用，此次選擇了Altium Designer軟件代替了之前使用的Allegro。雖然之前使用的Allegro功能強大，被國內很多大公司使用，但此軟件太嚴謹，靈活性欠佳，而且學習資料較少，上手比較困難。在有限的課時內學生就花了大部分時間去學習軟件的使用，到了后面電路設計和布局布線這塊就沒有時間去完成老師布置的任務，所以這次選擇了比較靈活的，操作簡單且功能也非常強大的Altium Designer。

確立了軟件使用后，課程組組長提出此次課程內容主要以“三芯三系統”為主線來進行講授，讓學生在課上課外共完成三系統的設計。其中的三芯是指：單片機、ARM和FPGA芯片；三系統是指：單片機最小系統、ARM最小系統和FPGA最小系統。這些最小系統的設計的主要根據市場上面的暢銷電子產品和最近幾年全國大學生電子競賽所使用的主流芯片來進行設計，這樣的課程內容讓學生既能在畢業時就業上有優勢外還能在電子競賽中取得優異的成績。

2.2 網絡課程資源的建設

以往的電路板設計實驗教學方式是通過多媒體或者軟件演示的形式對課程內容進行講解，學生被動的去接收[8]。在上課時由于部分學生動手操作能力欠缺，沒有跟上老師的進度，導致這門課程學習成績不好，然后會導致失去對后續課程的一些興趣。所以2016年借助于學院CDIO教學改革之機，基于“互聯網+”的理念，對該課程教學方式方法和教學內容等各方面的改革進行探索。

此次改革分為課前、中、后三部分。課前的課程組老師首先要利用寒暑假的時間把所有的課程資源全部建設好，課程資源建設的整體框架如圖2所示。

圖2 課程資源建設框架

在課程資源里面首先是課程教案，課程教案里面就包含了開發板里面所有器件的數據手冊，這樣學生在設計器件外圍電路和畫器件封裝的時候就可以查看教案里面的資料。由于該門課程的參考書籍較少，有幾部教材也只是簡單的介紹了下軟件的使用，相當于軟件的數據手冊，不能滿足教學需要，所以課程組老師利用課余時間針對教學內容編寫了實驗講義，學生在上課前可以將每一章節打印下來。 不管是課程教案還是實驗講義，這些與傳統教學相差無幾，部分學生看到長篇文字后很容易失去興趣，所以本次改革課程組還錄制了教學視頻放在超星平臺這一互聯網上讓學生利用PC機或者手機來進行在線觀看學習，通過這種人機交互的方式，激發了學生的學習興趣。本次視頻錄制了18個，主要是以AVR開發板上的器件和電路為例來進行講解錄制(見表1)。為了防止部分學生不觀看視頻，課程中把視頻觀看時長及次數納入到最后的考核中。此次互聯網平臺可以將錄制好的視頻進行編輯，插入一些客觀題讓學生在觀看一段知識點或者軟件操作后進行解答，這樣學生通過對問題的解答的準確性來判斷他們對知識點的掌握程度。學生可以通過在線重復觀看視頻，加深印象，以便學生能熟練的掌握各個軟件使用的各個環節。

表1 電路板設計實驗微視頻的設計

在課堂中由傳統的滿堂灌變為教師組織學生進行知識點的討論，引導、啟發學生自主提問[7]，然后教師對學生進行答疑輔導，對大家討論最多和錯誤率最高的一些問題進行解答。當同學對軟件熟練使用后，引入項目讓學生在后續課堂中進行設計，最后進行檢查。在設計的過程中教師協作學生進行電路前期設計的功能仿真，讓每一個學生能根據自己的特長來選擇器件，然后實現出學生感興趣的功能，在這種教學模式下，學生的主動性和創造性得到了提升[9]。

課后通過討論天地進行線上互動交流，課后答疑，實現教師與學生的零距離。通過互聯網平臺發布學生自主學習任務書，這樣學生在課后的學習就有目的性，而不再是盲目的去學習，學習完以后讓學生把作業上傳到平臺上，老師進行修改，并將結果實時反饋給學生。

2.3 全方位的考核體系

本課程重點是在評價學生學習過程中的主動性、創造性和團隊協作能力。通過引入三芯最小系統的設計項目來促使學生在課余時間利用互聯網的平臺進行學習、交流和答疑。課程總分為100分，最終的成績由四部分構成：①過程考核占30%，過程考核為軟件平臺根據學生課余時間的學習時長、客觀題的準確率和交流的情況自動給出分數；②三芯最小系統設計的項目完成情況(40%)；③最終實物完成的功能(20%)④平時出勤率(10%)。

如果課程學習特別優秀者，可以推薦參加四川省電子設計競賽和全國電子設計競賽。如果能夠利用課余時間開出多層板，那么可以推薦到相應公司去實習和就業，通過這一些列方法來提高學生學習這門課程的主動性和積極性[10-12]。

3 結 語

結合“互聯網+教育”的改革模式更加適合于當今大學生個性化學習的需求[13]，學生可以更加合理地利用手機來進行學習，而不是娛樂。通過對學生進行問卷調查可以得出學生對微視頻的接受度和滿意度更好，更重要的是學生能夠通過對視頻的反復觀看來更好地完成學習任務[14]，對遺忘的知識點進行鞏固。有的學生甚至還發短信來感謝老師讓他們有機會利用周末的大好時光與全專業的學生共同學習、探討，從沒有感受到與老師如此零距離接近。

通過對該課程教學的改革成效來看，學生對電路板設計的能力得到了提高。在2016年的四川省TI杯電子設計競賽中，學生自己設計出電路實現了競賽要求的各項指標，從而獲得了省賽一等獎兩項；在2016年教育部組織的創新創業大賽中，學生利用電路板設計課程中所學知識設計出模塊式HIFI數字音樂播放器獲得四川省金獎和全國三等獎[15]。通過以上取得的成績可以得出此次改革模式是成功的，為其他實驗實踐課程的教學改革提供成功的案例。

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