以學生為中心的電子應用綜合實驗設計研究

摘要：電子應用綜合實驗基于電路、模電、數(shù)電知識體系，以學生為中心的電子應用綜合實驗設計突出創(chuàng)新性、高階性、挑戰(zhàn)度;微弱信號提取電路設計與實現(xiàn)將理論與實踐相結(jié)合、引導學生自主分析電路、創(chuàng)新思維方式、提升綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電子應用綜合實驗;以學生為中心;電路設計。

傳統(tǒng)實驗教學模式主要采用課堂講授以及實驗驗證的方式，在進行電子技術(shù)實驗學習時，對于知識學習應用層次較淺，主要出現(xiàn)的問題：一是學習知識只是各個固定模塊，對于整體知識體系的關(guān)聯(lián)性不是特別清晰，理論積淀不深、實驗環(huán)節(jié)結(jié)合理論應用不夠到位;二是學生學習的知識深度較淺，創(chuàng)新意識不強，在解決實際工程技術(shù)問題時比較乏力;三是教師教學設計偏重教師講授，學生驗證，沒有兼具高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度，未區(qū)分學生知識基礎(chǔ)以及接受度。以學生為中心的電子應用綜合實驗設計將傳統(tǒng)意義的“教師講授”為中心轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W生學習”為中心[1]，著重突出學生對于知識體系的創(chuàng)新運用能力，教師優(yōu)化教學設計，根據(jù)不同學生的基礎(chǔ)以及接受度因材施教，學生結(jié)合所學知識與自身方向領(lǐng)域工程技術(shù)相結(jié)合，解決實際問題。本文電子應用綜合實驗采用微弱信號提取電路設計與實現(xiàn)，微弱信號提取電路設計與實現(xiàn)將電子技術(shù)理論課程融合貫穿連接，學生對于基本知識運用的電路的分析設計，對于高階知識的創(chuàng)新應用，兼具一定挑戰(zhàn)度，學生主體的實驗課程意義凸顯。

一、設計內(nèi)容與任務

1.案例設計內(nèi)容。理論課程學習知識的積累，設計完整的實驗電路系統(tǒng)，方案整體設計、模塊電路設計與論證分析、各模塊調(diào)試分析，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)[2][3]。主要包括：①學習人體微弱信號（光電容積脈搏波信號）提取基本理論知識、知悉信號提取的基本思路。②提取信號需要設計好接口電路，將光電傳感器檢測到的信號可以傳遞給接口電路。③選擇合適的主控芯片、采用主控芯片對提取的信號進行處理。④電路系統(tǒng)需要供電裝置，電源模塊供電需要滿足不同芯片的供電電壓。⑤微弱信號提取之后數(shù)據(jù)存儲電路的設計，采樣頻率若為125Hz，需要設計足夠的存儲空間。

2.案例設計任務。結(jié)合教師引導，光電檢測器檢測人體微弱信號（光電容積脈搏波信號等），對信號進行提取分析，需綜合設計以下模塊：①信號采集電路模塊;②系統(tǒng)控制模塊;③系統(tǒng)供電模塊;④信號存儲模塊;高階要求可設計：⑤LCD信號顯示模塊[4][5]。

二、實驗內(nèi)容與任務

本實驗主要通過設計微弱信號提取電路，學生根據(jù)需要設計的要求及特點，運用所學基礎(chǔ)知識分析設計電路，突出兩性一度包含基本要求、進階要求和發(fā)揮要求。

1.基本要求。①信號采集電路能夠提取光電檢測器的信號。②采樣頻率為125Hz，需有存儲電路并保證有足夠空間存放數(shù)據(jù)。③主控芯片電路可選擇STM32，控制電路運行。④系統(tǒng)供電模塊，需要對不同芯片供電，包含3.3V與5V。

2.進階要求。①將數(shù)據(jù)進行存儲到SD卡中，取出SD卡在電腦端讀取數(shù)據(jù)并用MATLAB顯示波形。②測量數(shù)據(jù)采用不同的采樣頻率，觀察波形顯示的區(qū)別。③系統(tǒng)供電模塊設計一個充電模塊，保證在未接通電源時有電壓供給。

3.發(fā)揮要求。①設計一個LCD信號顯示模塊，可供實時顯示微弱信號。②換用不同的主控芯片，ARM或者其他芯片進行實現(xiàn)，并畫出電路PCB圖。

三、實驗過程及要求

基本實驗過程及要求：①學習微弱信號提取方法、學會查找和閱讀所用芯片數(shù)據(jù)手冊;②設計信號采集電路模塊，建議采用主流3接口，適配光電脈搏傳感器;③完成主控芯片選型及主控芯片最小系統(tǒng)搭建，能夠穩(wěn)定整個電路系統(tǒng);④查找主控芯片數(shù)據(jù)手冊，區(qū)分IIC、SPI、串口以及普通I/O口，進行原理圖布線設置;⑤采樣頻率為125Hz，設計存儲電路需要兼顧到數(shù)據(jù)存儲卡大小和數(shù)據(jù)量大小;⑥系統(tǒng)供電模塊設計時需要同時包含3.3V和5V，建議使用CE8301芯片進行變壓;⑦對各個模塊繪制原理圖，用Multisim軟件進行仿真，對各個模塊進行調(diào)試，最后聯(lián)調(diào)直至成功。進階實驗過程及要求：①信號數(shù)據(jù)存儲之后，取出時用MALTAB進行實現(xiàn)，注意簡單程序編寫;②系統(tǒng)供電模塊加入充電模塊，增強電路穩(wěn)定性，可嘗試TP4056充電芯片;

發(fā)揮實驗過程及要求：設計LCD數(shù)據(jù)顯示電路，注意LCD顯示屏的驅(qū)動以及顯示程序;選擇其他主控芯片應考慮處理速度，畫出電路原理圖對應的PCB圖。

四、教學設計與實施

1.教學過程設計。教學設計兼顧不同知識基礎(chǔ)學生的學習情況，主要包括：課前準備：通過學習群組發(fā)布課前預習實驗內(nèi)容，學習微弱信號提取相關(guān)知識，并發(fā)布習題作業(yè)，根據(jù)學生答題情況適時調(diào)整教學內(nèi)容，原理方法、教學思路等。

課堂實施

（1）創(chuàng)設情境，引出任務。通過某醫(yī)院需要一批脈搏或者心電提取裝置，創(chuàng)設情境，該裝置需要如何設計，用到了哪些電路、模電、數(shù)電知識？

（2）反饋信息，知識講解。根據(jù)學生反饋的信息，對電路設計主要事項進行講解，并對電路用到的知識進行講解。

（3）講述原理、動手設計。對所需電路進行分模塊設計，主要包含信號采集、系統(tǒng)控制及供電、存儲以及LCD數(shù)據(jù)顯示模塊，簡要介紹原理及方案，學員開始動手設計。

（4）分組協(xié)作，完成任務。對班級學生進行分組，每組8人，對各個模塊進行設計，進行仿真并調(diào)試電路，最后進行聯(lián)調(diào)并繪制電路原理圖。各組之間充分討論形成答案，選派一名代表對本組成果進行展示。

（5）小組展示，組間點評。教師組織各個小組對所設計電路原理圖進行展示分享，各組之間發(fā)表意見。

（6）進階提升、教師總結(jié)。對本次實驗需要進階提升以及發(fā)揮需求的學生進一步實驗，教師對本次實驗電路設計進行總結(jié)，以華為事件激勵學生努力進取，探索研究，培養(yǎng)愛國主義情懷。

課后拓展

通過對設計的電路裝置進行與實踐結(jié)合應用，設計一款從人體光電容積脈搏信號提取呼吸波的裝置，創(chuàng)新思維方式，提升解決實際問題的能力。

2.報告要求。實驗報告包含以下要素：①實驗需求分析;②實驗整體設計;③實驗各模塊論證分析;④主控芯片選型，最小系統(tǒng)設計電路原理圖;⑤各模塊電路設計原理圖及設計思想;⑥整體電路設計，電路圖、仿真軟件測試結(jié)果及調(diào)試過程;⑦信號數(shù)據(jù)處理結(jié)果及波形展示;⑧實驗總結(jié)及心得體會

3.考核評價。電子應用綜合實驗將課程實驗成績與報告成績相結(jié)合，主要包含：①課前預習及習題反饋（10%）;②各模塊設計及論證分析（40%）;③系統(tǒng)整體測試及教師驗收答辯（20%）;④進階要求及發(fā)揮要求完全實現(xiàn)（10%）;⑤實驗報告的撰寫（20%）。考核評價標準的全面化有利于全面量化學員的學習狀態(tài)，對所學知識運用創(chuàng)新能力。

五、總結(jié)與展望

學生通過電子應用綜合實驗對各模塊進行論證分析，提升電路設計能力;動手調(diào)試電路進行聯(lián)調(diào)，提升學以致用能力;實驗加入進階要求和發(fā)揮要求，因材施教，適應不同學習層次的學生，充分發(fā)揮以學生為中心，教師為主導的理念。實驗后續(xù)可加入對微弱信號分解與提取，比如人體的光電容積脈搏波信號，分析處理之后提取呼吸波信號用于重癥ICU監(jiān)護、門診檢測，對數(shù)據(jù)與正常人體生理參數(shù)進行對比分析，達到健康預警的目的。

參考文獻：

[1]張月月，王君明，陳榮幸，等.以學生為中心教育理念在實訓教學中的應用[J].中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠程教育，2020，18（9）：3.

[2]王彩紅，焦素敏.基于OBE理念的電路與電子技術(shù)課程建設研究[J].教育教學論壇，2020（35）：2.

[3]邱燕，王明哲，趙方舟.基于成果導向理念的應用電子技術(shù)專業(yè)課程體系建設的改革與實踐[J].高教學刊，2019（7）：4.

[4]陳真誠，牛春望，朱健銘，等.一種利用經(jīng)驗模態(tài)分解算法的光電容積脈搏波信號中提取呼吸波的方法研究[J].生物醫(yī)學工程研究，2019，38（2）：6.

[5]牛春望.基于光電容積脈搏波的呼吸波提取研究[D].桂林電子科技大學.

作者簡介：牛春望，陸軍特種作戰(zhàn)學院助教。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0