挑战性实验课程教学探索与实践

谢小东

(电子科技大学 示范性微电子学院,四川 成都 610054)

创新是国家发展、民族进步的灵魂，是推动社会前进的关键动力。中共中央在“关于深化教育改革全面推进素质教育的决定”文件中明确指出：“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业能力”“高校应加强课程的综合性和实践性，重视实验课教学，培养学生的实际操作能力”。如何将该指示精神落到实处，培养出合格的创新型人才，正是目前高校工作者积极研究的课题，也是当前教育改革的一大核心课题。为此，清华大学、南京大学等研究型高校率先推出了挑战性课程[1]。该类课程通过设置挑战性问题激发学生的创新意识。学生通过与教师互动，团队合作，综合运用相关知识创造性地解决问题。学生在完成挑战性任务的过程中获得成就感，进而增强其勇气和信心[2]。实践结果证明，挑战性课程在培养学生分析解决问题、沟通合作和探索创新等多种能力方面发挥了积极的促进作用[3]。现在，挑战性课程被认为是培养学生创新精神和实践能力的重要途径，能在创新型人才的培养、学生综合能力的提高、高校素质教育的实施、实验师资队伍素质的提高等方面发挥巨大作用[4]。

电子科技大学示范性微电子学院历来非常注重学生创新能力及实践能力的培养，在全国率先开设了“一条龙式实验”课程群。学生通过实验，经历从材料、设计、工艺到测试这一完整微电子器件实现流程，对学生的实践能力起到了很好的锻炼作用。但遗憾的是，实验未继续延伸至电子系统级。如何利用各种微电子器件合理设计电子系统往往成为集成电路设计专业学生们心理的“恐怖点”[5-6]。另一方面，示范性微电子学院的学生们学习了“高等数学”“大学物理”“电路分析”“模拟电路”“数字逻辑”“集成电路原理”等课程，但如何将所学知识加以综合应用也往往成为学生们心上的一大疑惑[7]。此外，高年级学生即将面临升学及就业，电子系统概念的缺失也十分不利于他们参与竞争。因此，开设一门拓展学生电子系统概念的挑战性实验课程除了培养学生多种能力之外，还能起到弥补学生知识体系短板，帮助学生们战胜心理上的“恐怖点”的作用。在此背景下，示范性微电子学院争取到国家“高等学校专业综合改革试点-集成电路”项目，面向集成电路设计专业本科高年级(三四年级)学生开设了一门挑战性实验课程 “电子系统设计与实现”,总课时为48学时。该课程的教学目标是：拓展学生电子系统设计概念，训练学生综合应用知识解决问题的能力，并激发学生的创新意识。

1 实验课题开发

课程组在研讨中认为，实验课题的设计对能否达到教学目标至关重要，课题开发必须兼顾到以下4个因素。

1)能培养学生系统设计能力。

2)能综合应用多门课程知识。

3)具有一定的应用背景以激发学生兴趣。

4)题目入手容易，以建立学生自信心。具有纵深性，即可以延伸为具有相当难度(挑战性)的课题以激发学生创新力[8-9]。

界定了以上原则，课程组从历届全国各类电子设计竞赛试题中精心挑选并二次开发了“高精度频率测试系统”“高保真语音存储回放系统”“快速高精度水温控制系统”等多个题目供学生选择。以“数字化语音存储与回放系统”为例。

实验任务：设计并制作一个数字化语音存储与回放系统。成果形式：硬件+软件。

基本要求：

1)信号放大器增益可调；

2)带通滤波器通带为300 Hz～3.4 kHz；

3)A/D(模数转换)采样频率fs=8 kHz，字长=8位；

4)语音存储时间大于等于60 s；

5)D/A(数模转换)变换频率fc=8 kHz，字长=8位。

挑战要求：

1)减少系统噪声电平，信噪比70 dB以上；

2)自动音量控制达40 dB以上；

3)尽量提高存储器的利用率(在存储容量不变的前提下，提高语音存储时间)。

该实验具有较强的应用背景，即生活中常见的录音笔。有应用性的实验有两个好处，一是满足学生的好奇心，“原来产品是这个原理”，可以调动他们的兴趣；二是学生完成实验后有成就感，“我也可以做有用的产品”，从而提升其挑战的勇气及信心[10]。其次，这个实验综合应用了多门课程知识，硬件系统包括了语音传感电路、放大电路、模数转换电路、控制电路、显示电路、数模转换及驱动电路等组件，这些电路涉及“高等数学”“电路分析”“模拟电路”“数字逻辑”“信号处理”“集成电路原理”等课程的知识，控制电路的软件系统需采用控制算法，涉及“自动控制原理”课程知识，而这部分知识是集成电路设计专业的学生从未接触过的，需要学生查阅资料，再根据实验的实际情况合理设计算法，这对学生们来说是一项具有挑战性的任务。整个“数字化语音存储与回放系统”的电路组件及其具体涉及的课程知识如图1所示。从图中可以看出，该实验涉及了多门课程知识，因此可以培养学生综合应用知识解决问题的能力。再则，该实验入手较为容易，不难实现基本指标，但要实现挑战要求则具有相当难度。从课程开展的实际情况来看，学生要完成挑战任务，大概要在课外需再花费48学时，而且只有不到30%的学生能完成。因此，该实验具有挑战性。最后，学生可以将该系统设计的方法策略及流程借鉴到今后的其他项目开发中，实验具有推广性。

图1 语音存储回放系统组成及知识综合应用情况

该课程的其他题目也具有“数字化语音存储与回放系统”类似的属性，即应用性、综合性、挑战性及推广性。

为了培养学生的创新意识，鼓励学生通过对生产生活的观察思索，提出想法，与教师进行沟通，共同拟定课题。但课题也必须满足以上属性。比如“禽蛋新鲜度测试系统”，其源自学生提出的“做一个电子系统测试鸡蛋是否变质”的想法。最后加工出的实验课题如下。

实验任务：设计并制作一个禽蛋新鲜度测试系统(成果形式：硬件+软件)。测试对象为养殖场提供的新生鸡蛋，之后在恒定温度(25℃)，恒定湿度(50%)条件下分时储存的蛋品样本。

基本要求：

1)能区分出适合食用和不适合食用两个区间的蛋品；(以哈夫值40为分界线，对应的储存时间为25天。哈夫值是美国农业部蛋品标准规定的检验和表示蛋品新鲜度的指标，可通过测试蛋品的高度和质量来确定。)

2)误判率低于20%。

挑战要求：

1)采用适当的方法，能对蛋品的储存时间(新鲜度)进行量化测试，测试精确到2天之内；

2)误判率低于5%。

该课题同样较好的兼顾了应用性、综合性、挑战性及推广性这4大属性。类似的自拟课题还有“基于光强检测的自动感应路灯控制系统”“老人跌倒自动检测及报警系统”“基于土壤湿度检测的自动浇花系统”“话筒防啸叫系统”等。

课程开设第一年，自拟课题占比不到20%，第二年，自拟课题占比已接近50%，自拟课题占比的提高反映出学生创新意识培养已初见成效。

2 课程组织实施

本课程实验采用开放性教学的模式。“开放”指的是实验选题开放、指导方式开放、实验时间开放、实验仪器开放、实验场地开放等。开放式教学赋予学生极大的自主性，能在学生创新能力培养过程中起到积极的作用,是实验教学的重要发展方向。但开放性实验对学生素质、教师能力、实验内容、实验设备、管理水平等方面都提出了严峻挑战。

首先，为规范教学管理，课程组拟定了实验流程并在实验前予以公布，让学生对实验过程做到心中有数。本课程建议学生面向实验室已有的基于XILINX公司SPARTAN系列芯片的EDA(电子设计自动化)开发平台进行设计[11]，该平台提供控制主芯片FPGA(现场可编程门阵列)、数码显示、控制输入等硬件资源(但也允许学生使用单片机等核心器件进行开发)。学生需合理设计电源电路、传感电路、信号调理电路、A/D采样电路、D/A及驱动电路、与EDA开发平台接口等硬件部分，同时还需进行探索研究，灵活应用相关控制原理算法设计软件以实现挑战要求指标。课程组认为，本科高年级学生面临升学及就业，项目文档的撰写及演示汇报训练也十分必要，因此本实验也要求学生撰写设计方案报告及项目结题报告，并最后制作PPT演示答辩。实验的完整流程如图2所示。

图2 实验流程图

其次，在实验条件保障方面，“电子系统设计与实现”课程依托示范性微电子学院“本科生创新创业实训基地”开展。该基地可以容纳60名学生同时开展各类电子设计实验，并能提供焊装台、万用表、示波器、逻辑分析仪等电子实验常用仪器设备，完全能满足本课程实验的条件需求。学生在实验前,“实训基地”的管理人员会对学生进行安全及纪律培训，以保障实验的安全开展。

此外，课程组对于选修该课程的学生人数及学业条件进行了一定的限定。课程开设第一年，学生人数控制在30人左右，选课学生的理论课成绩需平均达到“良”及以上。在积累了一定的管理经验的基础上，第二年，学生人数控制在40人左右。随着学生对该课的认可度增加，明年拟将学生人数提高到60人，但会进一步提高入选门槛，拟增加面试环节，考查学生基础知识掌握以及综合素质。同时坚持学生项目小组人数控制在每组4人以下，严格控制每组人数限额提高了单个学生的工作量，在很大程度上保障了学生的实际能力培养质量。

最后，在课程实验日常管理方面，课程组也进行了安排。挑战性实验由于难度较高，学生很难在课程时间内完成实验任务。学生除了在既定的课程时间进行实验之外，还可以通过课程微信群预约时间来开展实验。课程组会根据学生的预约情况安排额外的时间段，并轮流指派教师指导学生实验。学生不得在非预约时段进入实验室，也不得超时段开展实验。始终保持只要有学生在实验室，就有教师值守的状态。从而既满足了学生需在课外做实验的述求，又有效杜绝了管理上的漏洞。

借助这些措施的实施，课程得以安全顺利的开展。

3 教学方案设计

由于挑战性实验涉及的知识面较宽，有部分学生感到无所适从，不知从何下手。为帮助“零设计基础”的学生上手，基于“化繁为简、各个击破”的问题解决策略[12]，在教学设计上对任务进行了分解。首先，从任务性质上，划分为“硬件设计”和“软件设计”两部分。建议“零设计基础”学生先实现硬件系统，而后进行控制算法的研究。

如“快速高精度水温控制系统”这个课题。其实验任务：设计并制作一个水温自动控制系统。控制对象为500 ml自来水，容器为玻璃烧杯，加热设备为12V/8A直流电加热棒。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度变化时实现自动恒温控制，以保持设定的温度恒定不变。

基本要求：

1)温度设定范围为40～80℃，最小区分度为1℃；

2)环境温度变化时，温度恒定控制的静态误差小于等于1℃；

3)水温实时显示。

挑战要求：

1)采用适当的控制方法，当设定温度突变(如由40℃提高到60℃)时，系统的调节时间要尽量小，温度超调量小于等于0.5℃；

2)温度恒定控制的静态误差小于等于0.3℃。

在硬件设计层面，将整个实验根据电路功能模块进一步划分为6个小实验，分步进行探索研究和电路设计。

1)进行温度传感器特性测试实验。随着水温变化，用万用表测试温度传感器输出电压，帮助学生了解传感器的电气参数特性。

2)进行A/D特性测试实验。可通过滑动变阻器分压等方式作为A/D电压输入，观测A/D输出，了解A/D输入电压范围、参考电压、转换精度、采样频率等电气特性。

3)进行运算放大器应用设计实验。在理解了温度传感器及A/D特性的基础上，建议学生在面包板上搭建基于运算放大器的传感器信号调理电路，并与A/D对接。借助示波器等仪器，学生不难调试出信号调理电路。

4)进行A/D采样信号与FPGA联接调试实验。FPGA采集到的温度传感信号直接通过内嵌的示波器ChipScope功能在计算机上进行观察[12]。通过与成品温度计测试值进行对比，可以很方便地调试温度采集电路。

5)进行电热棒加热驱动电路设计实验。采用PWM(脉冲宽度调制)控制方式，通过FPGA输出不同占空比的方波实现加热功率的控制。

6)进行联合调试实验。在各部分硬件电路搭建完之后，硬件电路进行整体调试。建议学生将FPGA中的温度控制算法简化成“0-1”控制法[13]，即当前温度小于设定温度，启动加热；当前温度高于设定温度，关闭加热。将算法难度减至最小，以使学生集中精力处理硬件问题。

在面包板上完成硬件整体调试工作后，学生设计、外协加工、焊接PCB板，调试硬件电路。在硬件问题完全解决后，学生就可集中精力进行控制算法软件的编制，以实现挑战要求中的性能指标。

在软件设计层面，建议学生根据“先简后繁”的策略来进行设计：

1)测试“0-1”控制法达到的温度恒定精度、系统调节时间和超调量等参数，分析原因，寻找解决办法；

2)引入PID等闭环控制算法[13]，先只选定P项，进行算法实现，后测试分析；

3)加入I项及D项，测试分析；

4)根据环境温度、当前温度、设定温度等参数，自适应选取合理的P项、I项、D项及环境耗散热补偿参数值，以实现系统高精度恒温、快速调节、超调量小等指标要求。

对于已经具备设计经验或动手能力较强的学生，鼓励他们自由探索，不给他们设计既定路线以免束缚其思维。

对于部分学有余力的学生，可鼓励他们在项目完成后，继续在此基础上进行探索，可以设置一些启发性问题供学生们研究，如以下2个问题：

1)本系统设计中的恒温控制必须补偿环境温度的影响。而在人体温度计设计上，对环境温度的补偿是一大技术难点，能否将本项目中的控制原理用于高精度的体温计设计上？

2)机器人动作很难实现精确控制。能否将本项目的控制算法用于其中？对应的系统硬件应做哪些改动？

图3 学生们调试软硬件系统

学生通过本课程的学习，锻炼出了一定的系统设计能力，也具有了一定的创新能力，他们就会从心理上希望挑战一下其他项目，在其他项目上一试身手。这时，可以顺水推舟，给学生提供一些相关的信息及渠道：1)鼓励并推荐优秀学生参加各类大学生电子设计大赛；2)鼓励学生申请各级创新创业基金项目；3)推荐优秀团队及项目进入学校团委主办的“大学生创业孵化基地”进行产业孵化。这样，学生就有了更为广阔的继续锻炼他们创新及实践能力的空间，“电子系统设计与实现”课程也得以另外的方式继续在学生的能力培养中发挥作用。

4 考核方式改进

挑战性实验没有固定答案，这有别于传统的验证性实验课程，因此必须对现有的实验考核方式进行改进。考核的科学性、客观性、公正性是我们制定考核标准的依据。

为了保证考核的科学性，学生的实验过程和实验结果这两方面都被纳入考核范畴。为了提高考核的客观性，学生需提交一系列反映实验过程及结果的报告文档。这些文档包括：“项目设计报告”“项目结题报告”以及演示PPT。其中，“项目设计报告”需包含项目任务分析、实现方案推演、电路模块设计、控制算法仿真等内容；“项目结题报告”需包含系统硬件设计、PCB版图、实物图、软件流程图、算法描述、参数测试结果、项目总结及改进建议等内容。为方便学生规范撰写报告，课程组提供相应的文档模板供学生套用。

教师会从实验作品的新颖性、复杂性(难度)、实现完整性、展示环节等角度对学生进行考核。评分细则为：设计新颖性占20%，主要考量作品立意，硬件结构，软件算法等方面有无创新；设计难度占30%，主要评判作品软硬件系统的复杂性及实现参数指标的难易程度；完整性占30%，主要根据既定参数指标的实现比例来进行评定；报告及展示答辩环节占20%，主要考察学生的表达、思辨能力。

为了保证考核的公正性，考核办法会在课程微信群中予以公布，并接受学生的反馈意见。修正后的考核办法生效执行。实验报告成绩因为其客观性及可追溯性很少有学生提出异议，但会有少部分学生对答辩环节成绩提出质疑。为减少答辩成绩评定中的人为因素，课程组3位教师一起参加答辩成绩评定。学生的答辩环节成绩是三位教师所给分数的平均值。此举措在很大程度上保证了考核的公正性。

随着课程运行，考核办法也在不断改进。匿名问卷调查结果表明，超过84%的学生认为现行考核办法能够或者比较能够客观公正的评价学生成绩。

5 初步教学效果

课程从2015年开始建设，2016年正式开出。两年来，学生作品完成情况的统计表明，大概25～30%的学生能完成挑战指标，20～25%的学生完成了部分挑战指标，剩下的学生都能完成基本指标。在评教意见中，学生们也反映通过课程学习，锻炼了系统设计、创新、团队合作等多方面能力，使他们的自信心得到了提升。

学生们对该课的教学也高度认可。该课2015～2016学年的学生评教成绩是93分，2016～2017学年评教成绩达到了95分，大幅超过了电子科技大学实验课和挑战性课程的平均成绩。这门课在学生中也建立起了良好的口碑，选课人数逐年增多。2018学年，拟将教学班级扩大到2个。

图4 学生评教成绩

另一方面，该课在学生创新能力培养方面也发挥了积极作用。据不完全统计，通过该课程学习的学生中，有6人次获得“挑战杯大学生电子设计竞赛”、“互联网+大学生创新创业大赛”“飞思卡尔智能汽车大赛”等国家级电子类设计大赛一、二等奖。12人次获得省部级一、二等奖。4人次获得校级以上创新创业基金支持，16人次获得学院级创新创业基金项目支持。尤为值得一提的是，某同学在课程实验的启发下，提出的创业项目“高精度非接触式体温计”通过学校“大学生创业孵化基地”的孵化，已在京东创业资金众筹平台上成功募集资金超过200万元，为创业成功打下了良好的基础。

该课程的教学也获得了同仁及专家们的认可，其教学成果获得了2017年度电子科技大学 “教学改革示范二等奖”以及“第五届全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛二等奖”。

6 结束语

挑战性实验课程的开设在对学生创新能力、实践能力培养上能起到其他课程形式难以企及的作用。挑战性实验课程既是对学生心理和能力的挑战，同时也是对教师自身能力和甘于奉献精神的挑战。如果说高校教师在科研工作中加班是家常便饭，那么担任挑战性实验课程的教学，加班也是稀松平常。

“电子系统设计与实现”课程组在教学研究中进行了一些探索，初步取得了较好的教学效果。但我们深知“行百里者半九十”，课程组将与时俱进，不断引入先进教学理念及方法，并一如既往地发扬甘于奉献、勇于探索的精神，继续在挑战性实验课程的教学研究事业上俯身耕耘。