电子系统设计实践范例教学模式探索

许志猛 李娟 陈良琴

[摘 要] 文章利用范例教学法，对电子系统设计实践的课程内容设置和教学方法改革进行探讨。基于开源的开发平台，与时俱进地设计出智能电子系统的范例;在教学方法上，以提供的范例为基础，引导学生独立完成不同功能智能电子系统的设计，提高学生学习的主动性。

[关键词] 范例教学;开源平台;电子系统设计实践

[基金项目] 福州大学第十批高等教育教学改革工程项目“基于范例教学法的《电子系统设计与实践》实践教学改革研究”（2017-67）;福州大学一流本科教育教改项目《电路类专业课混合式教学模式改革与实践》（FDJG20190028）

[作者简介] 许志猛（1980—），男，博士，副教授，研究方向为无线智能感知与传输技术。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0194-02    [收稿日期] 2019-11-04

一、引言

加强电子系统设计课程实践的教学，不仅是电子类专业培养的需求，同时也是适应社会需求、落实教育部提高高等教育质量要求，探索以提高实践能力为重点的人才培养模式的必然举措[1]。

与电路等基础课不同的是，学生在修习电子系统设计实践课程时，迫切希望能在实践中设计的系统与生活中常见的电子产品相联系。近些年来，各种基于物联网和手机的智能电子产品层出不穷[2]，而我校原有的电子系统设计实践教学内容已显陈旧，与快速更新换代的电子产品脱节，无法调动学生学习兴趣。为此，本文探讨了利用范例教学模式，结合当前流行的开源平台，进行电子系统设计实践教学内容及改革的方法。

二、课程教学现状

笔者自2005年起参与我校电子系统设计实践教学工作。该课程早期的教学模式是参考全国大学生电子设计竞赛的方式，以历年的竞赛题目作为实践内容。近些年来，随着电子设计竞赛赛题难度的增加以及对元器件、材料和测试环境要求的不断提高，以赛题为实践内容已经很難继续推行下去。因此，课程设计了一些实践课题供学生选择。以2010级教学计划为例，提供的选题包括：①多路智力抢答器;②数字电压表;③循环彩灯控制系统设计;④红外遥控收发系统;⑤数字钟的设计等。考虑到电子系统设计实践覆盖的教学内容较多，为了保证学生可以在规定学时内完成软硬件设计和制作，在实践题目的设置上，存在着许多问题。如果题目深度和广度大一点，大部分学生很难完成实践内容。因此，从上述选题可以看出，课程提供的许多题目功能单一，并且内容和单片机、电路等课程设计有部分重复，学生不仅学习兴趣不高，也无法从课程中学到足够的新知识。因此，近几年来，我们通过开放学生自拟实践题目的方法，尝试调动学生的兴趣和学习积极性。但是，由于学生知识结构的限制，仅有一小部分学生可以提出比较好的课题，大部分学生自拟的课题不是过于简单，就是直接从网络上找到的课程设计，无法满足课程教学的要求。

通过分析，我们意识到学生对课程提供的相对陈旧的实践题目兴趣不大，但是让他们以生活中常见电子产品为原型来自拟课程实践题目，又普遍觉得难度太高，无法完成。因此，有必要对电子系统设计实践的课程内容和教学模式进行改革，从而更好地培养学生实践动手能力和创新能力。

三、课程教学改革

针对以上情况，我们首先结合范例教学法更新了新的实践题目。新的题目设置中综合考虑可操作性、趣味性和与应用衔接等特色，尽量满足不同学习程度的学生的需求，激发学生参与实践的热情。我们设置了三大类实践题目：第一类是相对比较简单的控制系统课题，此类课题的范例基于Arduino开源平台[3]进行开发;第二类是具有联网功能物联网控制系统课题，此类课题的范例基于ESP8266芯片的Node MCU[4]进行开发并采用了免费的机智云云平台实现远程联网控制;第三类是具有较高计算能力要求的图像、音频和视频处理系统课题，此类课题的范例基于开源硬件平台树莓派[5]进行开发，采用OpenCV[6]和百度语音识别等开源软件资源实现了图像和语音识别等功能。由于上述三类课题中涉及的知识内容非常多，无法在有限的学时内对涉及的每一个知识点进行详细讲解，根据范例教学法，我们选用的上述三类课题采用的都是当前比较流行的开源平台。学生可以从GitHub等许多共享网络平台上找到很多的开发案例。因此，我们在设计范例教学内容时，努力使教学内容体现本质的、典型的知识和规律，以便在教学中能起到举一反三的作用。

另一方面，在教学方法上，根据范例教学法，我们在实践教学中不是简单再现和传授知识、技巧，而是启发、引导、辅助学生主动积极地通过思考进行学习。因此，为了充分发挥学生的学习主动性，我们在范例设计中，仅给出了最基础功能的实现方案，要求学生根据我们提供的案例，通过增加附加的软硬件，自拟一个具有完整功能的电子系统方案，并自行完成相关软硬件设计和实现。

四、课程教学改革成效

经过两年的教学改革探索，我们发现，通过精心设计的教学范例和改进的范例教学法，学生可以将学习内容和实际生活中的电子产品联系起来，保持了较高的学习兴趣，同时，在完成自拟题目的设计和制作过程中，学生需要根据自己的知识储备补充相关知识的学习，学习主动性得到了充分发挥。具体总结如下：

1.由于范例采用了开源平台，学生普遍反映可以节约在制作基础硬件平台上的时间，从而可以集中精力在电子系统的功能设计上进行思考和拓展。教改实施之前学生普遍采用自己焊接的MCS-51单片机作为开发平台，考虑到单片机系统的调试和制作属于《单片机课程设计》这门实践课的教学内容，本课程再让学生在此方面花费太多时间和精力不太适合。教改实施后，采用的开源硬件平台具有网络连接等功能，扩展性强，同时也克服了自制单片机系统稳定性差、调试时间长等缺陷，可以更好地让学生专注于系统设计方面的学习和实践，学生自拟的课题功能多样性显著提升。

2.课程提供的范例和实际生活中的电子产品具有较强关联性，同时结合了最新的一些电子产品设计技术，作为开发原型功能扩展性较强。这极大提高了学生的学习兴趣。例如，提供的物联网控制范例为一个可以在手机端远程识别环境亮度并控制LED亮度的系统，经过简单修改和扩展，可以构成一系列的智能家居远程控制产品，而提供的语音识别范例，也可以扩展成当前比较流行的语音控制和智能语音产品，如智能音箱等。学生对自己可以完成一件智能家居产品的设计和制作抱有极大的兴趣，学习的积极性和主动性得到了显著提升。

3.由于电子系统设计实践的课程教学内容可以很方便地和各类学生实践创新项目和竞赛结合在一起。因此，教改实施后，学生可以直接将实践内容修改后参与各类竞赛和创新项目，有助于多层次的实践教学体系的建立。例如，2018年选修本课程的学生在完成“基于手势识别的智能家居控制器”的课程设计后，经过完善和补充，获得了2019年第九届“锐智杯”福建省大学生智能设计大赛二等奖。该课题就是从课程提供的第三类范例，基于树莓派的图像识别系统中通过学生的自主学习开发出来的。

五、结束语

本文探讨了电子系统设计实践中范例教学法的应用，通过基于开源平台精心设计的教学范例，以及能够启发、引导学生主动积极地通过思考进行学习的范例教学方法，实现了教学效果的提升，并增强了学生学以致用的实践能力与创新能力。

参考文献

[1]潘杨，朱磊，张晓丹.工程教育专业认证背景下电子信息工程专业实践教学体系的改革探索[J].教书育人（高教论坛），2017（30）：87-88.

[2]王海，王志红，梁科，等.基于物联网智能家居系统的综合创新性实验设计[J].实验室科学，2015，18（6）：71-74.

[3]劉哲旭，赵珍.基于Arduino开源平台的电子创新实践教学研究[J].实验室科学，2019，22（1）：135-138.

[4]王浩，王东.基于NodeMCU固件平台的RGB三色灯远程控制设计与实现[J].软件工程，2017，20（5）：47-50.

[5]刘琼.基于树莓派的应用型开放实验[J].计算机教育，274（10）：55-57.

[6]李大湘，王小雨.基于OpenCV的《视频图像处理与分析》案例教学设计与应用[J].现代计算机（专业版），2018，631（31）：43-46.