“电子系统综合实训”教学改革实践

陆欣云, 黄家才，杨 雪，刘 静

(南京工程学院 工业中心，江苏 南京 211167)

0 引言

目前，普通本科院校都会在自动控制类及电子信息类的专业培养方案中安排“电路分析基础”“模拟电子技术”“数字电子技术”等专业基础课程，并且会在学完这些课程之后安排“模电课程设计”和“数电课程设计”。我校原来的“模电课程设计”要求学生在一周的时间内完成一个连续可调直流稳压电源或“正弦波-方波-三角波”发生电路的设计，并在面包板上搭建和调试此电路。“数电课程设计”要求学生在EDA实验箱上完成一个8人抢答器或者数字钟等电路的实现。

由于单门课对应的课程设计内容相对不是一个综合的电子系统，而且实际的电子产品从形态上与课程设计的作品有较大的差异，为了让学生能够获得综合电子系统设计与制作的训练，使学生在毕业前能具备良好的工程素养，毕业后能胜任相应的研发类或工程类工作岗位。我校对电子技术课程设计进行了改革，开设了“电子系统综合实训”新课程。

“电子系统综合实训”整合了原先“模电课程设计”“数电课程设计”“电子工艺实习”三门实践课的内容，采用四位一体教学模式来开展这门课的教学活动。四位一体教学模式是指从“工程化环境，项目化载体，团队式指导，协作式学习”四个方面来全面开展课程的实施。四位一体教学模式具体内容包括教师教学团队的组建，对教学场地搭建规范的工程化环境，采用项目化教学方式，指导学生组成学习团队，进行协作研讨学习。基于项目教学法的“电子系统综合实训”课程的开设是一种创新型互动性的实践教学模式探索[1]。

1 四位一体教学模式的实施方法

1.1 搭建工程化环境

搭建工程化环境旨在为学生提供从事电子系统产品设计开发的模拟场景。电子系统的设计与制作本身就是一个富有创意的实践活动，参考国际领先的创客空间建设解决方案，为教学实践场地开辟了五大区域：教学区用于对学生进行集中授课，主要由可以活动的桌椅构成，桌椅可以拼装成不同规模的大小以便小组成员之间进行研讨与交流。制作区为每一组的学生配备了一整套装配调试平台，其中包括焊接台、计算机、示波器、信号发生器、直流稳压电源、万用表、工具箱等。让学生可以在这里进行电路设计及辅助分析、电路板的焊接与调试等工作。工具区主要提供给学生一些公用的制作设备及工具，包括打印机、热转印机、3D打印机、激光雕刻机、虎钳、台钻、博世工具挂板、热水壶等，各组学生可以共享使用这些工具设备。收纳区一方面存放制作中用到的电子元器件等材料，另一方面收集学生制作的过程中产生的电子垃圾从而进行环保处理。展示区用橱窗或立体货架展示历届学生制作的优秀作品。建立起他们对各种电子系统的直观认识，以拓宽学生的思路，激发他们的灵感。完善的工程化环境为学生进行创新实践学习活动提供了有力的保障。我校所搭建的工程化环境如图1所示。

图1 工程化环境布局示意图

1.2 以项目化教学为载体

“电子系统综合实训”的内容是以一个具有实际应用价值的小项目作为载体进行学习与实施的。为了让学生得到综合的训练，同时也能激发学生学习设计制作的兴趣，并且能在三周的时间内完成此项目，因此项目的选择显得尤为重要。经过教学团队的探讨与实践，目前已开发出智能循迹小车，信号的产生、分解与合成，LED点阵显示与驱动电路等若干个课题[2]。其中智能循迹小车项目要求一个学生团队设计制作出一个可以在白色路面上自动沿着黑色轨迹行走的小车，并且能实现对运行的时间进行计时。该项目运用到模拟电子技术中光电对管检测电路、电压比较器电路、三极管驱动电路、LED控制电路等内容。还运用到了数字电子技术中组合逻辑电路、计数器、译码器、分频计时器、数码管的驱动等内容。项目要求学生们学习Altium Designer软件去设计模拟部分的电路，包括电路的原理图及其PCB，并采用蚀刻的方法制作出电路的PCB，进行焊接调试。智能小车实现计时显示属于数字电路的范畴，结合当代数字系统的设计方法，采用Intel公司的FPGA器件来实现数字电路的部分，由于在实验室采用蚀刻方法很难制作出双面PCB，手工制作的电路板很难适合高集成度的FPGA器件的焊接，因此将数字系统部分的硬件电路设计成标准的核心板提供给学生，并引出FPGA器件的I/O口用以与外围电路进行连接。这样学生既获得了PCB电路开发的实践锻炼，也获得了数字系统开发的训练，并且需要把二者有机地融合起来才能最终实现智能小车的功能。通过实践教学发现，学生对电路板的制作过程有极大的兴趣，并且在制作的过程中会添加自己的创意在电路板上，例如添加自己小组的团队名称和LOGO在PCB上。同时在制作的过程中会体会到设计中的缺陷给作品制作带来的问题，例如，布线宽度太细导致铜膜导线易断，焊盘设置太小会导致焊接困难等问题。学生根据问题进行修正，积累了设计制作经验。

基于模数电的项目教学开展的效果很好，实际的电子系统中大多数情况还会有单片机的存在，因此我校还进一步地推出了为时五周的基于“模电”“数电”“单片机原理及应用”“传感器与检测技术”等四门课综合起来的课程设计[3]。由于学生已经具备了更多的专业课程基础，因此可以拓展更多的项目训练课题，目前已经开展了如表1所示的实践项目训练案例。

表1 实践项目训练案例

对于这些项目的数字系统实现部分，学生可以选用单片机，也可以运用FPGA器件去实现。这样可以基本保证一个班级中不同组别间做的项目有差异性。而每一个项目本身的设计目标及内容可以在每一年的实践教学过程中进行不断地优化迭代。

1.3 教师团队式指导

项目化教学的电子系统综合实训涉及到较为宽广的知识和技能，这对指导教师也提出了较高的要求，并且在实践过程中学生可能会遇到各种问题，指导教师也要有丰富的经验来面对这些问题。学生的实训活动是在连续3～5周内完成的，如果只有一名教师全程负责这们课程，务必会给教师的工作带来巨大压力，而且也会影响实践教学的效果，因此，建立一个有分工、有协作的指导教师团队是必要的。我校在每一个班级的教学过程中组建了4～6人的教学团队，要求班级的学生自行选择不同的训练项目，每一个项目有两名熟悉此课题的老师来负责，任意一个时间点内每个项目组至少会有一名老师在实践场地。每一个项目的负责老师可以有主攻模拟电路部分及PCB设计或数字系统的设计与综合部分的分工。这样的团队式指导让学生在实践过程中遇到的问题能得到有效的解决，同时也减轻了教师的负担。在这门课程的开展过程中指导教师一定会看到不同学生实践能力与兴趣的差异。教师可以在班级中选拔优秀的学生作为后续其他班级教学的教学助手。让他在课后协助教师去解决其它班级电子系统综合实训中遇到的各类问题，这大大提高了该同学的实践能力和素养。因为学生之间的相互沟通会比教师与学生之间的沟通更容易深入，这样会大大提高教学效果，减轻教师的工作量。学生任教学助手经过这样的锻炼后，还可以在教师的指导下参加中国机器人大赛或者全国大学生电子设计大赛，也一定能取得不错的成绩。

1.4 学生组建团队进行协作式学习

学生在学习实践过程中的互相沟通交流是必不可少的，在完成一个具体项目的时候需要组建团队，团队的成员间进行分工协作，最终才能将项目尽快实现。电子系统综合实训的项目化教学就是给他们进行团队学习实践模拟的一个好机会，这是对学生今后进入工作岗位与同事协作的一种前期培养。课程中要求学生之间自行组队，三名同学为一个小组，共同完成所选的项目，每个同学负责作品的某一个模块。在完成的过程中，每一个小组会分配一个组桌，方便他们讨论方案，设计、制作、调试等。给每一组同学配备基本的一套仪器、工具、材料。由于在一个班级中开展的项目不可能每组都不相同，不同组别之间分配的任务会有类似的，他们之间也是可以相互交流和探讨的，在评定成绩方面可以对每个组的作品设计、制作、性能等各个方面给予成绩评定。

为了防止做相同项目的组别某些同学有畏难情绪而出现抄袭其他同学的设计的情况，对同一个项目可以要求他们采用不同的方案实施，而且可以在项目要求上进行区分。例如：针对环境信息采集及LED点阵显示系统项目设定了5项不同的基础部分要求，要求他们至少完成3项。另外，设定了13项不同的提高部分要求。要求不同组别之间为了获得提高部分的成绩必须选做不同的提高部分的内容。这样不同组别的成员可以相互借鉴学习，却不能完全抄袭。该项目的考核具体要求如表2所示。从近5年的课程实践效果来看，并没有出现之前担心的有的组完全照抄其他组的设计的情况。

表2 LED点阵显示系统项目要求示例

2 结语

项目化教学是工程类专业教学的先进产物，“电子系统综合实训”的课程特征使其比较适用于项目化教学的方法[4]。

运用四位一体的项目化教学方式，学生有着一个完整的项目作品设计任务，在综合化的实践场景下，能够团队协作地去完成任务，将理论与实践相结合，为其团队设计的作品赋予他们的创造力与想象力，学生不仅学习了知识技能，更重要的是激发了他们从事电子设计的兴趣与热情，培养了良好的工程素养，为他们今后从事本专业的工作奠定了坚实的基础。从目前的实践效果来看，这项教学改革对提高学生的工程实践能力得到了显著提高，经历过电子系统综合实训的大量学生在全国大学生电子设计竞赛、中国机器人大赛、大学生科技创新基金项目中有着优秀的表现。