《综合电子创新实践》教学改革探讨与实践

陈春 路明 黄捷

摘 要：为进一步培养学生的创新能力、实践动手能力和团队协作能力，通过《综合电子创新实践》课程的教学实施情况，对课程教学的内容、教学的形式以及考核方法和评价体系等几个方面的改革进行了探讨，通过近年来的教学探索和改革实践效果来看，以学生为主体的实践教学体系，对调动学生的主观能动性，提高学生对课程的实践兴趣，以及增强创新能力和实践能力都起到了积极的作用。

关键词：实践教学；教学改革；创新实践

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）24-0025-04

Abstract： In order to cultivate students' innovation ability， practical ability and team collaboration capabilities， through analyzing the implementation of the "innovation" of integrated electronic teaching， the reform of teaching content， teaching form and evaluation methods and evaluation system is discussed. Through the teaching exploration and reform practice in recent years， the student centered practice teaching system has played a positive role in mobilizing students' subjective initiative， improving students' interest in curriculum practice， and enhancing their innovative and practical abilities.

Keywords： practice teaching； teaching reform； innovation practice

引言

《综合电子创新实践》课程是三江学院电气类专业为了进一步培养本专业学生对专业基础课程的综合应用能力和创新实践能力，而特别开设的一门综合实践类必修课程，其不仅对学生在基础课程综合应用能力方面有要求较强，还要求学生有较强的综合创新动手能力。针对学生的学习情况和课程的教学内容要求以及培养目标的要求，近年来在课程的教学资源、教学方法、教学手段等多方面进行了改革和尝试。

一、课程的定位

《综合电子创新实践》课程主要安排在大三下学期学期末的集中实践阶段，是在学生完成电子技术基础理论课程和相应的专业基础课以及部分专业课后安排的一门以微处理器应用为基础的综合性实践课程，它是并不针对哪一门具体课程而设置的实践环节，要求学生在一定的范围内自选实践课题，运用学过的知识，完成从课题选择和论证、方案选择与制订、电路设计、电路调试、软件编制测试、成果测试的整个过程，从而对解电子系统设计的整个过程有一个较为全面的认识和了解。既区别于针对某一门具体课程的课程设计集中实践环节，也不同于针对理论课开设的配套验证性实验课程，传统意义上课程实验和课程设计主要是为配合理论教学，而毕业设计其课题内容大多是由指导教师的科研课题要求来决定的，并不是从学生在校所学知识内容结构的角度来决定的，这些实践环节在学生的主动性和创新性的发挥都受到限制，因此，从与实验课和课程设计以及毕业设计的区别上，来考虑综合电子设计实践课程的功能和作用定位，并制订相应的教学内容和教学形式，是使本课程取得较好教学效果的关键之一。

二、梳理教学档案，分析课程存在的问题和改进方向

重新审视课程的目标和任务要求，梳理现有软硬件教学资源，以综合性创新应用实践教学为主导，根据学生的具体情况因材施教的设计课程。

（一）课程概况

由于我校教师结构的特殊性，该课程最初由来自东南大学的兼职教师进行负责授课，最初的教学内容和教学形式也都沿袭了东南大学的综合电子创新课程群的部分内容和形式，经过最初几轮的教学实践发现，这种基于专业基础课程的综合性实践课程在一定程度上给学生的创新能力和专业知识综合应用能力带来的提升，但“教”和“学”之间在教师对学生学习基本学习状况的认知、教师对授课内容的难易程度的把控、学生自身知识水平以及对待课程的态度等多方面存在的问题，使得课程实施的实际效果并没有很好的达到预期。

（二）硬件实践平台上手难度大

《综合电子创新实践》课程采用东南大学自研的ESD-5综合性实验箱为实践平台，实验箱主控采用了MCU+FPGA的结构形式，具体包含ATMEL公司的51单片机、AlterEPF10K10系列FPGA、Lattice的ispPAC20可编程模拟器件、矩阵键盘、多位LED数码管、320*240单色多层LCD显示器组成，并带有外部ADC和DAC芯片，功能强大，其结构如图1所示。

从结构上看试验箱并不复杂，并没有太多花哨功能，由于采用MCU+FPGA构架实验箱的系统资源和系统配置也具有高度的灵活性和综合性，对学生的单片机基础有一定的要求，尤其作為最基本的人机交互设备矩阵键盘输入和LED数码管显示设计上，不同于常规单片机类实验箱的接口方式，其矩阵按键需要学生首先掌握对FPGA编程才能使其连到单片机，而LED数码管则需要通过对6片I2C接口的74HC164串并数据转换芯片级联编程实现6位数码管的显示。由于其硬件设计的综合性和特殊性，加大了看似简单的LED显示人机交互模块的程序复杂度和驱动编程难度，使得学生在理解范例上和基于此的灵活修改的难度也大为加大，容易造成在进行基础模块编程实践时花费过多的时间和精力，从而影响多个模块的综合编程应用，极易影响学生动手实践和学习的积极性和主动性，最终使得教学预期目标难以达到。

（三）实践课时数不足并且安排分散

总课时大约32学时分11周进行，由于课程是定位于专业方向的综合电子设计应用，有必要花费一定的课时用于与本课程有关的知识进行回顾和针对性地讲解，以便学生能更好地从以前的理论学习及实践经验过度到综合设计实践应用。因为涉及专业知识点较多而广，这部分内容大致需要花费6课时，余下的大约26课时分9次课用于完成实验箱基础模块的单项训练以及进行课题的综合设计，由于实践内容的前后关联性大，分散进行的实践教学一定程度上打撒了实践教学的完整性，往往上次才学习实践过的内容，这次上课基本上又忘了了一大部分，学生的学习兴趣和积极性非常容易受到影响，从而形成恶性循环，使得课程实践在一定程度上难以顺利推进。

（四）教学资源和教学方式与学生知识水平不匹配

课程的软硬件教学资源以及实施方式多年来一直参考东南大学的教学，但事实并没有充分认识到两种不同层次大学的学生在学习等各方面存在的巨大差异，而仅是从现有教学资源中选取相对简单、易于教学的内容用于我校学生的实践教学，教学方式上，先进行统一单项训练集中授课，而后留一半的课程时间给学生完成给定的综合性课题。这种教学方式和课程内容设置忽略了学生的知识水平差异以及学生存在的学习的目的性因素，从而影响学生学习积极性和能动性，难以达到预期的教学目的。

三、以学生为主体，软硬兼施突出因材施教的实践教学

（一）改进考核方式，注重实践过程管理和考核

《綜合电子创新实践》课程总共32课时，教学采用“一三制”教学，即四分之一学时集中授课进行必要知识复习与讲授，四份之三学时学生进行自主创新实践。课程考核采用“一五二二制”，即选题开题占总成绩的10%，课程实施过程占50%，结题验收20%，最终设计报告占20%。学生是教学活动的主体，自主创新实践部分主要包含学生选题、方案实施、课题结果演示讲解、设计报告书写等，实践教学内容、教学计划以及过程管理和总结验收等资源的设计和安排必须坚持因材施教的原则，所以，以学生为主体的自主创新实践教学必须认真考虑学生特点和基础先修课程的知识学习情况，从学生专业方向和学科特点，合理选择和设计实践教学范例内容。

为了使学生为主体的自主创新实践教学能顺利的展开，要避免演课程变成无目的、无思路、无计划，最终无所事事的“三无”实践课程，因此，如何因材施教地进行自主实践引导就显得特别重要。通过“一三制”实践教学的集中授课过程可让学生对课程有个总体的概念，包括了解课程的地位和课程概述及开展形式，并通过授课使学生回顾一些课程实践必要的基础知识和课题实践的过程。

常规实践教学过程，学生已习惯了通过实验实践指导书上的步骤和指导按部就班的完成整个实验实践过程，所以必须让学生认识到本课程实践活动与以往实践课程的区别，并明确实践目标和考核要求，使学生在思想上对课程有个正确的认识，端正学生对待课程的态度，使学生充分认识自己在实践过程中应该扮演的角色。

为让学生更好地接受与以往有明显区别的实践教学，需要学生明确在课程实施过程的任务和要求，同时，也为了使实践教学更好地符合各专业学生培养的要求，在实践范例的设计上考虑了各专业的特点，针对三个专业分别设计跟贴近专业的实践的范例课题内容进行分析讲解，通过课题的提出、课题任务的剖析，了解完整电子系统设计的整个过程。

（二）构建通用硬件基础平台

在综合考虑以往的教学内容教学方式后，以及分析项目组自身存在的问题后，项目组决定分阶段进行教改的实施，在2015年上半年开始的第一轮教学中进行小部分改革，在教学内容上，逐步增加部分与专业方向有关的综合性课题，作为现有课题的补充，同时逐步考虑学生的知识水平以及对于本课程学习的目的性，不再对全班同学进行统一性的要求，对学习基础和课程考核要求不同的学生提出不同的任务要求。

通用基础硬件平台的设计：

由于实验箱数量有限，学生无法单独借用实验箱在课外进行课题实践，实验箱是2002年左右的设备，微处理器采用25针并口的下载调试端口，但现有笔记本电脑上已取消，所以，学生也无法自己用笔记本给实验箱下载程序，另外也是考虑到目前入门级微处理器的发展现状，国产51单片机的价格和下载方案上都要大大优于实验箱上采用的国外的单片机，所以单独额外设计了STC51单片机最小核心板，并且在功能定位上不打算和原有实验箱一致，而是主要用于非实验箱的课题设计。核心板以国产STC公司的STC15F2K60S2为核心，板载三色LED灯和两个独立按键，以及USB转串口的程序下载模块，将单片机的所有IO口都进行了扩展，并且和电脑连接的端口采用目前通用的USB接口，只要连上电脑就可以下载程序，使用极其简单高效。此硬件平台为后续的创新实践的顺利实施提供了简便可靠的基础。学生通过参考实例就可以很方便地进行硬件测试和二次开发。

此外，虽然多年来不仅在高校中8051内核单片机仍然是单片机课程的主要内容，还有在工业应用中仍然占据着很大的市场份额，但近年来随着ARM内核微处理在市场上的广泛应用，尤其是以ST意法半导体为代表的STM32系列ARM微处理器在市场上非常成功的推广并得到广泛应用，在就业市场上也相关岗位的招聘条件中，逐步以掌握类似STM32的ARM微处理器为基本条件，因此，为了给对学习有更高要求的学生提供更好的基础实践平台，特别设计采用基于ARM微处理的STM32F103最小核心板，同样，核心板除了板载基于USB接口的微处理器程序下载器外，还设有多个LED灯和按键并将微处理器所有的IO口都引出便于二次开发，因此学生只需一根USB电源线便能随时开始实践，极大提高了学习实践的自由度。

四、采用项目驱动式教学法，有效实施分层次的实践教学

（一）多层次专业实践与实用趣味结合，激发学生实践的热情

为了使学生在自主选择课题时有一个相对明确的范围，设计了多个不同难易程度的课题供学生参考，为进一步激发学生实践的信心和热情，这些课题设计时也考虑到了课题相关资料的获取的难易程度和课题的趣味性，比如设计自动寻迹小车、蓝牙小车设计、避障小车设计、RFID的门禁设计、基于LED的光立方设计等在学生中较为容易入手实践的课题。

考虑到学生专业方向不同、知识水平的多层次以及学习目的的不同，设计了多个不同专业方向和实践难度的课题作为学生实践的参考范例，通过范例学生可以了解电子系统设计从任务指标拟定、方案论证选择、硬件电路设计、软件算法和流程图绘制、系统调试和指标测试、分析总结以及设计报告书写的全过程。目前我院开设本课程的主要有电气工程及其自动化、自动化、智能楼宇专业，范例的设计主要从交流参数采集、电源类、自动控制、智能楼宇几个方向作为各专业的典型考虑。

交流参数采集。电力系统中通过对交流信号的采集与分析来判断电网的质量、用户的用电情况，对交流信号参数的采集具有非常典型的现实意义。实践教学中，通过对安全电压范围内具有一定相位和功率的交流电压和电流的采样检测，掌握交流信号的采样与处理技术，此例需要学生会利用单片机实现AD转换和显示功能，实现难度中等。

数控直流稳压电源。制作输出电压范围可调的数控直流稳压电源。具有基本的人机交互编程，用户可通过安检设定输出电压的大小，并在显示设备上显示设定的值和实际输出值，难点是设计电压调整电路，此外需要对AD/DA进行编程，本身课题难度稍显大，不仅需要编程，还需要对相关硬件电路进行设计，但是此课题网上参考资料丰富。

温度控制。温度是自动控制系统中非常典型的控制对象，由于温度的惯性大，实际上具有一定的控制难度，需要编程实现数字PID算法实现对温度的精准控制。难度适中。

门禁系统。门禁是智能楼宇中最基本的配置。需要通过编程实现IC卡的读取和权限管理，难度较小。

对于专业性强的实践教学内容，学生更愿意接受和实践的内容是没有特定专业背景的相对比较简单的电子创新设计实践内容，比如：控制类的实践课题更愿意做小车控制；检测类的超声波测距；比如可观性强的发光矩阵POV显示等等。

（二）充分论证课题，确保课题实施可行性

进行正确科学的选题是确保课题顺利实施的基础和保证，所以充分的课题论证和方案选择设计显得尤其重要。

由于学生知识水平之间的差距以及专业兴趣的差别，传统的实践教学难以做到因材施教，或者没有条件实现因材施教。而以学生为主体的创新实践课程，学生可以根据自身的学业情况和兴趣选择相对合适的课题，课题由2-3人为一组进行自由组队，学生确定队员后进行课题的选择，在这一阶段，要求学生首先通过各种查阅资料，在明确课题任务和具体指标要求情况下，并对硬件方案进行分析比较。同时也为锻炼学生的团队协作以及讲解能力，要求每组学生在讲台上针对自己最终选择的课题进行为时5-10分钟的课题讲解，讲解内容包括：课题具体的任务、期望达到的相关指标参数、课题2种以上可行的硬件实施方案分析比较并确定最终选定的方案、最终期望的成果及效果、课题组成员具体的任务分工以及各自工作计划和阶段性时间点安排。

为确保课题的顺利实施，需保证课题本身的可行性和课题难度符合学生目前的知识能力水平，也就是课题“可做、可行、可实施”，因此课题组成员在完成课题介绍后，由授课教师对课题尤其是硬件方案进行把关点评，对课题中要注意的重点和难点进行分析讲解。

（三）着重过程考核管理，确保课题顺利实施

凡事预则立，不预则废，学生为主体的实践过程必须注重课题的计划管理和实施过程管理，为了加强过程管理的执行力，在课程考核中，课题实施过程中的考核比例达到50%，考核内容包括课程出勤情况、课题实施过程的学生主观能动性、阶段性成果的完成情况等，督促学生认真执行课程日程计划，每次上课都带着明确的目标和任务来，同时促使学生投入必要的课余时间来保证课题按时顺利完成。

以硬件设计为基础的创新实践课题，如果要求学生完全从零开始完成硬件方案选择、电路设计、电路制版、焊接、硬件调试、一步步完成软件开发及整机调试整个过程，实际上对于老师来说这个期望和要求是不切实际的，对绝大部分学生来说短时间内也是不可能完成的任务，因此，课题的硬件实现方案允许学生参照或选用现成的功能模塊来完成目标系统整合，鼓励学生通过查阅资料移植网络上现有的软件代码到自己课题中，通过软硬件综合调试最终完成课题内容。

（四）切实发挥教师的指导辅助作用

指导教师是学生课题实践过程中结实的后盾。学生在实践过程中很容易由于碰到某一个小问题就以消极的态度对待课程，因此，为使课程能顺利进行，教师首先需对学生选择的课题进行认真分析和把关，并提出切实可行的建议。其次，随时主动关注每个课题的实施情况，对学生实践过程中提出的难题能及时进行指导和提供切实可行的解决方案。

认真做好课程的最后一次课进行结题验收，要求课题组成员制作演示幻灯片，向全班同学演示设计成果，讲解成果的功能特点。结题验收不仅让学生在同学面前展示自己的设计成果，也通过项目总结分享课题组在设计过程中遇到的问题及解决的办法，分享其中的乐趣。

五、结束语

多年来，《综合电子创新实践》课程的自主创新实践模式在教学实践中不断探索，根据我校学生的具体情况，在软硬件教学资源、课题设计范例、教学模式、过程管理、考核验收能多方面不断优化积累，课程建设越发完善。多年来的实践结果来看，以生为主的创新实践教学取得了较好的效果，学生在本课程中不仅培养了实践动手能力和创新能力，还通过团队协作，锻炼实践主体的责任意识，主动克服各种困难，经历电子系统设计的全过程，完成了课题成果的设计和制作，从有别于传统实验实践课程的实践中完成了项目锻炼，进一步增强了学生的综合竞争力。

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