改革实训教学模式，提高学生综合设计能力

宋华军, 邵 帅， 刘润华, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

·实习与实训·

改革实训教学模式，提高学生综合设计能力

宋华军, 邵 帅， 刘润华, 任旭虎

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院， 山东 青岛 266580)

试验箱的实训教学方式，不能切实提高学生的实践能力，很难满足用人单位的要求。针对这一问题，在小学期制的教学模式下，根据电子信息工程专业的特点，设计一套从软件到硬件，从简单到综合的系统实训培养方案。在大一小学期软件设计实训，提高学生软件编程能力；大二单片机硬件设计实训，让学生自主设计开发简单的硬件系统；大三电子信息综合实训，学生设计软件和硬件集成的完整系统，锻炼综合设计的能力。以大三小学期电子信息综合实训为例，详细介绍了整个设计过程，最后展示了学生的实训成果。实训证明，学生通过这种实训模式，不但有极大的兴趣，并且提高了电子信息工程硬件和算法的综合设计能力。

电子信息工程； 实训教学； 小学期； 单片机系统； 综合设计能力

0 引 言

随着社会对电子信息工程专业人才需求不断增长，要求高等学校能培养出的毕业生既具有较强的理论基础又具有软硬件系统设计能力。通过对公司和研究所的调查、已工作学生的回访和几所电子专业强势的大学的实训教学的教学效果、教学方法的调研，发现大部分刚毕业的学生不能满足工作单位的专业技术要求，适应工作单位的专业岗位比较慢，工作胜任能力较差。在当前金融危机影响下更趋激烈的就业竞争面前，多数用人单位招聘时总以“有经验者优先”为条件[1]。

传统的教学方法是二学期制，学生参加实习锻炼的时间是非常有限的，大部分都是理论为主，实验为辅的教学模式，学生很难提高综合实践能力[2]。近几年，包括清华大学在内的部分高校增加了小学期，形成了三学期制，即由原来的一学年两个学期(二学期制)改为3个学期，即增加了小学期(第二学期结束到暑假前的一个月左右时间)[3]。小学期，是中国高校向美国学习的产物，陆续很多高校都采用小学期制，并且制定了新的教学大纲。我校面对创办高水平研究型大学的发展目标，经过认真研讨，总结学校近60年的办学历史和经验，审视本科教育的发展方向，尊重人才的成长规律，以先进的教育理念为先导，提出了“三三三”本科教育培养新体系[4]。新体系的一个重要的变化是强调在小学期实践能力的训练。

电子信息工程专业是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科，主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成[5-6]。电子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面，是集现代电子技术、信息技术、通信技术于一体的专业。当前大部分用人单位要求电子信息工程专业的毕业生要具有独立设计开发完整的电子硬件和软件系统的综合能力，而要培养符合这种要求的学生，实践课程的设置显得尤为重要[7-8]。该专业学生的综合能力的判断主要体现在：

(1) 具有较强的理论知识。通过学习高等数学、微机原理、信号与系统[9]、通信原理、数字信号处理、数字图像处理、电磁场等专业基础课，掌握本专业的核心理论知识[10]。

(2) 具有较强的软件编程能力。学习数据结构、Matlab程序设计、C++程序设计、HDL硬件描述语言、Visual C++编程等课程，掌握基本的编程技巧。尤其是C++语言，是电子信息工程专业必须掌握的一门语言，在算法编程，硬件编程等方面，都有广泛的应用[11]。

(3) 具有设计单片机、数字信号处理器(DSP)[12]、现场可编程逻辑器件(FPGA)、嵌入式系统(ARM)等为核心的硬件电路的能力。通过学习当前流行的处理器芯片，会使用相应的芯片设计基本的信号处理、控制电路[13]。

这种综合能力在二学期制模式下很难培养出来。传统的二学期制模式下，实践课程主要分为理论课验证实验和综合型实验。而这两种类型的实验都是基于计算机上仿真或者在试验箱上运行演示程序的模式进行的。由于仿真软件和试验箱基本都是对上课的理论知识进行验证，试验步骤事先已经设定好，学生只能按照试验步骤被动的去做。虽然有些综合型的试验，但是学时较短，大部分也都是基于试验箱和附加现成模块的模式下进行的。学生专业素质、创新精神、实践能力等综合素质得不到全方位提高[14]。尽管采取了一些改革措施，如改革实验课程体系、实验内容、实验方法和实验手段，但这些都只是对原有实训教学模式枝节的修补，仍停留在纸上谈兵，很少有从统筹综合应用型人才培养的全过程着眼，达不到理想的教学效果。

为了解决上述问题，根据我校提出的“三三三”本科教育培养新体系和电子信息工程专业特点，在走访用人单位、毕业校友的基础上，设计了一套从软件到硬件，从简单到综合系统的实训教学大纲。新实训教学大纲的思路是：学生从大一到大三的三个小学期分别完成C/C++程序设计实训、基于单片机的硬件系统实训、电子系统综合实训。理念是突破传统的教学模式，切实从提高学生实践能力着手，贴近用人单位需求，加强学生实际动手能力和鼓励创造性研究。通过这个过程的实训训练，学生具有较强的实战能力，能够满足用人单位对该专业学生的要求。

1 全新电子信息工程专业综合实训培养模式

在小学期模式下，结合电子信息工程专业的培养要求，制定如图1所示的实训培养模式。

图1 电子信息工程专业综合实训培养模式

大一的学生专业知识比较薄弱，学习了“高等数学”“计算机应用技术”“程序设计语言C/C++”等前导课程，在小学期，结合软件培训公司的实训模式，开展“C/C++软件设计实训”，锻炼学生的编程能力。软件编程能力是电子信息工程专业学生的基本技能。

大二期间，学生在学习了“数字电子技术”“模拟电子技术”“单片机原理与应用”“微机原理”“电子技术课程设计”等前导课程的基础上，掌握了硬件设计的基础理论知识，且通过相应的课程实验，学生具备了完成简单电路设计的能力，学习了单片机的内容结构、外设接口和编程的知识。在小学期，由学生自主设计一整套选定功能的单片机系统，包括绘制系统的原理图、PCB图、电路板制作完成后，学生自主焊接芯片，调试电路板，编写控制程序完成整个系统的软硬件功能。

大三开始，学生开始选修“高频电子线路”“数字信号处理”“高速信号处理系统设计”“电子信息系统设计”等课程，学生具备设计高级硬件系统和信号处理的基础知识。在小学期，参加电子信息综合实训，在导师的指导下，自主选择综合实训题目，完成与工程应用、科研项目相关的系统设计，例如：智能视频分析、机器人控制、三维震动分析等系统。培养学生针对实际科研，解决某一方向问题的能力。

大四期间开始学习“数字图像处理”“模式识别”“SOC系统设计”“嵌入式系统原理及应用”等课程，完整的学习了电子信息工程专业的基础专业课知识。在最后一个学期，学生在半年的时间内，根据前面学到的知识，设计一套完整的、综合的集电子硬件设计、信息处理和控制的系统，最后完成毕业论文。

下面以大三小学期的电子信息综合实训为例，介绍具体的实训内容。

2 电子系统综合实训

电子系统综合实训是在大三的小学期完成的。学生经过前期的C/C++软件设计实训和单片机系统实训，具备了软硬件的设计能力，结合专业课程，在大三小学期完成集硬件系统和软件算法设计于一体的电子系统综合实训。由于实训的难度和工作量都很大，对指导教师要求较高，故将学生分成小组，每个教师只指导一组学生。指导教师要求具有博士学位，结合自身的科研项目拟定不同的题目。典型的题目有：基于NIOS II处理器的嵌入式系统设计、随钻测量中的电子信息系统设计、模式识别系统设计、地震信号采集[15]及稀疏表示系统设计、云平台搭建与图像数据加速系统设计等。学生可以从这些题目中选择喜欢的题目，也可自拟题目。本文以作者指导的题目“基于 STM8的数据采集处理系统设计”为例介绍实训过程。

2.1实训目的

培养学生能够自主开发基于最新单片机的数据采集，处理和控制的完整系统[16]，满足用人单位对电子信息工程专业系统设计人才的要求。

2.2实训系统要求

(1) 采集物体震动加速度信号，分析物体振动加速度的频率和幅度；

(2) 电池供电，设计的系统低功耗；

(3) 具有OLED显示屏显示功能，显示系统的工作状态和物体XYZ三轴振动加速度等；

(4) 具有通信功能(例如电路板通过蓝牙模块跟手机或主机通信)。

扩展内容：能够通过获取到的加速度和陀螺仪数据计算物体的运动轨迹。

要求学生完成基本功能的各个要求，对应优秀的学生，提前完成基本功能后，可以继续完成扩展功能。

2.3实训过程

整个实训过程分为3个阶段：硬件设计，硬件调试和算法软件设计，文档归整。

2.3.1硬件设计

(1) 项目流程。通过查找资料，总结一个项目总体设计过程；设计出实训课题的方案。

(2) STM单片机的学习。通过阅读STM8Lxx芯片手册，了解芯片的结构特点，重点掌握各个管脚的作用，将芯片主要特点和管脚功能总结成文档。

(3) STM硬件系统方案设计。在掌握STM单片机功能的前提下，结合已有开发板的参考图，设计系统的硬件方案，写成硬件方案设计文档，并绘制出各模块之间的连接框架。图2是典型的系统结构框架。

图2 实训方案框图

STM8L系列单片机做为主控芯片，外接加速度和角速度传感器芯片MPU6050，通过I2C协议与单片机进行数据传输。同时将所测数据在OLED屏上显示，外接蓝牙接口(BLE4.0)进行与外界通信。电源使用锂电池供电。

(4) Altium Designer(AD)软件原理图绘制部分学习。通过AD软件原理图绘制教学资料，学会使用AD软件绘制原理图的过程；掌握原理图绘制的规范，写出设计规范的总结文档。

(5) 系统原理图绘制。根据设计的硬件方案和参考图，使用AD软件绘制系统原理图；并且知道每个管脚连线的机理；自己检查并且结合软件检查功能，确认原理图没有错误。根据实训方案框图，绘制出系统的原理图，典型的原理图如图3所示。

图3 硬件原理图

(6) AD软件PCB图绘制部分学习。通过AD软件PCB教学资料，学会使用AD软件绘制PCB图的过程；掌握PCB绘制的规范和布局、连线原则，写出设计规范和绘制原则的总结文档。

(7) 系统PCB图绘制。绘制和指定原理图各个芯片的PCB封装，检查无误后，导入到PCB；根据上一步的学习，手工绘制系统的PCB图；绘制完成后，用软件的检查功能，验证无误。加上个人印记，统一投板制作。图4所示为学生绘制的PCB图。

图4 硬件PCB图

2.3.2硬件调试和算法软件设计

投板制作需要大约4 d的时间，在这个期间，完成下面的前3项内容。

(1) IAR安装和使用。IAR是STM单片机的集成软件开发调试软件。通过查阅资料，学习IAR软件的使用方法。

(2) 程序设计规范学习。查阅程序设计规范，总结编写代码的规范形成文档。

(3) STM8单片机编程。参照开发例程中STM8的编程，了解每一句编程语句的含义；掌握单片机与外设通信的方法(SPI通信、I2C通信等)；开始编写简单的控制LED灯亮灭的程序。

(4) 板子回来焊接调试。调试按照电源模块、核心芯片、各个外围模块的先后次序焊接调试。直到整个板子各个模块功能调试结束。

(5) 编写震动采集信号处理算法。根据先导课程，编写信号采集、数字滤波、FFT变换的算法，将算法集成在整个软件系统中，完成系统的总体功能。图5所示为学生绘制的实际PCB。其中：图5(a)是没有焊接芯片的空板，图5(b)是焊接芯片，编写部分程序的硬件系统。

2.3.3整理文档，形成报告

在前面已有文档的基础上，总结整个系统的设计过程，形成详细的文档。

2.4成绩评定

成绩考核主要由：平时努力程度(这部分由同组其他同学评价)、各个阶段的文档总结、原理图和PCB图以及软件编程的规范性、最终结果展示和汇报组成。

(a) 没有焊接芯片的空电路板

(b) 完整系统

3 新实训方案取得的效果

经过实训，95%的学生都能够自主独立进行整个实训课程，并且圆满完成实训任务，对实训充满了激情，学生的系统设计能力得到了较大的提高。学生依托实训项目，后期获得2项国家级电子大赛二等奖，3项山东省电子大赛一等奖。有三组学生成功申请国家级大学生创新创业大赛和校级大学生创新创业大赛。通过介绍设计的实训项目，在学生就业和考取研究生过程中也起到重要的助推作用。

4 结 语

新设计的电子信息工程专业实训教学模式，既能解决当前本专业教师联系实习单位的困难，并且克服学生在实习单位走马观花，不能学到实训知识的问题，又能切实提高学生的电子硬件系统和信号处理算法的设计能力，满足用人单位的要求。在后续的实训中，通过学生的反馈和当前电子专业最新技术的发展，动态调整实训方案和内容，设计切合实际、与时俱进的实训内容。

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ReformingthePracticalTrainingTeachingforEnhancingtheComprehensiveApplicationAbilityofStudents

SONGHuajun,SHAOShuai,LIURunhua,RENXuhu

(College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China)

At present, most of the training teaching modes in colleges and universities stick in the teaching mode of experiment box. In the case, it is difficult to effectively improve the students’ practical ability and meet the requirements of the employing company. In view of this problem, based on the characteristics of electronic information engineering, a new practical training scheme is design. Main idea of the scheme is from software to hardware design and from simple to comprehensive system design under the three years. In the third semester of freshmen, those students take software design training in order to improve the ability of software programming. In the next year, simple hardware system is trained for improving hardware design ability. In the junior, students choose the comprehensive system integrated hardware and algorithm software. In this thesis, comprehensive system is taken as example. The whole design process is introduced in detail. It is shown that this practical training teaching mode not only improves student’s interest and also enhances electronic information engineering hardware and algorithm integrated design capability.

electronic information engineering; practical teaching; three semester system; single chip microcomputer system; integrated design capahility

G 420

A

1006-7167(2017)09-0206-05

2016-09-28

国家自然科学基金(61305012);山东省重点教改项目(2015Z025)

宋华军(1978-)，男，山东威海人，博士，副教授，研究方向：智能信息处理。Tel.：18660266389；E-mail:huajun.song@upc.edu.cn