挑战性实验案例设计与实践

谢小东， 李 平

(电子科技大学示范性微电子学院，成都610054)

0 引言

“电子系统设计”是电子科技大学示范性微电子学院面向本科高年级学生开设的一门挑战性课程［1］。总课时为48学时，其中6学时为理论教学，讲授电子系统构架、原理、设计方法等;作为教学主体部分，另有42学时为挑战性实验环节。实验教学目标是:通过实践项目的开展，培养学生分析解决问题、沟通合作和探索创新等多种能力，促进学生敢于并善于挑战自我，进行研究型学习［2-4］。

挑战性实验有别于验证性实验及课程综合实验［5-7］，鼓励学生自立题目，对确有困难的学生，也可以在教师处选择题目，但这些题目均没有标准答案，也没有现成的实验方案。为达到教学目标，题目必须满足: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;④具有探索性和挑战性。

1 实验题目设计

1.1 学生自立题目

课程非常鼓励学生通过调研、观察思考，自己能提出实验题目。在教师的启发下，学生们也能提出一些题目的原始想法，但缺乏可操作性。这时就需要教师按照实验题目的设计要求对这些原始想法进行凝练加工，经与学生反复讨论形成实验题目。比如“禽蛋新鲜度测试系统”，其出自学生提出的“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。

(1)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，之后在恒定室温(25℃)，恒定湿度(50%)条件下分时间长度储存蛋品样本。

(2)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。哈夫值可通过测试蛋品的高度和质量来确定［8-9］。)②误判率低于20%。

(3)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%。

这个实验具有鲜明的应用价值，除了涉及电子技术知识之外，也跨界到了农业食品领域。要实现蛋品储存时间的精确判断，具有相当大的难度，学生除了采用哈夫值作为判断依据之外，还必须综合应用蛋品内部气室高度测量等手段，以及考虑蛋品表面是否有裂纹等多个因素才能实现，基本上是在解决复杂工程问题。该题对学生研究型学习能力能起到很好的锻炼效果。此类题目还包括“非接触心率监控系统设计”“疲劳驾驶提醒系统设计”“老人跌倒监测系统设计”等。

1.2 教师提供题目选择

当然也有部分学生自己提不出想法，就需要在教师处选择实验题目。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设计了“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。比如“快速高精度水温控制系统”。

(1)实验任务。设计并制作一个水温自动控制系统(成果形式:硬件+软件)。控制对象为500 mL自来水，容器为玻璃烧杯，加热设备为12 V/8 A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。

(2)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≤1℃;③水温实时显示。

(3)挑战要求。①采用适当的控制方法，当设定温度突变(比如由40℃提高到60℃)时，系统的调节时间要尽量小，温度超调量≤0.5℃;②温度恒定控制的静态误差≤0.3℃。

该实验的特点是①能培养学生系统设计能力，包括硬件和软件系统的设计及联合调试;②综合应用了多门课程知识，涉及电路分析、模拟电路、数字逻辑、集成电路原理以及自动控制原理等课程;③具有实用性，原型是科研中常用的恒温水浴装置，也可推广为精确控制系统;④要实现高精度的控制具有相当难度，即具有挑战性，而且学生需要自主学习闭环控制算法，具有探索性。

无论是学生自拟题目，还是在教师处选择题目，问题的解决都具有不确定性，给予学生足够的探索空间;同时，题目达到的指标也具有“上不封顶”的属性，激励着学生们挑战自我，进而增强其勇气和自信。

2 实验流程设计

由于挑战性实验的开放性，实验流程的设计也与现有的实验存在一定差异。

学生与教师讨论确定实验题目后，即着手拟定系统设计方案并撰写设计方案报告。本实验建议学生面向实验室已有的基于XILINX SPARTAN芯片的电子设计自动化(EDA)开发平台进行设计［10］，该平台提供控制主芯片FPGA、数码显示、控制输入等硬件资源，实验也允许学生使用单片机小系统等平台进行开发。学生需根据各自的题目合理设计电源电路、传感电路、信号调理电路、A/D采样电路等硬件部分，同时还需进行探索研究，寻找合适的算法并加以灵活应用来设计软件系统。本科高年级学生面临升学及就业，文档撰写及演讲汇报能力的培养也十分重要，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1所示。

图1 实验流程图

3 教学设计

挑战性实验涉及的知识面较宽，学生们完成的题目各不相同，学生们的基础及能力也参差不齐，这对教师的教学指导带来了不小的挑战。虽然是“一题一议”，但有一些基本的策略方法是普适性的。

课程组首先采用的策略是“因材施教”［11-12］。将学生分为3类:1类是“零设计基础”学生;2类是“具有一定设计经验”学生;3类是“学有余力”学生。

针对“零设计基础”学生，帮助他们尽快上手是关键。基于“化繁为简、各个击破”的问题解决策略，在教学设计上对任务进行了分解［13］。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，而后进行算法的研究。

比如“禽蛋新鲜度测试系统”。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:

(1)进行压力传感器(测禽蛋质量)特性测试实验。随着质量变化，用万用表测试传感器输出电压，帮助学生了解传感器的电气参数特性。

(2)进行AD特性测试实验。可通过滑动变阻器分压等方式作为AD电压输入，观测AD输出，了解AD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。在理解了传感器及AD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AD对接。借助示波器等仪器，学生调试信号调理电路。

(4)进行AD采样信号与FPGA联接调试实验。FPGA将AD采集到的压力传感信号直接通过内嵌的示波器ChipScope［14］功能在计算机上进行显示观察。通过与成品电子称测试值进行对比，可以很方便地调试蛋品质量采集电路。

(5)进行红外测量蛋品高度实验。红外测距模块输出信号通过FPGA采集，在计算机上进行观察。通过与游标卡尺测试值进行对比，调试蛋品高度采集电路。

(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。

在面包板上完成硬件整体调试工作后，学生设计、外协加工、自行购买元器件、装配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算法软件的编制。

在软件设计层面，建议学生采取“先简后繁”的策略来进行设计:

(1)直接调用算数模块实现哈夫值计算。

(2)从处理速度和硬件资源占用角度评价算法，提出改进思路。

(3)引入查表法等改进算法，并与原算法进行比较分析。

(4)综合应用蛋品气室测量等手段［15］，改进判断算法。

(5)根据系统的测试精度指标，进行软硬件联合优化。

当然，对于已经具备一定设计经验或动手能力较强的学生，鼓励他们自由探索，甚至乐见他们“头撞南墙”，尽量不要给出方案及具体技术建议以免束缚其思维。因为不管是失败还是成功的探索，都将是学生们弥足珍贵的经验。只有在他们遇到不可克服的困难时才施以援手，以防止学生中途因为气馁而放弃实验。

对于部分学有余力的学生，则鼓励他们在项目完成后，“趁热打铁”申请各类创新创业项目。课程组也从中发现一些优秀苗子推荐给学校竞赛教练团队参加各类电子设计竞赛。

4 考核方式

挑战性实验没有固定答案，对学生的考核主要从实验过程和实验结果这两方面来进行考核。为了保证考核的客观性，学生需提交一系列材料来反映实验过程及结果，包括项目设计报告、PCB版图、系统实物及测试指标参数、项目结题报告、演示答辩PPT。其中，项目设计报告需包含项目任务分析、实现方案论证、电路模块设计、控制算法仿真等内容。项目结题报告需包含电路硬件设计、软件设计、系统测试结果、项目总结及改进建议等内容。为方便管理，课程组提供相应的文档模板供学生套用。

教师从新颖性、复杂性(难度)、实现程度、展示环节等角度对作品进行评分，评分细则为:设计新颖性20%，可从项目设计报告及演示PPT等内容中反映;设计难度30%，可从系统实物、PCB版图、软硬件设计中反映，如学生采用集成传感模块，则适当扣分;实现程度30%，可从系统实物、测试指标参数及项目结题报告内容中反映;报告及展示环节20%。主要考察学生演讲能力、思辨能力。为减少考核及成绩评定中的人为因素，课程组3位教师一起参加成绩评定，学生的最终成绩是3位教师所给分数的平均值。

5 教学效果

课程从2015年开始建设，2016年正式开出。两年来，对学生实验题目完成情况的统计(见图2)表明，7%～10%左右的学生能超额完成挑战指标，15% ～22%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，学生们也反映通过挑战实验的学习，锻炼了多种能力，获得了自信。

图2 学生成绩统计图

2017学年的课程教学效果匿名调查中，46%的学生认为挑战性实验极大提高了他们的探索和创新能力，37%的学生认为挑战性实验对提高他们的探索和创新能力有帮助。

学生对这门课的教学也比较认可。该课2015～2016学年的学生评教成绩是93分，同期学校类似课程平均评教成绩为88.56分。2016～2017学年，学校类似课程平均评教成绩为89.17分，该课程的评教成绩达到了95分。

该课程的教学成果获得2017年学校“教学改革示范二等奖”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 结语

挑战性实验能培养学生分析解决问题、沟通合作和探索创新等多种能力，并能促进学生进行研究型学习。但由于挑战性实验本身具有的开放性，在实验题目设计、流程设计、教学设计、考核方法等多个教学层面都值得教师进行深入研究。因此，挑战性实验既是对学生能力的挑战，也是对教师自身素质的挑战。“电子系统设计”课程进行了一些教学探索、实践，并取得了一定的教学成果。但“学无止境”，教学研究也没有终点。下一步，课程组将继续优化各个教学环节的设计，并探索跨学科实验内容的建设，使挑战性实验向综合性跨学科方向发展，进一步提升学生的复合创新能力。