电子工程创新训练项目教学改革：理论付诸实践

樊 华，谢华江，李苏杰，王岑涅，叶星宁，陈伟建

（1.电子科技大学电子科学与工程学院，成都 610054；2.成都大学旅游与文化产业学院，成都 610106；3.电子科技大学信息与通信工程学院，成都 611731）

0 引言

随着电子工程技术的不断发展，社会对创新型人才提出了更高的要求，高校教育在人才的培养中充当着至关重要的角色。然而当前在高校教育中普遍存在着人才培养方法陈旧、教育体制不合理、管理体制不完善以及迫切需要提高教师队伍水平等问题［1-4］。例如，部分课程使用的教科书出版于数十年前，但是随着新技术的不断涌现，很有必要对教材内容进行及时更新，补充教材知识的最新应用实例。另一个不容忽视的问题是大学生的实践操作项目普遍不足，许多学生很难透彻理解在大学中所学的理论知识，容易导致学生不知道如何去运用。为此根据当前社会对人才的需求，提出了一种有针对性的教育改革方法，通过鼓励学生参加创新训练项目，帮助学生构建完整的知识体系，从而更好地促进学生完成从理论知识向实践经验的转化［5-8］，将理论知识投入到实践应用中，同时将零散的知识组合起来，使学生对所学知识有更全面的理解。本文介绍了两个针对改革精心设计的、与课程紧密相关的实践项目，这些创新项目都是根据学生不同的专业、结合了多门相关课程而设计的。学生通过参与到项目的整个流程中，将会熟悉较完整的实践应用经验以及如何将理论知识转化为实践技能。这样的改革将极大地有益于创新型人才的培养［9］。此外，人才的培养也能够反过来进一步推动科学技术的快速发展。教育改革有望成为实施创新驱动发展战略的新动力。

1 对电子工程创新教改的探究

1.1 更新人才培养理念，重视实践训练

对传统教学方法的改革在高校教育改革中至关重要，学生的实践经验需要得到更高的重视，而不仅仅只注重于课堂教学。创新培训作为培养创新人才的重要组成部分，应放在教育改革的核心位置。教育改革的关键在于人才培养重心的转移。加强高校对于创新型人才的培养，必须从革新传统教学思想入手［10-11］。在探索更好的教学方法的过程中，高校应注重培养学生的自主性、探索性、合作性以及创新性，而不是单纯地在课堂上教授学生理论知识。

如今许多高校的电子工程学课程体系缺乏整体性，各学科之间的联系不够紧密，学生很难建立起完整的知识体系。课程相关的创新型项目是解决这一问题的有效方法，因为学生在完成这些项目的过程中将接触到多门课程的知识，并需要掌握如何去解决实践中遇到的问题。教学改革的目的是帮助学生学习如何将课堂所学的专业知识运用到实际项目中，比如通过课程相关项目的实践。这些创新项目通常是针对不同学科领域的学生而专门设计的，涉及不同的专业背景和相关知识［12］。此外，项目还划分成多个难度水平的类型，可供学生根据自身的能力做相应的选择［13-14］。与传统的统一式教育相比，这种个性化的教育更好地做到了因材施教，因为在大多数情况下，传统的大学教育过度侧重于单一的理论教学，所有学生接受的都是几乎一样的知识输入，而涉及实践操作的锻炼严重不足，因此这些涉及多个学科知识的创新型项目正好弥补了这一缺陷。图1展示了一个典型创新项目进展的流程，首先有针对性地提出项目规划，然后在项目的实施过程中灵活运用所学知识并不断查漏补缺，最后进行项目完成后的总结和改进。

图1 典型创新创业项目流程

一个典型的创新项目是传感器检测微系统的设计，图2展示了多门课程的不同知识在该项目中的交叉运用情况。①为了选择合适的传感器进行检测，学生将复习基于传感器系统课程中的知识，了解不同传感器的类别和典型的用法。② 可能需要的是设计放大器和滤波器电路，这是在模拟CMOS集成电路设计课程中所教授的，传感器的直接输出信号通常比较小，因此需要设计相关电路以放大得到更强的信号，并运用滤波电路来消除引入的噪声和失调。③为了实现对不同模块的控制，学生可以利用到嵌入式系统设计课程中的知识。④对于大量输出数据的处理和分析得出最终结论也是必不可少的一环。⑤ 学生还可以利用电子系统设计课程中的PCB设计和版图布局技巧。在完成这些项目后，多门课程之间的联系将变得更加紧密，并且学生也将构建出更完整的知识体系。在遇到问题和解决问题的过程中，学生可以真正地将各个学科不同课程的知识结合起来，更好地将理论付诸实践。

图2 创新项目与课程相结合

教材作为高校教育的一个重要组成部分，在学生的理论学习中起着至关重要的作用。正因如此，让教科书跟上时代发展的步伐是很有必要的。部分版本陈旧的教材应该及时更新，以更好地提高教学质量。例如，旧教材可能缺乏足够的实践经验指导，因为部分电子工程学教材过于侧重于理论知识的教学，纯粹的理论和公式推导占据了大部分版面，使得教科书内容显得过于紧密，也从而降低学生的学习兴趣。最新的典型实例应该被添加到现有的教科书中去，用来向学生展示一些如何运用理论知识的基本概念，教材中加入更多的互动和实践内容也将有助于学生理解理论知识如何应用于实际。通过课本上的这些例子，学生将会初步了解该如何解决生活中存在的实际问题，从而更好地吸收抽象的理论知识。

1.2 落实各类资源，为教育改革提供保障

目前看来，社会对于高校创新型人才的培养没有提供足够的支持。应该有更多的资源投放在教育环节上。人才培养所带来的巨大生产力和革新力的意义尚未被全面认识到。高素质人才在经济发展和社会进步的几乎每一个方面都做出了重大贡献。世界各国也越来越重视人才的培养。人才的培养具有极大地促进社会发展的潜力。事实上，许多革命性的突破正是由少数创新型人才发展出来的。在现代社会，不遗余力地让学生得到充分有效的教育是值得的，因为人才的培养实际上是任何社会发展的核心［15］。

为了确保学生有足够的机会参与创新培训项目，高校首先应该给予学生最充分的支持。高校可以充分利用其实验室和研究平台，为学生提供更好的研究环境。并且可以设置更多的相应实验课程，提供更多的实验设备，以确保学生有足够的实践机会。此外，专业课程应有效地纳入创新培养计划。通过这些课程的学习，学生可以有更全面的知识基础来完成与课程相关的项目，而创新项目的实践经验也将促进理论知识和实践技能的统一。教育改革的结果代表着教育从理论成果到实践成果，从科技成果到生产力的转变，应该投入更充足的技术和资金支持来确保创新培养项目的持续开展和完善。

此外，加强学校和企业之间的合作也是意义重大的一项改革措施。吸引更多的社会资源参与到人才培养中，为学生提供不同形式的教育模式也是非常重要的［16］。2018年夏，我校电子科学与工程学院先后与分别位于上海、苏州、成都等地的13家企业建立了合作关系，并派出117名学生赴企业实习锻炼。近两年来，学院与36家企业、研究所等单位保持着密切的联系，并为学生提供了企业中更为实用的专业实践技能。来自企业的项目可以让学生更深入地了解他们所学的知识是如何在现实生活中得到运用的。除此之外，各所高校的教学资源也应该得到相应的合作交流，结合不同学校的优势共同为学生提供更高质量的教学保障。更全面的培训不仅能帮助学生学习课本上的理论知识，还能帮助他们获得同样重要的实践经验。这种合作极大地促进了人才创新培养教育的发展，也为企业带来源源不断的新生人才力量，很好地实现了双赢局面。

2 在创新创业项目中贯穿课堂知识和科技热点

电子工程学教育改革应尤其注重大学教育与科技热点趋势的联系。需要让学生感受到科技的逐步发展和革新，这种科技的魅力会引起学生主动学习和创新。创新课程项目是该教育改革的最重要措施之一。与传统的实验课程不同，创新课程相关的项目与日常生活紧密相连，侧重于解决来源于现实生活中的问题。这样的项目选题方法最大的好处是让学生对正在做的项目感兴趣，这也势必使他们对于项目有更强的动力，并投入更多的时间和精力。学生们通常对时下热门方向有更大的兴趣，因此在为创新培养项目选择主题时，跟上科技的发展趋势也非常重要。

2.1 智能窗帘项目

创新培养项目中包含的一个典型项目是智能窗帘项目。该项目选题正是源于现实生活中可能遇到的问题。设计这个项目是为了培养学生的实践和创新能力，帮助学生发现理论和实践之间更紧密的联系。近年来，随着经济和生活的快速发展，人们对生活质量有了更高的要求，一个更舒适、更方便、更安全的生活空间总是受到人们的期待和追求。智能家居产品可以大大提高生活质量，让消费者能够改造出属于自己的现代家居内饰，智能家居也因此已成为全世界关注的焦点［17］。针对这一趋势，为电子工程专业的学生设计了一个智能窗帘创新培养项目（见图3）。与传统窗帘相比，这种智能窗帘具有许多优点。用户可以用智能手机通过蓝牙连接远程控制窗帘。在定时模式下，窗帘将通过设置的时间按时打开或关闭。而在自动模式下，窗帘将根据来自光传感器的信号自动调整其开闭。在这个项目过程中学生将亲自动手完成整个智能窗帘系统的搭建，加深对各个模块功能的理解并将各学科的知识结合起来。

图3 智能窗帘系统组成模块

智能窗帘系统主要由用户部分、控制部分和动力部分组成。用户部分是指Android系统用户控制窗帘的智能手机应用程序。控制部分主要是指数据处理模块，系统的数据存储和计算也是在这个部分完成。智能窗帘系统需要一个合适的处理器来完成对数据和指令的处理。为了选择最合适的智能窗帘系统控制器，对Arduino、ExtraCore、BeagleBone Black 和Raspberry Pi 4个开发板进行了分析比较。学生需要从编程语言、速度、大小和价格等多个方面比较不同处理器。最终选择如图4所示的树莓派Raspberry Pi开发板作为智能窗帘系统主处理器。Raspberry Pi集成了ARM兼容的中央处理器（CPU）和片内图形处理单元（GPU）［18］。Raspberry Pi采用了一个基于Linux的操作系统Raspbian，Python是其主要的推荐编程语言。Raspberry Pi开发板作为控制部分最重要的模块将处理系统数据和指令、通信模块、无线模块、继电器模块等其他部分通过数据接口与树莓派连接［19-20］。Raspberry Pi上连接配置了蓝牙模块，作为连接用户部分和智能窗帘的桥梁，建立用户与微处理器之间的数据连接，用户可以通过蓝牙连接向智能窗帘系统发送数据和命令，然后从处理器接收到反馈数据［21］。控制智能窗帘的代码是用Python编程语言编写，这对于学生来说相对比较容易上手。利用Python代码通过处理主处理器发出的命令来实现对继电器的控制，学生通过编写这个简单程序将初步掌握使用编程语言来控制一个系统。该创新培养项目还需要编写一个简洁的Android应用程序。学生应该学习简单的Java编程语言来实现这样的手机控制应用。APP首页上有着明显的拉开／关闭控制按钮以及一些其他附加功能，如定时功能和自动模式。该应用程序是用Java语言编写的，适用于Android设备。当用户在APP中按下按钮时，相应的指令将通过蓝牙发送到智能窗帘系统的处理器Raspberry Pi。处理器接收指令后，将相应的信号发送到Raspberry Pi的输出端口，由输出端口控制继电器的运行。窗帘的动力部分主要由窗帘模型、电动机和继电器组成。继电器的状态取决于Raspberry Pi输出端口的电压，由主处理器控制，继电器进一步控制电动机的电源，窗帘的开闭操作是通过电动机的转动来完成的，从而完成窗帘的拉拔。智能窗帘系统的框图如图5所示。通过对智能窗帘系统的搭建和测试，一方面可以让学生更好地了解各个模块的基础知识和工作原理，另一方面可以显著提高学生的编程能力。

图4 Raspberry Pi树莓派开发板

图5 智能窗帘系统结构框图

这个智能窗帘项目是从改善人们期待更舒适生活空间的现实问题的角度来设计的。在对学生进行了关于电子工程学科传统课程反馈调查后，发现存在一个重要的问题就是部分学生很难将理论知识联系到实际应用上。而通过完成这个智能窗帘系统的过程，学生的系统设计能力得到了极大的提高，对电路、Linux系统以及编程技能有了更好的理解。这个项目不仅可以提高学生对科研的兴趣，还能够帮助他们熟悉智能家居系统设计的基本流程。在今后基于该类项目的教学过程中，还将进一步开发出更多新的功能和操作模式，使学生的创新思维能力得到更显著的提高。

2.2 运动检测器项目

为了进一步提升高校教学质量，理论知识与现实问题的紧密联系在高校电子工程学教育中显得尤为重要。正因如此，课程改革中的很多创新训练项目是从社会热点话题的角度提出并设计的，这使得它们更容易激发学生的参与兴趣。传感器在现代社会中发挥着越来越重要的作用，传感器广泛应用于日常物体中，通常可以检测温度、压力、位移、光、磁场等物理参数并将其转换为电信号，其重要应用领域包括汽车、机械、医药、航空航天等多个方面。为了帮助学生更好地理解传感器的重要性以及如何应用传感器，设计了一个需要使用多种类型传感器的身体活动监测器创新项目。该项目展示了教学改革的核心理念，即从解决日常生活中存在的实际问题的原则出发。生活中普遍存在的一个潜在健康问题是人们经常以不正确的方式举起重物或锻炼身体，而这可能会对身体造成严重的损害。由此可以预见，如果人们在健身或干重活时佩戴有可以监测身体姿势的设备，这将可以大大减少受伤的风险，也可以显著提高运动效果。如图6所示，本项目将由集成了多种传感器的可穿戴式运动监测器组成，可实时测量用户的身体角度和肘部弯曲角度。基于多个传感器测量到的这些数据，该设备将能够检测用户的身体姿势和活动能力。

图6 多种传感器测量身体姿势

这个项目中使用到1个STM32F3开发板、1个加速计和4个基于光的曲度传感器。STM32F3开发板作为微控制器从其他模块收集数据。学生可以通过STM32F3 DISCOVERY使用基于ARM Cortex-M4混合信号MCU的STM32F3系列轻松开发应用程序。此外，STM32F3开发板还包括有加速计、陀螺仪、USB接口、LED和按键开关等组件。加速计将用于检测用户的身体倾斜角度，有1°的分辨率，该精度足以满足本项目的要求。曲度传感器用于检测肘部弯曲角度，并且鼓励学生亲自动手制作传感器，以便于更好地理解传感器的基本原理。

为了制造曲度传感器，第一个尝试是电阻式曲度传感器，它是通过在两条铜带之间放置velostat压敏电阻片制成的。该传感器的图像如图7（a）所示，基本工作原理是velostat压敏电阻片的电阻会随着受到压力的增大而减小，随着将传感器弯曲在不同的角度，传感器将表现出不同的阻值，因此用这种方法可以检测到特定的阻值并根据参考值将其转换为相应的弯曲角度信息。但这类传感器存在的一个问题是，很难确保用户每次都将设备佩戴在同一个部位，也正因为如此，传感器所产生的数值也与弯曲部位有很大关系。这种弯曲传感器的原理很象压力传感器，在应用中也将无可避免地导致一定的误差，因此该传感器无法达到在项目中使用所需精度，为了解决这一误差问题需要设计出一种设备，用以确保用户每次都准确地将该产品佩戴在同一部位。

然而这样佩戴固定设备总是受到舒适度或成本的限制，因此另一种类型的曲度传感器开始受到考虑，即基于光的曲度传感器。基于光的曲度传感器的工作原理是，光敏电阻（LDR）的电阻值会随着入射光强度的降低而增加。当传感器弯曲时，这种弯曲传感器将检测到不同的光强，引起LDR阻值变化从而导致电路输出电压发生变化［22］。基于光的曲度传感器模型如图7（b）所示，这种类型的传感器更加适合应用于该项目，因为它只受所检测到的光强的影响，而光强基本上取决于传感器的弯曲度。基于光的曲度传感器电路如图7（c）所示。经过最后的测试，这种基于光的曲度传感器被证明符合项目的精度需求。在这个项目中，鼓励学生自己设计和制作传感器，通过设计和制作的过程学生将比传统方式更好地理解传感器的工作原理，以及传感器需考虑的如灵敏度、分辨率、偏差等重要参数的意义。

图7 曲度传感器

在测试光原理曲度传感器时，每个传感器被弯曲成4种程度（不弯曲、轻微弯曲、较弯曲、严重弯曲）。为了得到准确的结果，应该尽可能多地进行样本采集。在这个项目中，对每种弯曲程度的模数转换器（ADC）输出进行了1 000次测量。测量结果如图8所示。x轴上值的范围是0～3 300的ADC输出。y轴上的值对应着每个输出范围内数值出现的频率。图8中的4个峰值分别为4种弯曲程度的平均测量值。直方图中数值的方差展现了传感器的精度，图中的4个峰值及其数值方差用于确定4种程度的边界，传感器精度的峰值变化约为25%。测量结果在很大程度上取决于传感器的质量，在进一步改进设计时可以进一步考虑该问题。最终统计结果代表了传感器可能的特性，分析数据和测量结果有助于学生决定如何实现一个完整的测量系统搭建，以及怎样能够最充分准确地应用这些传感器。例如，学生可以运用这些数据来判断用户正在进行的运动类型（如俯卧撑、深蹲、平板支撑、举重等），并将这些运动类型进一步整合到应用程序中，以便系统能够精准地识别它们，并帮助用户监测正确的运动方式。

图8 ADC输出测量结果

在安装好所有必要的模块并进行相关测试后，再开发一款Android应用程序来更方便地使用这个身体活动监测器。该应用具有允许用户通过蓝牙模块连接设备的功能。当用户连接后，应用程序将读取从处理器传输的数据，然后反馈的数据经处理后会在屏幕上显示给用户。这个项目也涉及RTOS（实时操作系统），多个指令可以在不同的时间间隔内处理，这一过程也将使学生更熟悉系统架构。设定传感器每1 ms

采样一次，所有采样数据的平均值每隔2 s发送到APP。处理后的数据将由加速计所测每个轴的倾斜角度和每个传感器所测弯曲角度来表示。此外，处理器还将同时收集这些测量值并判断这些值是否在特定的范围内，以此决策出用户的运动情况，然后应用程序将根据判断结果通过语音模块反馈给用户。整个系统的结构框图如图9所示。

图9 身体活动监测器系统结构框图

这个项目旨在从解决生活中切实存在的普遍问题的角度出发，通过搭建这个身体活动监测系统，学生需要将无线通信技术、自动化技术和Android技术等知识相结合，该过程有助于理解各学科和专业之间的联系。在项目完成后将对项目实现过程中遇到的问题进行详细的分析，并在未来对该活动监测器进行进一步的优化，所有这些工作都有助于培养学生的创新能力和实践能力。这种类型的创新创业项目可以让学生不仅仅明白如何应用理论知识，还包括了在哪些实际层次和场合可以应用到所学的知识。

3 结语

在分析了电子工程学科高校教育的现状及存在问题的基础上，提出了相应的教育改革措施。该教育改革尤其重视对于学生实践能力的培养，实践经验在电子工程学科中发挥着越来越重要的作用，引导学生更好地将理论与实践结合起来应成为高等教育的侧重点。通过鼓励学生参与到创新训练项目中的教学改革实践，较好地解决了传统教学方法中存在的各学科之间联系不够紧密等问题。该改革对于高校培养符合当今社会需求的创新型人才有着重要的实际意义，并为电子工程学科教育改革提供了新的探索方向。关于未来的进一步工作，计划根据学生的项目实践反馈情况，对课程相关的创新项目进行进一步的扩充和完善，并根据学生不同的专业和掌握程度设计更细致的个性化定制创新项目。