基于应用驱动的“模拟电子技术”实验教学改革研究

2022-03-02曾凡菊谭永前

科教导刊 2022年1期

曾凡菊谭永前

（凯里学院大数据工程学院贵州·凯里 556011）

模电课程是高校电子类、信息类等理工科专业的专业基础课程，打好模电基础是学好线性系统、通信电子线路等课程的基础。如何讲授好模拟电子技术实验课程也成为高校教师们教学改革努力的一个重要方向，近年来，随着CDIO( Conceive Design Implement Operate)工程教育模式的推广和国家建设应用型本科高校的要求，高校教师们对模拟电子技术实验课程的教学进行了一系列的教学改革尝试。刘明等[1]把传统任务驱动教学与工程教育理念结合，该教学方法在提高学生的学习积极性、实践动手能力方面有显著效果。梁启文等[2]通过对模电实验的教学分析，在实验教学中融入CDIO 理念，对模拟电子技术实验的教学方式等进行改革和探索，学生的创新能力、动手实践能力得到了有效培养。此外，许多其他高校教师也在各自的教学实践中提出了模拟电子技术实验课程的教学方法，[3]均取得了一定的成效，改善了教学效果。本文针对凯里学院大数据工程学院模电实验教学中存在的问题，从教学内容、教学方式、实验设备、实验成绩考核等方面进行了改革，提出了基于应用驱动的模拟电子技术实验教学模式。

1 模电实验教学现状

1.1 教学内容存在的问题

模电实验一般都是作为理论课的附属进行讲授的，通常都是以实验项目的形式展开，各个高校根据实际情况，给每个实验项目分配2-4 个学时，如表1 所示。

表1 模拟电子技术实验课程实验项目

从这些实验项目的设置可以看出，实验项目的设置往往都是跟所讲授的教材内容相关且同步，各个实验项目之间的联系并不紧密。这种通过教师设置实验项目进行模拟电子技术实验的教学方式，很容易把各个知识点孤立开来，人为的切断了知识点之间的联系。同时，所设置的实验大部分都是验证型的实验，实验的目的只是机械的验证教材内容的正确性，学生的积极性不高，实践能力没有得到提升。这种教学方法没有达到培养学生专业知识、自主学习、团队合作的目的。

1.2 实验设备存在的问题

传统模拟电子技术实验设备都是采用各种厂家生产的实验台或者实验箱，且还占用大量的实验室空间。在利用试验台或者试验箱进行模拟电子技术实验时，由于经常的拔插导线，导致插线孔损坏，电子元器件损坏等，影响了最终的实验效果。同时，实验设备厂家的售后维修跟进不及时，甚至造成相关实验课无法正常进行的现象。由于试验台和实验箱存在诸多的弊端，越来越多的高校在选择模拟电子技术实验设备时，放弃了这种传统的模拟电子技术实验设备。

2 基于应用驱动的“模拟电子技术”实验教学模式

针对传统模电实验教学过程中存在的问题，本文从实验的教学内容、教学开展的方式、实验设备以及实验考核方式进行改革，提出了基于应用驱动的模拟电子技术实验教学模式。以“声控避障小车”的应用设计为案例进行应用驱动教学模式的讲解。

2.1 教学内容的改革

实验内容的选择不再以实验项目的形式进行，而是以一个更具体的实践项目进行，以“声控避障小车”为例。

2.1.1 设计任务

利用声控的方式按要求控制小车从指定的入口端A进入矩形场地G(尺寸为150×200cm)后，完成相关的行驶操作和停车操作，如图1 所示。

图1 设计实现要求图

2.1.2 基本要求

（1）小车外部装配黄色LED 指示灯。启动小车，操作人员通过（“启动”“左转”“右转”“前进”“后退”“停止”等）声控口令控制小车完成前进、后退、转弯等项目。同时要求小车检测到声控信号时黄色指示灯闪烁，无信号时熄灭。待完成上述基本操作后驶入场地，小车由A 处启动，无视隔离带以及限宽桥条件下驶向B 区泊车位。要求小车自驶入场地后，在2 分钟内完成当前次行驶任务。

（2）小车由A处启动，通过声控操作小车，避开隔离带驶向B区泊车位，并要求在3 分钟内完成当前次行驶任务。

（3）通过声控小车避开隔离带，并经过限宽路障驶向B区泊车位，要求在4 分钟内完成当前次行驶任务。

2.1.3 拓展发挥部分

在基础部分（2）测试条件下，并在B 区以倒车入库方式驶入参考泊车位，倒车过程中不压线，在5 分钟内完成当前次行驶任务。

在基础部分（3）测试条件下，增加“加速”“减速”等口令驶向B 区，在3 分钟内完成当前次行驶任务。

其他，如提升语音识别自适应能力、提升速度、降低行驶过程触碰路障、墙壁次数、提升声控灵敏度等。

2.2 教学方式的改革

传统模拟电子技术实验采取课前老师讲解实验原理、实验步骤，然后学生再通过实验来进行验证的教学方法难以提高学生的学习积极性和实践动手能力。本课程组针对传统教学方式存在的不足，采用学生根据设计任务，分组讨论各个模块设计方案的方式进行，采取以学生为主，教师引导的教学方式。实践项目主要模块设计方案讨论如下：

2.2.1 语音识别模块方案

方案一：选择LD3320 语音识别模块，以传统51 单片机（STC11L08XE）为处理器，识别到语音后可得到对应的ID 号，以此信号来控制小车的相关行为，但程序需TTL 转串口下载较为复杂，故放弃该方案。

方案二：选择LD3320 语音识别模块，采用板载STC8F1K08S2，采用II2 通信，4Pin 连接主控芯片，具备循环识别模式、口令模式、按键模式三种识别模式，在测试的过程中识别效率高达95%，故采用此方案。

2.2.2 主控板模块方案

方案一：主控板采用STC89C52RC 单片机，编程简单，成本低。但采用一个51 内核的单片机控制4 个电机调速，在执行的过程中效率会大大降低。故放弃该方案。

方案二：采用Arduino Mega 2560 微控制器，采用MicroUSB 连接器下载，供电用，板载数字输入/输出端口，模拟输入端口，还有4 路UART 串口，16MHz 的晶振，处理速度相对快，满足设计要求，故采用此方案。

2.2.3 有线/无线连接通信模块方案

方案一：采用将语音识别模块和小车整体组合在一起的模式，但小车在行驶过程中，直流电机会产生干扰，会影响语音识别的精度，故放弃该方案。

方案二：采用蓝牙无线通信方式，将无线蓝牙通信安装在小车上作为接收模块，手持蓝牙发送模块，当声控信息被安装在小车上的接收模块接收后，控制小车完成相关操作，与方案一相比，该方案避免了噪音的影响，提高了语音识别的精度，故采用此方案。

2.2.4 直流电机驱动选择方案

方案一：采用分立元件搭建经典H式直流电机驱动电路，但需要元件较多，且一套电路只能驱动一个直流电机，故放弃该方案。

方案二：采用2.5A 双路电机驱动，正反转PWM 可调速，可同时驱动两个直流电机，驱动电流大，使用此方案电路搭接简单、可靠性高，因此选择该方案。

2.2.5 直流电机选择方案

方案一：采用JGA25-370 电机作为小车的驱动电机，该电机长为50mm，直径为12mm，所需电压大于6V，设计完成后的小车尺寸较大，不符合设计要求，故放弃该方案。

方案二：选择TTL马达电机，电机驱动能力选择多样，且长度较短，所需的驱动电流较小，尺寸较小，完成后的小车符合设计要求，故采用该方案。

2.3 实验设备的改革

传统实验教学只能在实验台或试验箱上进行，相关电路和电子元器件都被封装起来，学生只能通过导线进行连接，验证实验结果，无法给学生提供真正实践动手的机会。例如在“声控避障小车”项目设计中，各个小组可在物联网综合实验室、无线传感器实验室进行，实验室提供设计所需的焊接工具、测量工具以及常用电子元器件、开发板等，一些特殊的电子元器件需要学生自行购买，保存发票后，学校可从相应经费中予以报销，解决了同学们的后顾之忧，提高了同学们的参与积极性。

2.4 实验成绩考核制度的改革

实践项目的设计贯穿整个学期，学生要完成实践作品的设计需要更加积极主动去学习和查阅资料。改革后实验成绩的最终核算不再以传统的实验报告、期末考试、平时成绩的方式进行，而是考核最终设计作品实现的功能、焊接水平、相应模块测试结果是否正确、设计报告撰写质量等方式进行考核。实验成绩考核制度的改革提高了学生参与动手的积极性、创新实践能力、团队协作能力以及分析问题解决问题的能力。

3 实验教学改革成效以及存在的问题

采用本课程教学组的实验教学方式对18 级、19 级物联网工程班的同学进行授课后，教学效果逐渐显现，主要体现在，学生的创新能力和运用知识解决问题的能力获得了显著提升。图2 为部分学生的设计作品。

凯理学院组织了18 级、19 级物联网工程专业学生参与了多项科技创新竞赛和学科竞赛，并多次获奖，2021 年获省级大学生创新创业项目立项6 项。主要存在的问题在于整个教学体系的建设还不够完整，综合实践项目较少，没有根据学生水平设置不同层次的实践项目，教师对实践项目中所涉及的知识与教材的对应关系把握能力还有待提高。