以学生为中心的电子应用综合实验设计研究

摘要：电子应用综合实验基于电路、模电、数电知识体系，以学生为中心的电子应用综合实验设计突出创新性、高阶性、挑战度;微弱信号提取电路设计与实现将理论与实践相结合、引导学生自主分析电路、创新思维方式、提升综合素养。

关键词：电子应用综合实验;以学生为中心;电路设计。

传统实验教学模式主要采用课堂讲授以及实验验证的方式，在进行电子技术实验学习时，对于知识学习应用层次较浅，主要出现的问题：一是学习知识只是各个固定模块，对于整体知识体系的关联性不是特别清晰，理论积淀不深、实验环节结合理论应用不够到位;二是学生学习的知识深度较浅，创新意识不强，在解决实际工程技术问题时比较乏力;三是教师教学设计偏重教师讲授，学生验证，没有兼具高阶性、创新性、挑战度，未区分学生知识基础以及接受度。以学生为中心的电子应用综合实验设计将传统意义的“教师讲授”为中心转变为“学生学习”为中心[1]，着重突出学生对于知识体系的创新运用能力，教师优化教学设计，根据不同学生的基础以及接受度因材施教，学生结合所学知识与自身方向领域工程技术相结合，解决实际问题。本文电子应用综合实验采用微弱信号提取电路设计与实现，微弱信号提取电路设计与实现将电子技术理论课程融合贯穿连接，学生对于基本知识运用的电路的分析设计，对于高阶知识的创新应用，兼具一定挑战度，学生主体的实验课程意义凸显。

一、设计内容与任务

1.案例设计内容。理论课程学习知识的积累，设计完整的实验电路系统，方案整体设计、模块电路设计与论证分析、各模块调试分析，系统联调[2][3]。主要包括：①学习人体微弱信号（光电容积脉搏波信号）提取基本理论知识、知悉信号提取的基本思路。②提取信号需要设计好接口电路，将光电传感器检测到的信号可以传递给接口电路。③选择合适的主控芯片、采用主控芯片对提取的信号进行处理。④电路系统需要供电装置，电源模块供电需要满足不同芯片的供电电压。⑤微弱信号提取之后数据存储电路的设计，采样频率若为125Hz，需要设计足够的存储空间。

2.案例设计任务。结合教师引导，光电检测器检测人体微弱信号（光电容积脉搏波信号等），对信号进行提取分析，需综合设计以下模块：①信号采集电路模块;②系统控制模块;③系统供电模块;④信号存储模块;高阶要求可设计：⑤LCD信号显示模块[4][5]。

二、实验内容与任务

本实验主要通过设计微弱信号提取电路，学生根据需要设计的要求及特点，运用所学基础知识分析设计电路，突出两性一度包含基本要求、进阶要求和发挥要求。

1.基本要求。①信号采集电路能够提取光电检测器的信号。②采样频率为125Hz，需有存储电路并保证有足够空间存放数据。③主控芯片电路可选择STM32，控制电路运行。④系统供电模块，需要对不同芯片供电，包含3.3V与5V。

2.进阶要求。①将数据进行存储到SD卡中，取出SD卡在电脑端读取数据并用MATLAB显示波形。②测量数据采用不同的采样频率，观察波形显示的区别。③系统供电模块设计一个充电模块，保证在未接通电源时有电压供给。

3.发挥要求。①设计一个LCD信号显示模块，可供实时显示微弱信号。②换用不同的主控芯片，ARM或者其他芯片进行实现，并画出电路PCB图。

三、实验过程及要求

基本实验过程及要求：①学习微弱信号提取方法、学会查找和阅读所用芯片数据手册;②设计信号采集电路模块，建议采用主流3接口，适配光电脉搏传感器;③完成主控芯片选型及主控芯片最小系统搭建，能够稳定整个电路系统;④查找主控芯片数据手册，区分IIC、SPI、串口以及普通I/O口，进行原理图布线设置;⑤采样频率为125Hz，设计存储电路需要兼顾到数据存储卡大小和数据量大小;⑥系统供电模块设计时需要同时包含3.3V和5V，建议使用CE8301芯片进行变压;⑦对各个模块绘制原理图，用Multisim软件进行仿真，对各个模块进行调试，最后联调直至成功。进阶实验过程及要求：①信号数据存储之后，取出时用MALTAB进行实现，注意简单程序编写;②系统供电模块加入充电模块，增强电路稳定性，可尝试TP4056充电芯片;

发挥实验过程及要求：设计LCD数据显示电路，注意LCD显示屏的驱动以及显示程序;选择其他主控芯片应考虑处理速度，画出电路原理图对应的PCB图。

四、教学设计与实施

1.教学过程设计。教学设计兼顾不同知识基础学生的学习情况，主要包括：课前准备：通过学习群组发布课前预习实验内容，学习微弱信号提取相关知识，并发布习题作业，根据学生答题情况适时调整教学内容，原理方法、教学思路等。

课堂实施

（1）创设情境，引出任务。通过某医院需要一批脉搏或者心电提取装置，创设情境，该装置需要如何设计，用到了哪些电路、模电、数电知识？

（2）反馈信息，知识讲解。根据学生反馈的信息，对电路设计主要事项进行讲解，并对电路用到的知识进行讲解。

（3）讲述原理、动手设计。对所需电路进行分模块设计，主要包含信号采集、系统控制及供电、存储以及LCD数据显示模块，简要介绍原理及方案，学员开始动手设计。

（4）分组协作，完成任务。对班级学生进行分组，每组8人，对各個模块进行设计，进行仿真并调试电路，最后进行联调并绘制电路原理图。各组之间充分讨论形成答案，选派一名代表对本组成果进行展示。

（5）小组展示，组间点评。教师组织各个小组对所设计电路原理图进行展示分享，各组之间发表意见。

（6）进阶提升、教师总结。对本次实验需要进阶提升以及发挥需求的学生进一步实验，教师对本次实验电路设计进行总结，以华为事件激励学生努力进取，探索研究，培养爱国主义情怀。

课后拓展

通过对设计的电路装置进行与实践结合应用，设计一款从人体光电容积脉搏信号提取呼吸波的装置，创新思维方式，提升解决实际问题的能力。

2.报告要求。实验报告包含以下要素：①实验需求分析;②实验整体设计;③实验各模块论证分析;④主控芯片选型，最小系统设计电路原理图;⑤各模块电路设计原理图及设计思想;⑥整体电路设计，电路图、仿真软件测试结果及调试过程;⑦信号数据处理结果及波形展示;⑧实验总结及心得体会

3.考核评价。电子应用综合实验将课程实验成绩与报告成绩相结合，主要包含：①课前预习及习题反馈（10%）;②各模块设计及论证分析（40%）;③系统整体测试及教师验收答辩（20%）;④进阶要求及发挥要求完全实现（10%）;⑤实验报告的撰写（20%）。考核评价标准的全面化有利于全面量化学员的学习状态，对所学知识运用创新能力。

五、总结与展望

学生通过电子应用综合实验对各模块进行论证分析，提升电路设计能力;动手调试电路进行联调，提升学以致用能力;实验加入进阶要求和发挥要求，因材施教，适应不同学习层次的学生，充分发挥以学生为中心，教师为主导的理念。实验后续可加入对微弱信号分解与提取，比如人体的光电容积脉搏波信号，分析处理之后提取呼吸波信号用于重症ICU监护、门诊检测，对数据与正常人体生理参数进行对比分析，达到健康预警的目的。

参考文献：

[1]张月月，王君明，陈荣幸，等.以学生为中心教育理念在实训教学中的应用[J].中国中医药现代远程教育，2020，18（9）：3.

[2]王彩红，焦素敏.基于OBE理念的电路与电子技术课程建设研究[J].教育教学论坛，2020（35）：2.

[3]邱燕，王明哲，赵方舟.基于成果导向理念的应用电子技术专业课程体系建设的改革与实践[J].高教学刊，2019（7）：4.

[4]陈真诚，牛春望，朱健铭，等.一种利用经验模态分解算法的光电容积脉搏波信号中提取呼吸波的方法研究[J].生物医学工程研究，2019，38（2）：6.

[5]牛春望.基于光电容积脉搏波的呼吸波提取研究[D].桂林电子科技大学.

作者简介：牛春望，陆军特种作战学院助教。810809B7-C3AC-43E1-85FA-04ED8058FCD0