陸欣云, 黃家才，楊 雪，劉 靜

(南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167)

0 引言

目前，普通本科院校都會(huì)在自動(dòng)控制類及電子信息類的專業(yè)培養(yǎng)方案中安排“電路分析基礎(chǔ)”“模擬電子技術(shù)”“數(shù)字電子技術(shù)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，并且會(huì)在學(xué)完這些課程之后安排“模電課程設(shè)計(jì)”和“數(shù)電課程設(shè)計(jì)”。我校原來(lái)的“模電課程設(shè)計(jì)”要求學(xué)生在一周的時(shí)間內(nèi)完成一個(gè)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源或“正弦波-方波-三角波”發(fā)生電路的設(shè)計(jì)，并在面包板上搭建和調(diào)試此電路?！皵?shù)電課程設(shè)計(jì)”要求學(xué)生在EDA實(shí)驗(yàn)箱上完成一個(gè)8人搶答器或者數(shù)字鐘等電路的實(shí)現(xiàn)。

由于單門課對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容相對(duì)不是一個(gè)綜合的電子系統(tǒng)，而且實(shí)際的電子產(chǎn)品從形態(tài)上與課程設(shè)計(jì)的作品有較大的差異，為了讓學(xué)生能夠獲得綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作的訓(xùn)練，使學(xué)生在畢業(yè)前能具備良好的工程素養(yǎng)，畢業(yè)后能勝任相應(yīng)的研發(fā)類或工程類工作崗位。我校對(duì)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了改革，開(kāi)設(shè)了“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”新課程。

“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”整合了原先“模電課程設(shè)計(jì)”“數(shù)電課程設(shè)計(jì)”“電子工藝實(shí)習(xí)”三門實(shí)踐課的內(nèi)容，采用四位一體教學(xué)模式來(lái)開(kāi)展這門課的教學(xué)活動(dòng)。四位一體教學(xué)模式是指從“工程化環(huán)境，項(xiàng)目化載體，團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)，協(xié)作式學(xué)習(xí)”四個(gè)方面來(lái)全面開(kāi)展課程的實(shí)施。四位一體教學(xué)模式具體內(nèi)容包括教師教學(xué)團(tuán)隊(duì)的組建，對(duì)教學(xué)場(chǎng)地搭建規(guī)范的工程化環(huán)境，采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，指導(dǎo)學(xué)生組成學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行協(xié)作研討學(xué)習(xí)?；陧?xiàng)目教學(xué)法的“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”課程的開(kāi)設(shè)是一種創(chuàng)新型互動(dòng)性的實(shí)踐教學(xué)模式探索[1]。

1 四位一體教學(xué)模式的實(shí)施方法

1.1 搭建工程化環(huán)境

搭建工程化環(huán)境旨在為學(xué)生提供從事電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的模擬場(chǎng)景。電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作本身就是一個(gè)富有創(chuàng)意的實(shí)踐活動(dòng)，參考國(guó)際領(lǐng)先的創(chuàng)客空間建設(shè)解決方案，為教學(xué)實(shí)踐場(chǎng)地開(kāi)辟了五大區(qū)域：教學(xué)區(qū)用于對(duì)學(xué)生進(jìn)行集中授課，主要由可以活動(dòng)的桌椅構(gòu)成，桌椅可以拼裝成不同規(guī)模的大小以便小組成員之間進(jìn)行研討與交流。制作區(qū)為每一組的學(xué)生配備了一整套裝配調(diào)試平臺(tái)，其中包括焊接臺(tái)、計(jì)算機(jī)、示波器、信號(hào)發(fā)生器、直流穩(wěn)壓電源、萬(wàn)用表、工具箱等。讓學(xué)生可以在這里進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及輔助分析、電路板的焊接與調(diào)試等工作。工具區(qū)主要提供給學(xué)生一些公用的制作設(shè)備及工具，包括打印機(jī)、熱轉(zhuǎn)印機(jī)、3D打印機(jī)、激光雕刻機(jī)、虎鉗、臺(tái)鉆、博世工具掛板、熱水壺等，各組學(xué)生可以共享使用這些工具設(shè)備。收納區(qū)一方面存放制作中用到的電子元器件等材料，另一方面收集學(xué)生制作的過(guò)程中產(chǎn)生的電子垃圾從而進(jìn)行環(huán)保處理。展示區(qū)用櫥窗或立體貨架展示歷屆學(xué)生制作的優(yōu)秀作品。建立起他們對(duì)各種電子系統(tǒng)的直觀認(rèn)識(shí)，以拓寬學(xué)生的思路，激發(fā)他們的靈感。完善的工程化環(huán)境為學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)提供了有力的保障。我校所搭建的工程化環(huán)境如圖1所示。

圖1 工程化環(huán)境布局示意圖

1.2 以項(xiàng)目化教學(xué)為載體

“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”的內(nèi)容是以一個(gè)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的小項(xiàng)目作為載體進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)施的。為了讓學(xué)生得到綜合的訓(xùn)練，同時(shí)也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)制作的興趣，并且能在三周的時(shí)間內(nèi)完成此項(xiàng)目，因此項(xiàng)目的選擇顯得尤為重要。經(jīng)過(guò)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的探討與實(shí)踐，目前已開(kāi)發(fā)出智能循跡小車，信號(hào)的產(chǎn)生、分解與合成，LED點(diǎn)陣顯示與驅(qū)動(dòng)電路等若干個(gè)課題[2]。其中智能循跡小車項(xiàng)目要求一個(gè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作出一個(gè)可以在白色路面上自動(dòng)沿著黑色軌跡行走的小車，并且能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。該項(xiàng)目運(yùn)用到模擬電子技術(shù)中光電對(duì)管檢測(cè)電路、電壓比較器電路、三極管驅(qū)動(dòng)電路、LED控制電路等內(nèi)容。還運(yùn)用到了數(shù)字電子技術(shù)中組合邏輯電路、計(jì)數(shù)器、譯碼器、分頻計(jì)時(shí)器、數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。項(xiàng)目要求學(xué)生們學(xué)習(xí)Altium Designer軟件去設(shè)計(jì)模擬部分的電路，包括電路的原理圖及其PCB，并采用蝕刻的方法制作出電路的PCB，進(jìn)行焊接調(diào)試。智能小車實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)顯示屬于數(shù)字電路的范疇，結(jié)合當(dāng)代數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用Intel公司的FPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路的部分，由于在實(shí)驗(yàn)室采用蝕刻方法很難制作出雙面PCB，手工制作的電路板很難適合高集成度的FPGA器件的焊接，因此將數(shù)字系統(tǒng)部分的硬件電路設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)的核心板提供給學(xué)生，并引出FPGA器件的I/O口用以與外圍電路進(jìn)行連接。這樣學(xué)生既獲得了PCB電路開(kāi)發(fā)的實(shí)踐鍛煉，也獲得了數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的訓(xùn)練，并且需要把二者有機(jī)地融合起來(lái)才能最終實(shí)現(xiàn)智能小車的功能。通過(guò)實(shí)踐教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)電路板的制作過(guò)程有極大的興趣，并且在制作的過(guò)程中會(huì)添加自己的創(chuàng)意在電路板上，例如添加自己小組的團(tuán)隊(duì)名稱和LOGO在PCB上。同時(shí)在制作的過(guò)程中會(huì)體會(huì)到設(shè)計(jì)中的缺陷給作品制作帶來(lái)的問(wèn)題，例如，布線寬度太細(xì)導(dǎo)致銅膜導(dǎo)線易斷，焊盤設(shè)置太小會(huì)導(dǎo)致焊接困難等問(wèn)題。學(xué)生根據(jù)問(wèn)題進(jìn)行修正，積累了設(shè)計(jì)制作經(jīng)驗(yàn)。

基于模數(shù)電的項(xiàng)目教學(xué)開(kāi)展的效果很好，實(shí)際的電子系統(tǒng)中大多數(shù)情況還會(huì)有單片機(jī)的存在，因此我校還進(jìn)一步地推出了為時(shí)五周的基于“模電”“數(shù)電”“單片機(jī)原理及應(yīng)用”“傳感器與檢測(cè)技術(shù)”等四門課綜合起來(lái)的課程設(shè)計(jì)[3]。由于學(xué)生已經(jīng)具備了更多的專業(yè)課程基礎(chǔ)，因此可以拓展更多的項(xiàng)目訓(xùn)練課題，目前已經(jīng)開(kāi)展了如表1所示的實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練案例。

表1 實(shí)踐項(xiàng)目訓(xùn)練案例

對(duì)于這些項(xiàng)目的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分，學(xué)生可以選用單片機(jī)，也可以運(yùn)用FPGA器件去實(shí)現(xiàn)。這樣可以基本保證一個(gè)班級(jí)中不同組別間做的項(xiàng)目有差異性。而每一個(gè)項(xiàng)目本身的設(shè)計(jì)目標(biāo)及內(nèi)容可以在每一年的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行不斷地優(yōu)化迭代。

1.3 教師團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)

項(xiàng)目化教學(xué)的電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)涉及到較為寬廣的知識(shí)和技能，這對(duì)指導(dǎo)教師也提出了較高的要求，并且在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)生可能會(huì)遇到各種問(wèn)題，指導(dǎo)教師也要有豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)面對(duì)這些問(wèn)題。學(xué)生的實(shí)訓(xùn)活動(dòng)是在連續(xù)3～5周內(nèi)完成的，如果只有一名教師全程負(fù)責(zé)這們課程，務(wù)必會(huì)給教師的工作帶來(lái)巨大壓力，而且也會(huì)影響實(shí)踐教學(xué)的效果，因此，建立一個(gè)有分工、有協(xié)作的指導(dǎo)教師團(tuán)隊(duì)是必要的。我校在每一個(gè)班級(jí)的教學(xué)過(guò)程中組建了4～6人的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，要求班級(jí)的學(xué)生自行選擇不同的訓(xùn)練項(xiàng)目，每一個(gè)項(xiàng)目有兩名熟悉此課題的老師來(lái)負(fù)責(zé)，任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)每個(gè)項(xiàng)目組至少會(huì)有一名老師在實(shí)踐場(chǎng)地。每一個(gè)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)老師可以有主攻模擬電路部分及PCB設(shè)計(jì)或數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合部分的分工。這樣的團(tuán)隊(duì)式指導(dǎo)讓學(xué)生在實(shí)踐過(guò)程中遇到的問(wèn)題能得到有效的解決，同時(shí)也減輕了教師的負(fù)擔(dān)。在這門課程的開(kāi)展過(guò)程中指導(dǎo)教師一定會(huì)看到不同學(xué)生實(shí)踐能力與興趣的差異。教師可以在班級(jí)中選拔優(yōu)秀的學(xué)生作為后續(xù)其他班級(jí)教學(xué)的教學(xué)助手。讓他在課后協(xié)助教師去解決其它班級(jí)電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)中遇到的各類問(wèn)題，這大大提高了該同學(xué)的實(shí)踐能力和素養(yǎng)。因?yàn)閷W(xué)生之間的相互溝通會(huì)比教師與學(xué)生之間的溝通更容易深入，這樣會(huì)大大提高教學(xué)效果，減輕教師的工作量。學(xué)生任教學(xué)助手經(jīng)過(guò)這樣的鍛煉后，還可以在教師的指導(dǎo)下參加中國(guó)機(jī)器人大賽或者全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽，也一定能取得不錯(cuò)的成績(jī)。

1.4 學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)作式學(xué)習(xí)

學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中的互相溝通交流是必不可少的，在完成一個(gè)具體項(xiàng)目的時(shí)候需要組建團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)的成員間進(jìn)行分工協(xié)作，最終才能將項(xiàng)目盡快實(shí)現(xiàn)。電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)的項(xiàng)目化教學(xué)就是給他們進(jìn)行團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)實(shí)踐模擬的一個(gè)好機(jī)會(huì)，這是對(duì)學(xué)生今后進(jìn)入工作崗位與同事協(xié)作的一種前期培養(yǎng)。課程中要求學(xué)生之間自行組隊(duì)，三名同學(xué)為一個(gè)小組，共同完成所選的項(xiàng)目，每個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)作品的某一個(gè)模塊。在完成的過(guò)程中，每一個(gè)小組會(huì)分配一個(gè)組桌，方便他們討論方案，設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試等。給每一組同學(xué)配備基本的一套儀器、工具、材料。由于在一個(gè)班級(jí)中開(kāi)展的項(xiàng)目不可能每組都不相同，不同組別之間分配的任務(wù)會(huì)有類似的，他們之間也是可以相互交流和探討的，在評(píng)定成績(jī)方面可以對(duì)每個(gè)組的作品設(shè)計(jì)、制作、性能等各個(gè)方面給予成績(jī)?cè)u(píng)定。

為了防止做相同項(xiàng)目的組別某些同學(xué)有畏難情緒而出現(xiàn)抄襲其他同學(xué)的設(shè)計(jì)的情況，對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目可以要求他們采用不同的方案實(shí)施，而且可以在項(xiàng)目要求上進(jìn)行區(qū)分。例如：針對(duì)環(huán)境信息采集及LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)定了5項(xiàng)不同的基礎(chǔ)部分要求，要求他們至少完成3項(xiàng)。另外，設(shè)定了13項(xiàng)不同的提高部分要求。要求不同組別之間為了獲得提高部分的成績(jī)必須選做不同的提高部分的內(nèi)容。這樣不同組別的成員可以相互借鑒學(xué)習(xí)，卻不能完全抄襲。該項(xiàng)目的考核具體要求如表2所示。從近5年的課程實(shí)踐效果來(lái)看，并沒(méi)有出現(xiàn)之前擔(dān)心的有的組完全照抄其他組的設(shè)計(jì)的情況。

表2 LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)項(xiàng)目要求示例

2 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目化教學(xué)是工程類專業(yè)教學(xué)的先進(jìn)產(chǎn)物，“電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)”的課程特征使其比較適用于項(xiàng)目化教學(xué)的方法[4]。

運(yùn)用四位一體的項(xiàng)目化教學(xué)方式，學(xué)生有著一個(gè)完整的項(xiàng)目作品設(shè)計(jì)任務(wù)，在綜合化的實(shí)踐場(chǎng)景下，能夠團(tuán)隊(duì)協(xié)作地去完成任務(wù)，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，為其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的作品賦予他們的創(chuàng)造力與想象力，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了知識(shí)技能，更重要的是激發(fā)了他們從事電子設(shè)計(jì)的興趣與熱情，培養(yǎng)了良好的工程素養(yǎng)，為他們今后從事本專業(yè)的工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從目前的實(shí)踐效果來(lái)看，這項(xiàng)教學(xué)改革對(duì)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了顯著提高，經(jīng)歷過(guò)電子系統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)的大量學(xué)生在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、中國(guó)機(jī)器人大賽、大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目中有著優(yōu)秀的表現(xiàn)。