通过实践课提高学生的电子系统设计能力|提高射门能力实践课教案
时间：2019-01-14 03:36:31 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】该文分析了独立实践课的设置背景,详细介绍了《电子技术综合实践》课程的教学内容、教学要求及考核方式。经过几年的教学实践与总结,探索出通过独立实践课提高学生动手能力的一种有效的教学模式,取得了显著效果。
【关键词】实践教学;教学改革;电工电子
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)04―0132―03
引言
高等教育提出朝着“宽口径、厚基础、重能力”的方向发展,培养适应能力强、发展潜力大的复合型人才是高等教育追求的目标。电子信息类专业主要培养具有宽厚电子技术和信息系统的基础理论、较强的电子信息系统设计实践能力、科学的思维方法、独立分析问题和解决问题的能力、能从事各类电子设备和智能仪器的研究、设计、制造、应用和开发的应用型工程技术人才。
当今世界,电子产品层出不穷,并且向智能化方向发展,这样日益凸现出单片机和FPGA等可编程器件在电子产品设计和创新中的重要性,用人单位普遍要求求职的毕业生能够掌握单片机的基本原理和设计方法,有的单位甚至要求毕业生具有基于单片机系统的电子产品的设计经验[1]。电子系统设计主要是指基于单片机控制的完整应用系统的设计,包括系统软硬件设计及系统调试等多方面的知识。电子系统设计课程体系是以《单片机原理及应用》课程为核心,由《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《感测技术》、《电子设计自动化》、《可编程逻辑器件及应用》、《C语言程序设计》等相关课程组成。
一 设课背景
学生经过《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《单片机原理及应用》、《感测技术》、《电子设计自动化》、《可编程逻辑器件及应用》、《C语言程序设计》等课程的学习,通过教师教学和随课的验证性实验,对于电子信息领域的相关理论知识有了了解和掌握,基本能够进行单元电路的设计和调试,但验证性实验多数是教材内容的演示和再现,学生基本没有进行系统级的设计和实训,综合实践能力有待提高,学生没有发挥自己的主观能动性,不利于创新性人才的培养。
通过分析学生参加多届电子设计竞赛的情况,我们发现,按传统理论教学和实验方法培养的学生,在参加电子设计竞赛时,会出现很多问题,达不到预期目标。比如:对某一功能电路进行设计,理论上设计正确但在工程上却无法实现;单元电路正确却无法实现系统联调;各模块功能实现却无法完成一个系统等等。这是因为电子设计竞赛既不是单纯的理论设计竞赛,也不仅仅是实验竞赛,而是由一个参赛队共同设计、制作完成一个有特定工程背景的题目的竞赛。电子设计竞赛不仅要在单元电路上实现预期功能,更要考虑模块间的接口关系;它既强调理论设计,更强调系统实现;它考核了学生综合运用基础知识的能力,更注重考察学生的创新意识,在2009年的全国大学生电子设计竞赛中又增加了性能价格比和节能减排方面的考核内容,更加贴近工程实际和产品设计。从所涉及的课程内容上看,已经不是竞赛题目一门或者几门课程所能解决的,而是一个由相关课程组成的课程群。再从竞赛使用的器件上看,有很大一部分是理论教学中没有讲授和更新的,因为电子信息技术的发展太快,新技术、新器件层出不穷,传统的教学方法和体系面临了严重的挑战,如果不进行改革,建立一个新的理论课和实践课教学课程体系,就无法适应培养现代化人才和发展高等教育的需要。
高等学校培养的人才最终是为社会和国家服务的,学生经过四年的本科学习,最终要走向社会,从毕业生的就业情况看,绝大多数毕业生从事电子信息相关的工作[2]。统计发现,到企业进行产品研发的学生通常是电子竞赛获奖或参加了电子竞赛培训的学生,动手能力较强,而从事销售、服务等工作的毕业生很大比例是不能够进行研发,不得已才去做销售、服务的。为了使学生掌握电子系统的设计与开发,在相关理论课教学完成后我们开设了一系列的独立的综合设计实践课,对学生开放实验室,学生可以集中时间完成一系列的综合性、设计性实验项目,巩固理论教学内容,提高学生的综合设计能力和设计水平,为参加各级电子设计竞赛和以后就业打好基础,一举两得,事半功倍[3]。
二 实践课设置情况
系列实践课的设置遵循认知规律,是在随课实验基础上的扩展和深入,经过调研和讨论,听取兄弟院校、相关企业和毕业生的意见和建议,在培养学生动手能力方面除了专业实习和毕业设计环节外,设置了一系列的独立实践课,分布于各个学期的教学中。以电子信息工程专业培养方案为例,实践课设置情况如表1所示:
实践课的教学基本上在相关的理论课程教学完成后进行,保证学生在进行实践课时已经完成先导课程的学习和验证性实验,除《电子技术综合实践》,其它多数实践课是对某一课程的强化和拓展。
三 《电子技术综合实践》教学过程
在系列独立实践课中,《电子技术综合实践》是关键性的教学环节,是最贴近电子设计竞赛和实际工作应用的课程,要求综合模拟电子技术、数字电子技术、传感器、单片机、FPGA等多方面的知识。该课程强调以学生为主体,允许学生自由选题,题目的难度一般介于验证性实验和毕业设计之间。
本课程使学生能够较系统地掌握电子系统设计的全过程,包选题、文献查阅、方案论证、器件选择、电路设计、电路实现、软件编程、装配调试、系统测试、总结报告、文档整理等。学生完成由单元设计向系统设计的过渡,掌握现代化仪器设备在系统设计和实践中的应用。课程充分发挥学生的主观能动性和创造力,培养学生的独立工作能力以及协作精神,并通过该课程选拔参加各类设计竞赛的参赛选手。
1 题目设置
在该实践课的教学上我们选择了多个有代表性的、难易不同的实践题目供学生选择。具体题目有:液体点滴速度监控装置、电子秤的设计与制作、智能电梯控制系统、水温控制系统、脉搏测量仪的制作、直流数控稳压源、数字式液量测量系统、转速控制测量仪、数据采集系统、信号发生器、智能小车等等。这些题目基本上都是综合性、设计性的,有的题目是历年电子设计竞赛题目的简化或分解。以液体点滴速度监控装置为例,该设计要求制作一个液体点滴速度监测与控制装置,如图1所示,实现的功能有:
(1)在滴斗处检测点滴速度,并制作一个显示装置,能动态显示点滴速度(滴/分)。
(2)通过改变h2控制点滴速度,也可以通过控制输液软管夹头的松紧等其它方式来控制点滴速度。点滴速度可用键盘设定并显示,设定范围为20-150滴/分,控制误差范围为设定值 10% 。
(3)调整时间≤2分钟(从改变设定值起到点滴速度基本稳定,能人工读出数据为止)。
(4)当h1降到警戒值(2~3cm)时,能发出报警信号。
这个题目中对点滴速度和液面位置的检测要用到传感器,要有声光报警电路,需要电机改变h2高度来控制点滴速度,整个系统由单片机进行控制,通常选择PID算法来调整点滴速度。从实用和智能化角度出发,可以扩展成网络,采用简单的RS-232通讯实现从站和主站之间的通信,实现智能化管理。
学生在选题过程中进行引导,避免多组学生选择同一题目,学生也可以自主拟定题目,经过指导教师审核即可。学生3人为1个小组,成员有所分工。
2 教学要求
(1)综合运用EDA软件
学生根据所选题目进行方案设计,对方案中的电路进行设计计算,包括元器件的选择和电路参数的计算。要求学生通过各种EDA软件进行仿真验证,选择Multisim7、Proteus、ISE等软件进行相关仿真实验。
(2)硬件电路制作
设计方案经指导教师审查通过后,学生领取所需元器件等材料,设计PCB电路板并且自己加工,最后焊接制作电路并调试。
本课程教学采用了“模板化”设计方法,将学生设计调试好的A/D转换器、D/A转换器、键盘、显示电路“模板化”,使系统设计的局部和整体有机结合,提高了实验资源的利用率和实践效率,“模板化”后的单元电路在电子设计竞赛中也可使用。
(3)软件的编制与仿真。根据已设计出的软件系统流程图,编制出各功能模块的子程序及整机软件系统的主程序,程序设计时,要充分考虑与所设计硬件电路的连接及有关指标要求。向学生推荐使用C语言进行单片机的编程与开发,用C语言进行程序开发更方便移植,贴近实际工程背景,适合开发大型的工程应用程序。
(4)系统联调。学生集中在1周内完成所选题目,3个学生为1组,按照模块化设计方式有所分工,当每个同学所负责的模块调试成功后进行系统联调,要求学生之间相互配合,遇到问题一起找原因、想办法,而不是相互埋怨、推脱责任,培养学生的合作精神,积累系统调试的经验,培养学生分析问题和解决问题的能力。
(5)撰写实践总结报告。
书写高质量的工作总结是反映工作实践素质高低的一个重要方面,工程技术人员应能用书面形式系统、完整、清晰地表达自己的研究成果,其目的是让人很容易地看懂所研究课题的内容、方案、原理、实现方法等。因此,书写实践总结报告也是实践课考核的主要内容之一。
3 考核方法
(1)设计方案正确性与合理性,综合考虑性能价格比和系统功耗。
(2)实践动手能力,包括PCB设计水平、安装工艺水平、焊接工艺水平。
(3)设计成果,达到的指标。
(4)调试中分析和解决问题的能力,创新精神。
(5)题目的难易程度。
(6)独立工作能力,实践工作态度。
(7)总结报告完成的质量。
四 教学效果
经过几年的教学和改革,对学生动手能力的培养取得了较好的效果。2005年以来,学生参加了全国大学生电子设计竞赛和浙江省大学生电子设计竞赛,共获3个全国一等奖,2个全国二等奖,4个省一等奖,6个省二等奖。近5年,本科生一次就业率年均在90%以上,多数毕业生到企业从事研发工作,少数毕业生独立创业、注册公司进行电子产品的设计与开发。
此外,学生参与教师科研项目、独立申报承担浙江省新苗计划项目、浙江省大学生创新项目、校级学生科研项目的数量都显著提高。
五 结束语
实践课主要体现在对实际工程应用系统或产品的研制,使学生经历从课题任务的提出到方案的论证、设计,软件及硬件的开发、联机调试等若干步骤。学生通过自己设计实验电路、实验步骤、实验方法等,综合应用电子技术的能力、理论联系实际的能力得到了很大的提高,促进了学生创造性思维的发挥。这些实践课是在理论课教学和相应验证性实验基础上的深入和提高,是对学生电子系统设计的综合性训练,这种训练培养了学生工程实践能力、独立工作能力及创新能力。
参考文献
[1] 王剑.电子系统设计课程体系改革的探讨[J].长江大学学报(自然科学版),2009,6(2):377-378.
[2] 张家栋,房海蓉.加强开放实验平台建设促进学生创新能力培养――以北京交通大学为例[J].现代教育技术, 2009,19(7):132-134.
[3] 曹建树,薛龙,蒋力培等.单片机创新实践教学改革与实验室建设[J].实验室研究与探索,2005,24(9):4-6.
