青年教師指導工程實踐創(chuàng)新活動的方法

黃 松，譚愛國，楊一波，夏斯權(quán)

（上海理工大學 公共實驗中心，上海 200093）

0 引言

傳統(tǒng)的數(shù)電、模電、電路、電工電子實驗重在輔助學生對理論知識進行驗證，深入一點的綜合實驗雖然在試驗的復雜程度上有顯著加強，但是實用性較低，學生的工程實踐能力在傳統(tǒng)實驗課上幾乎得不到鍛煉。為了改變這種現(xiàn)狀，各高校紛紛開始推行課程改革。1993年，原國家教委提出了在高校組織電子設計、機械設計、數(shù)學建模和結(jié)構(gòu)設計等四大賽事的計劃，來助力高校的教改工作[1]。2007年，為了進一步提高我國高等工程教育的質(zhì)量，擺脫高等工程教育“大而不強，多而不精”的狀態(tài)，國家啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”[2]。

到現(xiàn)階段，各類實踐創(chuàng)新的競賽比比皆是，社會對工科類學生工程實踐能力、創(chuàng)新能力的要求節(jié)節(jié)攀升。此類種種，都對工科類學校的老師提出了更高的要求，一方面要傳道授業(yè)解惑，另一方面又要能指導學生的工程實踐，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力[3]。雙師型教師、老教師、從企業(yè)來的工程師，知識結(jié)構(gòu)完備、實踐經(jīng)驗豐富，一般被認為可以滿足學生在這兩方面的需求。然而，青年教師，尤其是從學院到學院、缺乏工程實踐能力的青年教師，該如何應對學生的需求？

本文根據(jù)筆者指導學生參加全國大學生電子設計競賽的實踐經(jīng)驗，探討了工科類青年教師開展工程實踐類創(chuàng)新活動的方法。

1 把握自身特點，反轉(zhuǎn)短板

青年教師在教育崗位的頭幾年往往處于職業(yè)生涯的“生存期”[4]?！吧嫫凇边@個詞不免會讓人覺得，處在這個時期要更多地去關(guān)注自身的發(fā)展，保求自己的生存，難免會讓青年教師的注意力更多地放在自己身上，加上學校一般也普遍覺得青年教師這個時候欠缺指導學生學習的能力，一般讓青年教師更多地參加助教活動。

誠如客觀情況所反應的那樣，青年教師剛走上教育崗位，教育教學方法尚不能很好地應用。在理論教學方面，對將來所要教授科目的知識要點還不能細致的表述，需要對相關(guān)知識進行進一步的再學習再加工，書寫教案，準備教學PPT等；在實踐教學方面，由于缺乏工程實踐經(jīng)驗，導致自信心不足，進而對指導強實踐性活動感到膽怯。這些是擺在青年教師面前的客觀事實，客觀短板，但卻也是青年教師所獨有的，換個角度看就是特點，是可以被利用起來，發(fā)展成為長板的。

1.1 以學帶學

青年教師對知識的再學習與學生不同，青年教師的知識結(jié)構(gòu)已較為系統(tǒng)，加上其再學習的目標是為了把知識理解通透以教授出來，在自身主觀能動性及責任心的驅(qū)使下，此時青年教師貫通知識的能力比學生要強很多。鑒于青年教師再學習的目的是為了“將來”更好地讓知識傳遞到學生中去，筆者認為，與其等到再學習的知識結(jié)構(gòu)建立完備后再去教授學生，不如把再學習的環(huán)境搬到學生中，到學生中去，帶著學生一起學習。學生學習中遇到的問題，正是青年教師將來需要解答的問題，學生提出后，青年教師可以帶著學生一起尋找問題的答案，通過查閱資料、文獻、書籍以及網(wǎng)絡搜索等方法，總結(jié)出令大家信服的答案。筆者認為，這種以學帶學的方式為青年教師的再學習活動找到了植根之處，能讓青年教師更好地了解學生的學習需求，總結(jié)把知識傳遞給學生的合理方式，也有助于培養(yǎng)與學生溝通的能力。

1.2 以研帶研

與理論教學活動相并列的工程實踐教學活動是青年教師所要面臨的又一大挑戰(zhàn)。青年教師，一般被認為工程實踐能力欠缺，這導致其自身也對工程實踐能力這方面不夠自信，對指導工程實踐教學活動無從下手。指導學生進行工程實踐活動，教師富有經(jīng)驗固然很好，沒有經(jīng)驗又是否能進行呢？筆者對這個問題的回答是：沒有經(jīng)驗，也能進行。正如戀愛中有具備了足夠的物質(zhì)條件結(jié)婚的，也有不具備足夠的物質(zhì)條件先結(jié)婚再一起努力創(chuàng)造的，這后一種情況便是青年教師可以效法的。缺乏工程實踐經(jīng)驗，這個事實必須承認，但是未嘗不可帶著學生一起進行工程實踐活動，一起從零開始創(chuàng)造，成長。具體來說，就是選定一個工程實踐研究目標，然后，與學生一同探索，從實踐活動本身中收獲實踐的本領(lǐng)。

舉個例子：比如某個電子設計中要用某型單片機上的AD采集主電路上42 V的電壓信號。由于該型單片機上AD的電壓采集范圍是0~3.3 V，為了匹配此電壓范圍，選定了最容易想到的電阻分壓作為解決方案。電阻分壓網(wǎng)絡縮小了待采集電壓，讓單片機AD口能正常工作，但使用中發(fā)現(xiàn)單片機采到的電壓值換算回實際值跟42V有較大的系統(tǒng)誤差。通過查閱資料，鎖定問題原因是，單片機AD口的輸入阻抗與分壓電阻的電壓等級較為接近，并聯(lián)之后，影響了原分壓電路的分壓比，導致AD采集到的電壓值不準確。據(jù)此，提出改進方案，在分壓電路后面加電壓跟隨器。電壓跟隨器的輸入阻抗很大，不會影響電阻分壓網(wǎng)絡，輸出阻抗幾乎為零，帶載能力極強，不會受AD影響，很好地解決了AD對電阻分壓網(wǎng)絡產(chǎn)生影響的問題。后續(xù)使用中發(fā)現(xiàn)，主電路中電流瞬變時，AD采集的電壓值也會跟著瞬變。經(jīng)過思考、研究，發(fā)現(xiàn)主電路地跟AD采樣電路的地連在一起，主電路流過大電流時，電路中地線上的電平并不是處處為零，導致AD口的參考地不為零，因此想把主電路地跟AD的地隔離開來，以此隔斷主電路地線噪聲對AD采集的干擾。進一步改進方案，在電壓跟隨器后面加上線性光耦，通過光來把需要采集的電壓信號傳遞到AD采集側(cè)，再接一路跟隨器以防AD口的輸入阻抗干擾光耦輸出電路。在后續(xù)的應用中，發(fā)現(xiàn)這個電壓采集電路性能良好。至此，一個電壓采集電路，完成了從原始簡陋且不能滿足需求到相對復雜且性能良好的成長進化。

這個例子展現(xiàn)了在工程實踐活動中，如何從零開始展開活動，如何慢慢進化研究對象，不斷接近設定目標的過程。這個過程是個成長的過程，不單單是研究對象本身在成長，進行研究的老師帶著同學都獲得了工程實踐能力的成長。

2 把握實踐活動特點，提煉方案

青年教師指導工程創(chuàng)新實踐活動除了要把握好自身的特點，也要把握好實踐活動本身的特點，總結(jié)提煉出與活動相契合的實施方案來指導活動的開展。以筆者所指導的全國大學生電子設計競賽為例。該競賽從1993年開始，每隔兩年舉辦一次，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成了全國電子類競賽中的第一大賽事。此項賽事有A~F幾種類型的題目，大致可分為電源、控制、通信三個方向。結(jié)合自身研究方向，筆者選擇了電源類的題來指導學生。筆者搜集了歷年的賽題，把其中電源類的題挑揀出來。在對賽題的橫向?qū)Ρ戎校P者發(fā)現(xiàn)每屆的賽題都與當時工程研究、應用的熱點密切相關(guān)。此外，筆者對每一道題都進行了硬件及軟件上的分析與抽象，再經(jīng)橫向類比、總結(jié)，最終確立了以模塊化設計的思想貫穿硬件與軟件設計兩方面的指導方案。

2.1 硬件設計模塊化

通過橫向?qū)Ρ葰v年電源類題的硬件結(jié)構(gòu)組成，可將電源類題的硬件部分分為主電路、信號調(diào)理電路、主控電路、輔助電源電路、保護電路（可選）以及狀態(tài)顯示電路（可選）等電路。一般主電路部分會因為題目要求的不同有很大的變化，其他的電路均可通過適當?shù)脑O計變得幾近通用。例如，可以將信號調(diào)理電路拆分成電壓采集電路和電流采集電路等模塊電路，再將電壓、電流采集電路設計得可以采集交流量或直流量，這樣電壓、電流采集電路即做到了模塊化，可以讓學生畫成PCB板，投板，量產(chǎn)，備用。另外像主控電路、輔助電源、保護電路（可選）、狀態(tài)顯示電路（可選）等變化不大的電路，均可模塊化。甚至，像主電路這樣變化較大的電路，也可進行局部模塊化。例如，可以將在電能變換電路中經(jīng)常會用到的半橋或者全橋電路進行模塊化，量產(chǎn)成半橋或全橋模塊。平時訓練或比賽中，可根據(jù)題目要求，以半橋或全橋模塊電路為基礎組裝出主電路。硬件電路設計模塊化的好處是，模塊電路的功能單一，學生可以集中精力研究，各個擊破；同時，學生可以掌握用模塊電路搭建復雜硬件電路的方法，又能培養(yǎng)從模塊電路的視角去拆解、分析復雜系統(tǒng)的能力。在比賽中，模塊電路的應用能節(jié)省大量的時間，好讓學生能有更多的精力投入到實現(xiàn)系統(tǒng)功能的環(huán)節(jié)中；同時，模塊電路的使用，便于學生在硬件調(diào)試中快速定位故障點，即便破壞性的故障對電路造成了一定的損毀，也能快速對電路進行更替、恢復。

2.2 軟件設計模塊化

與硬件設計模塊化相比，軟件設計模塊化更為常見，也更能讓人理解接受。通過分析賽題，不難發(fā)現(xiàn)，I/O信號、AD采集、PWM輸出、SPWM輸出、狀態(tài)顯示、軟件濾波、軟件鎖相等基礎軟件功能幾乎是必不可少的。因而將它們以庫函數(shù)的形式進行封裝，模塊化。賽中，學生只需要將主要精力放在系統(tǒng)控制算法部分，結(jié)合預先封裝好的各基礎軟件功能就能實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件控制算法。

3 把握學生特點，立足長遠

教師指導工程實踐創(chuàng)新活動的主體是學生，只有對學生固有性格、學習偏好良好把握，才能因材施教激發(fā)出學生的潛力。全國大學生電子設計競賽的賽隊以小組為單位，每組3位同學，這樣的賽隊組織形式，無疑需要老師在挑選參賽學生的時候因材而選，也決定了老師在指導的時候，必須因材施教，對教師的綜合能力有一定的要求。在選擇小組隊員的時候，筆者更關(guān)注的是，三個學生能不能較為融洽地相處，做事能不能坐得住，組成隊伍后再根據(jù)他們的意愿作安排，讓一個學生負責硬件方面的工作，一個學生負責軟件方面的工作，另一個學生負責搜集資料文檔、報告撰寫等工作。在工作的安排上按從基礎到進階，從局部到整體的方式展開。對學生要掌握和使用的軟件工具以及涉及的知識進行把控，盡量讓學生學到的知識、用到的工具，具有較好的延拓性，能為其將來的學習研究或是工作就業(yè)帶來競爭優(yōu)勢。

3.1 對做硬件同學的指導

負責硬件工作的學生，先培養(yǎng)他們用 Altium Designer繪制電路原理圖。然后再讓他們在洞洞板上將自己所繪制的電路焊接出來，以驗證功能。各個模塊電路，要求學生通過查閱資料，找出不同方案的典型應用電路，一個個繪制原理圖，一個個焊在洞洞板上調(diào)試，比較性能，最終選出一兩種方案備用。每種選出的方案，元器件的參數(shù)都不可能是既定的，需要對參數(shù)進行一此次的修正，改進原理圖，再焊接調(diào)試，直到最終定型。等各模塊電路定型后，再培養(yǎng)學生繪制PCB板的技能，將模塊電路投板，制板。需要告訴學生的是，電源類題系統(tǒng)的工作頻率不是很高，開關(guān)管的開關(guān)頻率一般只有幾十K，可以歸為低速系統(tǒng)，畫PCB板的時候可以不考慮互連的傳輸線效應[5]，讓學生敢于畫板又有所顧忌。

3.2 對做軟件同學的指導

對于負責軟件工作的學生，筆者推薦他們使用基于Eclipse的IDE，因為Eclipse中集成的智能代碼感知功能能有效提高編程的效率，而且市場上諸如TI、ST、Infineon、NXP等各大單片機或DSP廠商都有自家的或者第三方為其開發(fā)的基于 Eclipse的集成軟件開發(fā)環(huán)境，學生掌握了這種軟件開發(fā)環(huán)境的使用，對其將來使用各廠商的單片機芯片是大有裨益的。

再者，筆者對學生的編程習慣提出了一定的要求。例如，變量的定義不允許使用無意義的字符，如：a，b，c等。全局變量必須以合適的方式定義在頭文件中，不允許在源文件中出現(xiàn)。頭文件必須以防重復定義的方式書寫。功能函數(shù)必須從源文件級模塊化定義，不允許將各功能函數(shù)都塞在main源文件中等。

由于軟件算法的測試嚴重依賴于硬件系統(tǒng)，而硬件系統(tǒng)的裝配、調(diào)試周期又較長，如果等待硬件完成后再進行軟件功能的驗證，必然會造成軟件設計人員時間上的浪費。為了解決這個問題，筆者推薦學生使用主控與Matlab模型聯(lián)合仿真技術(shù)，即軟件在環(huán)測試技術(shù)[6]。該技術(shù)在Matlab上建立硬件電路模型，利用Matlab的S函數(shù)實現(xiàn)電路模型與CCS軟件間的通信，再由 CCS軟件通過仿真器與目標DSP板進行通信，也即實現(xiàn)了DSP板與電路模型間的通信，既是實現(xiàn)了由DSP板對硬件電路模型的控制。該工作模式與實際工況類似，可用來預先（在系統(tǒng)硬件未實現(xiàn)前）驗證代碼的可行性。

4 一些思考

筆者在 2017年首次指導一組學生參加全國大學生電子設計競賽，獲得了省一等獎一項、國家二等獎一項、優(yōu)秀指導教師獎一項，初步驗證了筆者所采用的方法的可行性。雖然筆者以“立足長遠”為目標開展對學生知識、技能的指導、培養(yǎng)工作，但由于剛起步不久，這方面做得還不夠系統(tǒng)。下一步，筆者認為硬件設計上應該將硬件電路的EMC設計考慮在內(nèi)；軟件設計上應該引入“后臺監(jiān)控調(diào)試”技術(shù)及基于模型的“控制代碼自動生成”技術(shù)。“后臺監(jiān)控調(diào)試”技術(shù)，在企業(yè)中的應用較為普遍，應當讓學生所學的技術(shù)與實際應用接軌?；谀Ｐ偷摹翱刂拼a自動生成”技術(shù)，對于軟件編程入門者來講能大大減少代碼編輯量，降低代碼的出錯率，降低實現(xiàn)系統(tǒng)控制的門檻；對于進階者來講，能讓人把精力集中鉆研控制算法的層面，免去了無謂的碼代碼工作[7-10]。此外，筆者認為青年教師應該張揚求取知識的活力，張揚探索世界的好奇心，不斷吸收新的知識、技術(shù)，應用到對學生的指導中。

[1] 歐偉明. 論電子設計競賽推進大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].株洲工學院學報. 2006, 20(04): 138-140.

[2] 朱泓, 李志義, 劉志軍. 高等工程教育改革與卓越工程師培養(yǎng)的探索與實踐[J]. 高等工程教育研究. 2013(06):68-71.

[3] 蘇楊茜. 以競賽為驅(qū)動的應用型本科高校計算機人才培養(yǎng)模式探究[J]. 軟件, 2016, 37(8): 125-128.

[4] 孫時進, 編著. 心理學概論[M]. 華東師范大學出版社,2010.

[5] 尹華杰, 譯. 應用電磁學基礎(第四版)[M]. 人民郵電出版社, 2007.

[6] 汪洋, 郭麗麗, 樊麗萍. 一種基于Matlab的DSP開發(fā)思路的研究[J]. 控制工程, 2006, 13(增刊): 123-126.

[7] 章曉春, 金平, 孫全艷. SCADE平臺下的圖形化設計和代碼自動生成[J]. 軟件, 2011, 32(5): 74-77.

[8] 徐捷, 丁學明. 基于Matlab與STM32的電機控制代碼自動生成[J]. 電子科技, 2017, 30(4): 148-151.

[9] 王巧明, 李中健, 姜達郁. Matlab平臺DSP自動代碼生成技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2012, 35(14): 11-14.

[10] 李強, 王民鋼, 楊堯. 快速原型中Simulink模型的代碼自動生成[J]. 研究與設計, 2009, 32(2): 28-31.