電子系統(tǒng)設(shè)計實踐范例教學(xué)模式探索

許志猛 李娟 陳良琴

[摘 要] 文章利用范例教學(xué)法，對電子系統(tǒng)設(shè)計實踐的課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)方法改革進(jìn)行探討。基于開源的開發(fā)平臺，與時俱進(jìn)地設(shè)計出智能電子系統(tǒng)的范例;在教學(xué)方法上，以提供的范例為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生獨立完成不同功能智能電子系統(tǒng)的設(shè)計，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。

[關(guān)鍵詞] 范例教學(xué);開源平臺;電子系統(tǒng)設(shè)計實踐

[基金項目] 福州大學(xué)第十批高等教育教學(xué)改革工程項目“基于范例教學(xué)法的《電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐》實踐教學(xué)改革研究”（2017-67）;福州大學(xué)一流本科教育教改項目《電路類專業(yè)課混合式教學(xué)模式改革與實踐》（FDJG20190028）

[作者簡介] 許志猛（1980—），男，博士，副教授，研究方向為無線智能感知與傳輸技術(shù)。

[中圖分類號] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0194-02? ? [收稿日期] 2019-11-04

一、引言

加強(qiáng)電子系統(tǒng)設(shè)計課程實踐的教學(xué)，不僅是電子類專業(yè)培養(yǎng)的需求，同時也是適應(yīng)社會需求、落實教育部提高高等教育質(zhì)量要求，探索以提高實踐能力為重點的人才培養(yǎng)模式的必然舉措[1]。

與電路等基礎(chǔ)課不同的是，學(xué)生在修習(xí)電子系統(tǒng)設(shè)計實踐課程時，迫切希望能在實踐中設(shè)計的系統(tǒng)與生活中常見的電子產(chǎn)品相聯(lián)系。近些年來，各種基于物聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)的智能電子產(chǎn)品層出不窮[2]，而我校原有的電子系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容已顯陳舊，與快速更新?lián)Q代的電子產(chǎn)品脫節(jié)，無法調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。為此，本文探討了利用范例教學(xué)模式，結(jié)合當(dāng)前流行的開源平臺，進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)內(nèi)容及改革的方法。

二、課程教學(xué)現(xiàn)狀

筆者自2005年起參與我校電子系統(tǒng)設(shè)計實踐教學(xué)工作。該課程早期的教學(xué)模式是參考全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的方式，以歷年的競賽題目作為實踐內(nèi)容。近些年來，隨著電子設(shè)計競賽賽題難度的增加以及對元器件、材料和測試環(huán)境要求的不斷提高，以賽題為實踐內(nèi)容已經(jīng)很難繼續(xù)推行下去。因此，課程設(shè)計了一些實踐課題供學(xué)生選擇。以2010級教學(xué)計劃為例，提供的選題包括：①多路智力搶答器;②數(shù)字電壓表;③循環(huán)彩燈控制系統(tǒng)設(shè)計;④紅外遙控收發(fā)系統(tǒng);⑤數(shù)字鐘的設(shè)計等?？紤]到電子系統(tǒng)設(shè)計實踐覆蓋的教學(xué)內(nèi)容較多，為了保證學(xué)生可以在規(guī)定學(xué)時內(nèi)完成軟硬件設(shè)計和制作，在實踐題目的設(shè)置上，存在著許多問題。如果題目深度和廣度大一點，大部分學(xué)生很難完成實踐內(nèi)容。因此，從上述選題可以看出，課程提供的許多題目功能單一，并且內(nèi)容和單片機(jī)、電路等課程設(shè)計有部分重復(fù)，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)興趣不高，也無法從課程中學(xué)到足夠的新知識。因此，近幾年來，我們通過開放學(xué)生自擬實踐題目的方法，嘗試調(diào)動學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)積極性。但是，由于學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的限制，僅有一小部分學(xué)生可以提出比較好的課題，大部分學(xué)生自擬的課題不是過于簡單，就是直接從網(wǎng)絡(luò)上找到的課程設(shè)計，無法滿足課程教學(xué)的要求。

通過分析，我們意識到學(xué)生對課程提供的相對陳舊的實踐題目興趣不大，但是讓他們以生活中常見電子產(chǎn)品為原型來自擬課程實踐題目，又普遍覺得難度太高，無法完成。因此，有必要對電子系統(tǒng)設(shè)計實踐的課程內(nèi)容和教學(xué)模式進(jìn)行改革，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力和創(chuàng)新能力。

三、課程教學(xué)改革

針對以上情況，我們首先結(jié)合范例教學(xué)法更新了新的實踐題目。新的題目設(shè)置中綜合考慮可操作性、趣味性和與應(yīng)用銜接等特色，盡量滿足不同學(xué)習(xí)程度的學(xué)生的需求，激發(fā)學(xué)生參與實踐的熱情。我們設(shè)置了三大類實踐題目：第一類是相對比較簡單的控制系統(tǒng)課題，此類課題的范例基于Arduino開源平臺[3]進(jìn)行開發(fā);第二類是具有聯(lián)網(wǎng)功能物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)課題，此類課題的范例基于ESP8266芯片的Node MCU[4]進(jìn)行開發(fā)并采用了免費的機(jī)智云云平臺實現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)控制;第三類是具有較高計算能力要求的圖像、音頻和視頻處理系統(tǒng)課題，此類課題的范例基于開源硬件平臺樹莓派[5]進(jìn)行開發(fā)，采用OpenCV[6]和百度語音識別等開源軟件資源實現(xiàn)了圖像和語音識別等功能。由于上述三類課題中涉及的知識內(nèi)容非常多，無法在有限的學(xué)時內(nèi)對涉及的每一個知識點進(jìn)行詳細(xì)講解，根據(jù)范例教學(xué)法，我們選用的上述三類課題采用的都是當(dāng)前比較流行的開源平臺。學(xué)生可以從GitHub等許多共享網(wǎng)絡(luò)平臺上找到很多的開發(fā)案例。因此，我們在設(shè)計范例教學(xué)內(nèi)容時，努力使教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)本質(zhì)的、典型的知識和規(guī)律，以便在教學(xué)中能起到舉一反三的作用。

另一方面，在教學(xué)方法上，根據(jù)范例教學(xué)法，我們在實踐教學(xué)中不是簡單再現(xiàn)和傳授知識、技巧，而是啟發(fā)、引導(dǎo)、輔助學(xué)生主動積極地通過思考進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，為了充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，我們在范例設(shè)計中，僅給出了最基礎(chǔ)功能的實現(xiàn)方案，要求學(xué)生根據(jù)我們提供的案例，通過增加附加的軟硬件，自擬一個具有完整功能的電子系統(tǒng)方案，并自行完成相關(guān)軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)。

四、課程教學(xué)改革成效

經(jīng)過兩年的教學(xué)改革探索，我們發(fā)現(xiàn)，通過精心設(shè)計的教學(xué)范例和改進(jìn)的范例教學(xué)法，學(xué)生可以將學(xué)習(xí)內(nèi)容和實際生活中的電子產(chǎn)品聯(lián)系起來，保持了較高的學(xué)習(xí)興趣，同時，在完成自擬題目的設(shè)計和制作過程中，學(xué)生需要根據(jù)自己的知識儲備補(bǔ)充相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)主動性得到了充分發(fā)揮。具體總結(jié)如下：

1.由于范例采用了開源平臺，學(xué)生普遍反映可以節(jié)約在制作基礎(chǔ)硬件平臺上的時間，從而可以集中精力在電子系統(tǒng)的功能設(shè)計上進(jìn)行思考和拓展。教改實施之前學(xué)生普遍采用自己焊接的MCS-51單片機(jī)作為開發(fā)平臺，考慮到單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試和制作屬于《單片機(jī)課程設(shè)計》這門實踐課的教學(xué)內(nèi)容，本課程再讓學(xué)生在此方面花費太多時間和精力不太適合。教改實施后，采用的開源硬件平臺具有網(wǎng)絡(luò)連接等功能，擴(kuò)展性強(qiáng)，同時也克服了自制單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、調(diào)試時間長等缺陷，可以更好地讓學(xué)生專注于系統(tǒng)設(shè)計方面的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生自擬的課題功能多樣性顯著提升。

2.課程提供的范例和實際生活中的電子產(chǎn)品具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，同時結(jié)合了最新的一些電子產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，作為開發(fā)原型功能擴(kuò)展性較強(qiáng)。這極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，提供的物聯(lián)網(wǎng)控制范例為一個可以在手機(jī)端遠(yuǎn)程識別環(huán)境亮度并控制LED亮度的系統(tǒng)，經(jīng)過簡單修改和擴(kuò)展，可以構(gòu)成一系列的智能家居遠(yuǎn)程控制產(chǎn)品，而提供的語音識別范例，也可以擴(kuò)展成當(dāng)前比較流行的語音控制和智能語音產(chǎn)品，如智能音箱等。學(xué)生對自己可以完成一件智能家居產(chǎn)品的設(shè)計和制作抱有極大的興趣，學(xué)習(xí)的積極性和主動性得到了顯著提升。

3.由于電子系統(tǒng)設(shè)計實踐的課程教學(xué)內(nèi)容可以很方便地和各類學(xué)生實踐創(chuàng)新項目和競賽結(jié)合在一起。因此，教改實施后，學(xué)生可以直接將實踐內(nèi)容修改后參與各類競賽和創(chuàng)新項目，有助于多層次的實踐教學(xué)體系的建立。例如，2018年選修本課程的學(xué)生在完成“基于手勢識別的智能家居控制器”的課程設(shè)計后，經(jīng)過完善和補(bǔ)充，獲得了2019年第九屆“銳智杯”福建省大學(xué)生智能設(shè)計大賽二等獎。該課題就是從課程提供的第三類范例，基于樹莓派的圖像識別系統(tǒng)中通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)開發(fā)出來的。

五、結(jié)束語

本文探討了電子系統(tǒng)設(shè)計實踐中范例教學(xué)法的應(yīng)用，通過基于開源平臺精心設(shè)計的教學(xué)范例，以及能夠啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生主動積極地通過思考進(jìn)行學(xué)習(xí)的范例教學(xué)方法，實現(xiàn)了教學(xué)效果的提升，并增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)以致用的實踐能力與創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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