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关键词:电子设计;竞赛;实验箱
引言
实验实践教学是高等教育的一个重要环节,包括各种形式,例如课程实验、学生课外科技活动、和毕业设计等,实验实践教学离不开各种实验装置,对实践教学起了很大的作用,学生的实践能力得到了很好的培养。目前在各高等院校电类专业,每2年1次的全国大学生电子设计竞赛蓬勃开展,参赛人数日益提高,2011年参赛人数达1万多人,参赛水平不断提高,学生的专业技术能力得到社会各界认可,同时促进了高校的电类课程教学改革。实验箱的采用,对实践教学有事半功倍的效果,但目前电子竞赛没有专用的实验箱,学生在竞赛培训中,很多学生电路五花八门、布线杂乱无章,培训层次、效率较低,不利于学生在竞赛中去的好成绩。
鉴于这种情况,我们设计开发了一种多功能便携式、并较好体现设计性和综合性思想的电子竞赛实验箱。
1 实验箱设计目标
实验箱的总体设计目标如下:
一是实验箱必须是便携式的,参加电子竞赛往往要求学生在课余时间、在寝室等场合自主完成实验,这就要求实验箱便于学生携带。
二是实验箱必须是多功能,能把实验室浓缩在一个实验箱里,便于学生能基本依托实验箱完成各种基本实验,不须借助其他仪器和工具设备等。
2 实验箱功能组成
根据以上的设计目标和思路,实验箱采用工业标准铝合金仪器箱,体积不大于40×30×15cm(长×宽×高),可放入一般学生的背包里,便于学生携带,可谓是背包里的电子实验室。
实验箱集成多种功能,内部分2层,上层包括仪器区、单片机区、电路模块区和通用板区,下层包括工具区、元件区和万用表。
上层是整个实验箱的核心,以一块环氧板作为底板,并且用铰链安装在箱体上,便于上下翻盖,主要包括以下区域:
2.1 仪器区
学生在做电路实验,必须用到各种电子仪器。仪器区集成了多路直流稳压电源、简易函数信号发生器和数字示波器等仪器。
多路直流稳压电源可输出±1.25~15V可调直流电压和+5固定电压共3路电压,结构和实验室常用直流稳压电压完全一样,但输出功率略小(30W),在电子设计竞赛中,大部分电路功率够用。
简易函数信号发生器输出频率范围2Hz~200KHz,输出幅度0~8V;输出波形有正弦波、三角波和方波,可以满足大部分中、低频实验的要求。
多路直流稳压电源和简易函数信号发生器共用一个显示屏,可显示电源电压值、信号的频率、幅度等参数,便于学生调节观察。
数字示波器采用高速AD和STM32单片机,单踪显示,采样率50MHz,模拟带宽5MHz,灵敏度20mv/div;显示采用3 、分辨率600×320显示屏,一般的场合足够用。
2.2 单片机区
单片机区集成2种单片机,8051单片机和STM32单片机,8051作为目前高校教学主流的单片机,是学生入门必须的,同时该板通过插接其他高性能单片机,例如STC12C5A60S2、ATmega16(通过转接板),可用于高速、精密控制等要求高的场合。
学生学习8051入门以后,可学习STM32单片机,功能强大,可用于竞赛。以上单片机包括其他功能:键盘、A/D转换、D/A转换、LCD液晶显示和通信下载口功能等。
2.3 电路模块区
电路模块区是该实验箱的一大亮点。包括常用模拟电路和数字电路类,实验箱把常用的各种电路做成标准接口模块,可快速验证电路功能。模拟电路类包含以下各种电路模块:放大器、滤波器、比较器、信号变换和信号振荡等,每种电路模块又由几种常用电路组成。放大器模块包括常用的几种放大器形式,例如同相比例放大器、反相比例放大器、仪表放大器和可编程放大器等。滤波器模块包括常用的几种有源滤波器形式,例如低通、高通、带通和数字低通滤波器MAX297。比较器模块包括常用的几种比较器形式,例如同相比较器、反相比较器等。信号变换模块包括常用的信号转换电路,例如交直流(AC/DC)转换电路、频率电压(F/V)转换电路、电压频率(V/F)转换电路等。信号振荡模块包括常用的信号产生电路,例如NE555时基振荡器、正弦波发生器和DDS信号发生器等。数字电路类功能和组成比较简单,包括反相器、与非门、异或门、D触发器、单稳态触发器等,用于简单数字功能的实现。学生根据实验任务和要求,选择实验箱上相应模块,例如放大、滤波等用,导线连接各模块;然后根据电路指标选择合适参数元件,并安插到各模块上,再通过调试,可快速验证电路功能,避免了学生常规电子实验方法-采用通用板,效率低且容易出错的弊端。
2.4 通用板区
电路模块区并不能覆盖所有电路,需要制作其他电路,就要用到通用板来完成。
通用板的工作电源由仪器区的直流稳压电源提供,同时简易函数信号发生器和数字示波器可对通用板电路进行性能指标的测试,通用板的输出信号可到单片机区进行进一步处理、计算和显示。
2.5 实验箱下层
实验箱的下层(实验箱底部)是工具区、元件区和万用表,工具区安放常用焊接工具:电烙铁、尖嘴钳、斜口钳、剪刀、镊子和螺丝刀等,元件区安放常用元件:电阻、电容、三极管、集成电路、接插件和导线焊锡等。
3 实验箱的拓展
实验箱用途除了用于学生电子设计竞赛培训、比赛以外,还可用于学生课程设计、课外科技活动、毕业设计、教师科研开发和新产品开发等各种领域,用途及其广泛。
以2007年全国大学生电子设计竞赛本科组D题“程控滤波器”为例,电路由放大、滤波和单片机处理(键盘设定等)几部分组成,见图1所示:
构成程控滤波器的电路均可在实验箱上找到对应模块。
此外该实验箱也可用于教师科研开发和新产品开发上。以开发超声波测距仪为例,电路由发射、接收和单片机处理(距离计算、显示等)几部分组成,见图2所示:
以上两个例子,电路均可在实验箱上找到相应电路模块,并通过连线、选择元器件等步骤,快速完成系统构建。实验箱涵盖了很多电路,通过排列组合可以构建复杂的电子系统,锻炼学生创新思维能力。
4 结束语
实验箱包括各种电路模块,集成了常用的电子仪器,根据任务和要求,通过不同电路模块的有机组合,可实现不同的复杂电子系统功能,体现了综合性实验的思想。
实验箱可用于大学各种电子技术类课程实验、学生电子设计竞赛培训,学生课外科技活动、学生毕业设计、教师科研开发和新产品开发等各种领域,用途及其广泛。
关键词:电子设计竞赛;单片机;实践教学改革
中图分类号:G712 文献标识码:A 文章编号:1672-5727(2013)12-0158-03
电子竞赛是国家教育部发起的全国普通高校四大大学生群众性科技竞赛活动之一,具有非常广泛的影响力和号召力。大学生电子竞赛不仅全面推动了创新型人才的培养,而且促进了全国普通高校电子类专业教育教学内容的改革和课外实践教学改革。从2005年参加电子竞赛以来,我校大力鼓励和支持学生积极参与全国性和地方性的比赛,尽管取得了一定的成绩,但仍反映出一些问题,最明显的是理论教学与实践环节脱节问题。
我校电子类理论教学和实践教学现状
在参加大学生电子设计竞赛中,参赛学生暴露了高校在电子类专业教育中的存在的共性问题。如专业基础知识不够扎实;系统综合运用开发能力不强;硬件偏弱而软件编程能力较强;实践动手设计电路能力不足;新技术新器件应用能力不高等,这就对传统电子理论教学内容和方法提出了挑战。同时,也反映了在实践教学方面的两个问题:一是设计性综合性实验偏少,在所开设的电子类实验课程中,基本都是课程相对独立,缺乏课程与课程之间的紧密联系。我校应少开一些单科性实验,多开一些综合性实验,使设计性综合性实验比例占实验总数的20%。在选择设计性综合性实验项目的同时,应多开设与工程实际问题相结合的实验内容,这有利于增强学生专业学习应用能力的提高。二是在完成验证性实验的过程中,现有的实践教学模式内容单一、枯燥,学生在有限的90分钟里仅能完成实验规定的内容,无法充分体现学生作为教学主体的作用, 使学生无法思考理论教学与实践教学的脱节,导致学生缺乏独立思考的能力,抑制了学生动手能力的提高,违背了学生创新能力的培养。我们应该增加综合性、设计性、创新型实验,且实验内容应及时更新,使得实验项目与市场需求紧密接轨。这就要求教师积极参与各项教学改革和科研项目,不断积累经验,不断将新内容、新技术、新方法充实于电子理论和实践教学中。
提高电子类实践课程的教学质量,
在教学中探索理论与实践的完美结合点
造成电子类专业理论与实践教学脱节现状的重要原因就是在教学中没有引入实际项目教学,在实践中忽视了理论的指导。几年来,我校对学生的培养定位为应用型人才,专业团队申请了福建省教育厅“卓越工程师”项目,采取与企业联合办学的模式,培养企业真正需要的实践型、应用型、创新型人才。我校对电子专业培养方案采取一年一小修订,两年一大修订的原则,对专业方向课程进行全面讨论、审核、修改,加强新课程、新内容、新方法、新技术、新器件与实践教学环节,同时以专业方向课程为体系,以培养学生能力和提高全面素质为目的,对所有课程的教学大纲进行审核、修改。另外,根据培养目标对教学内容的要求,在选用专业课程教材方面,优先选用高等教育出版社、电子工业出版社等高质量、权威且实用的教材,力求教学内容与电子发展方向紧密联系。
加强理论与实践的完美结合。第一,教师应充分利用大学生电子竞赛为契机加强理论联系实际,积极开展产学研科研项目,将项目中的新技术、新电路应用于教学,拓展学生的知识面。第二,加强设计性与综合性实验的比重,严格要求独立完成实验项目,强调对实验数据分析、总结能力的培养,积极引导学生在“课程设计”、“学年设计”等综合实践环节中大胆采用新方法、新器件设计,突出表现创新、实用能力,力争在教学中探索理论和实践的完美结合。
加强实践教学环节的软硬件建设
首先,在实践课程教学过程中,组织教师听课、评课、研讨,协助教师制定实践课程教学计划,定期召开各班“教”与“学”专题班务会、座谈会,及时掌握学生学习动态、交流学习心得,听取学生对实践课程教学工作的意见和建议,对于学生的评教快速响应并及时通报,各任课教师及时落实整改,努力提高实践教学质量。其次,建立电子创新实验室。为了培养学生的创新设计能力,为学生提供一个良好的学习与研究环境,展现新思维、新设计的舞台,在学院和物理系领导的支持、关心下,我系建立了电子创新实验室。实验室的设备配置均在完善中。创新实验室面向提高班学生、课外活动骨干、参加电子设计竞赛学生等优秀本科生开放。再次,我院开展了形式多样的第二课堂活动。为了配合各类竞赛的开展,学院还每年举办电脑节、科技文化周、创新大赛、院级电子设计竞赛等,积极组织学生参与省部级和国家级的各类科技竞赛,加强与兄弟院校的学习交流,培养学生的团队精神和沟通协作能力。
单片机实践教学改革实例
在《单片机应用技术》课程教学中讲授外部总线串行扩展章节时,很容易出现以下问题:介绍知识过多,学生感觉学习内容枯燥;各部分内容相对独立,缺乏整体概念;应用技术介绍较少,学生应用能力培养不足;软件编程介绍过多,硬件设计强调不够,这就使得学生碰到实际问题时,缺乏构建硬件系统的思路和能力。
在不改变教学内容的情况下,可以尝试在课堂教学中引入大学生电子竞赛题目,让学生强化实践,培养实际操作能力。下面以“LED点阵电子显示屏制作”(2010年福建省电子竞赛作品)项目为例,阐述如何完成从课堂教学到电子设计实践的顺利转型。
LED点阵电子显示屏实现了LED大屏幕显示系统,以STC89C52单片机为核心,由键盘控制、显示、温度采集、LED大屏幕显示等功能模块组成。基于任务要求,本系统对汉字词组显示和大屏幕显示进行了重点设计。此外,扩展了单片机接口、温度采集、滚动屏幕显示、旋转屏不变,掉电保护等功能。
竞赛选题之初,参赛学生没有学过LED电子屏的设计,面对这些性能指标茫然无措。指导教师则根据系统设计的要求和设计思路,首先确定该系统的设计框图(见图1),该系统主要由STC89C52控制器、角度传感器电路、温度传感器电路、掉电保护存储芯片、矩阵键盘控制电路、24×24 LED显示模块等组成。
根据系统框图对角度传感器及掉电保护存储芯片进行选型。这时,可以联系本书当前讲授内容I2C总线。在掉电保护存储芯片的选择上采用AT24C04;在角度传感器方面采用TILT-03-I2C-90双轴倾角传感器,重要原因是这两款芯片都具有I2C总线,即使没有使用过这两款芯片,只要严格遵守总线的时序要求和通信协议,一样可以快速实现芯片的数据存储和角度测量功能。然后,根据系统方案的要求及芯片的选择,设计掉电显示和角度测量的流程图,并利用Proteus 7.8完成电路软件级仿真(见图2),最终实现电路硬件级设计。本系统具备屏幕旋转汉字显示、AT24C04实现掉电保护、DS18B20温度采集显示等性能,其调试与测试过程如图3、4、5所示。本作品获得了福建省大学生电子竞赛一等奖。
通过以上理论联系实践的教学改革,使学生明白了即使竞赛之前没有设计过LED点阵,但是对于比赛采用的单片机理论包括单总线、I2C总线,以及74HC595串入并出芯片,74LS138译码器,4×4矩阵键盘等都是平时实验必备的基础。这些内容都是《单片机应用技术》实验教学大纲必做的项目,如LED动态扫描显示实验、4×4矩阵键盘输入实验、AT24C04数据读写实验、基于51单片机的DS18B20数字温度计的设计等。我校教师在日常实践教学中严格要求学生掌握单片机的基本性能、如何配置SFR实现单片机第二功能,以及时序图、单总线、I2C串行总线、SPI串行总线、Microwire总线等,同时要求学生了解单片机整体系统开发思想,举一反三,触类旁通,使学生在枯燥的基础学习中体会到理论与实践的完美结合。
综上所述,电子设计竞赛是一项理论竞赛与实验竞赛相统一的活动,有助于学生培养工程实践素质,提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力。它既强调理论设计,又强调系统实现;既考核学生综合运用基础知识的能力,又注重考察学生的创新意识。这与高校培养人才的初衷不谋而合,从而成为推动我校理论教学和实践教学改革的最大动力。始终注重在理论教学中通过虚拟电子仿真实验室来将项目教学法引入课堂,使电子专业理论学习更加生动活泼,而在实践中各个环节都需找到相应的理论支撑。这是对传统教学方法的挑战,改革传统教学方法,加强对电子类课程实践教学质量的监控建设,才能培养出务实、创新的高素质应用型人才。
参考文献:
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方案设计与论证
1.电源提供方案
为使模块稳定工作,须有可靠电源。我们考虑了两种电源方案:
方案一:采用独立的稳压电源。此方案的优点是稳定可靠,且有各种成熟电路可供选用;缺点是各模块都采用独立电源,会使系统复杂,且可能影响电路电平。
方案二:采用单片机控制模块提供电源。该方案的优点是系统简明扼要,节约成本;缺点是输出功率不高。
综上所述,我们选择第二种方案。
2.显示界面方案
该系统要求完成倒计时、信息提示等功能。基于上述原因,我们考虑了三种方案:
方案一:完全采用LCD显示。这种方案只显示有限的符号和数码字苻,无法胜任题目要求。
方案二:完全采用点阵式LCD显示。这种方案实现复杂,且须完成大量的软件工作;但功能强大,可方便地显示各种英文字符、汉字、图形等。
方案三:采用LED与点阵LCD相结合的方法。因为设计既要求倒计时数字输出,又要求有汉字信息提示及图形输出等,为方便观看并考虑到现实情况,用LED与LCD分别显示时间与提示信息。这种方案既满足系统功能要求,又减少了系统实现的复杂度。
权衡利弊,第三种方案可互补一、二方案的优缺点,我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。
3.输入方案
题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理,我们讨论两种方案:
方案一:采用8155扩展I/O口及键盘、显示等。该方案的优点是:使用灵活可编程,并且有RAM及计数器。若用该方案,可提供较多I/O口,但操作起来稍显复杂。
方案二: 采用ZLG7289来控制键盘及数码管显示。由于7289是串行控制方式,有专用的命令字,控制起来简单,且占用较少口线。
由于该系统对于交通灯及LCD的控制,只用单片机本身的I/O口就可实现,且本身的计数器及RAM已经够用,故选择方案二。
4.交通灯演示方案
采用在面板上焊接三色发光二极管模拟交通红绿灯,以发光二极管拼出小人状(并闪烁)/箭头状作为人行提示/左右转提示,简单明了。
系统设计
1.总体设计
⑴系统总框图如图1所示。其中,键盘控制电路采用2×8键盘,由单片机外接ZLG7289控制;单片机最小系统为系统的主控制器,用以控制其他模块协调工作;LCD显示模块用以显示提示信息,如天气、路况等,接口电路简单,由单片机控制;LED显示(倒计时)模块由单片机外接ZLG7289控制,经排线与交通灯演示模块相连,用以显示交通灯倒计时时间;控制接口电路用于连接单片机系统与交通灯演示模块,该电路含74lS139(二四译码器)、74lS373(数据锁存器),可使交通灯正常工作 ;交通灯演示模块用于演示系统的工作情况,该模块主要由发光二极管构成 ;语音提示模块采用现成的2532-120单段录放板(可录音及重复播放),用以完成语音提示。
(2)交通灯各状态说明。交通灯在通常工作条件中有五种状态:绿灯+人行道(S1) ;绿灯+右转(S2) ;黄灯(S3) ; 红灯+左转(S4) ;红灯(S5)五种状态。
状态说明:(S1)绿灯+人行道:车辆前行,行人可通过人行道;(S2)绿灯+右转:车辆可向前、向右行驶;(S3)黄灯:过渡状态;(S4)红灯+左转:车辆向左行驶,但不能前行;(S5)红灯:禁止通行与转弯(注:红黄绿等均为前行方向的信号指示灯,济南较大路口均为此种设计,只是左转、人行无红灯指示),图2为状态图。表1为真值表(注:R、G、Y、L、Rt、M分别表示红灯、绿灯、黄灯、左转、右转、人行道灯)。
本系统还设计了应急情况处理;在紧急情况下,设置交通灯状态。全红为东南西北所有方向禁止通行;南北红、东西绿为南北方向禁行,东西方向通行;东西红、南北绿为东西方向禁行,南北方向通行。
2.各模块设计
(1)单片机及键盘控制模块 单片机采用89C52。对交通灯的控制主要用其中的计数器定时来完成。一方面要完成对各模块的控制,另一方面也要协调好各模块的时序及口线冲突问题。
键盘采用7289串行控制。包括数字键0~9、时间设置键、回车键、紧急情况控制键、模式转换键、手动控制键及恢复键,时间设置可分别设计各方向的通行时间,其设置的时间应符合以下公式:
Tr1=Tg2+Ty2+Tl2+Tl1
Tg1=Tm1+Trt1
Tr2=Tg1+Ty1+Tl1+Tl2
Tg2=Tm2+Trt2
模式转换功能为根据交通状况切换到预先设定好的通行时间模式,或切换回原来模式。手动控制为手动控制各个方向的通行时间,具有灵活的特性。恢复键是从紧急状态或手动控制状态返回正常状态。
(2)LCD和LED显示模块 LED用来实现倒计时功能,可直接从7289的接口上接过来,其控制较为简单。
LCD用来显示提示信息及在时间设置时的提示功能,其电路如图3所示。
(3)交通灯演示模块交通灯用发光二极管代替,因为P2口过一段时间后其值会发生变化,故采用P2口加锁存器和P3口一起来控制。其电路图如图4。
软件系统
流程图如图5所示。在本刊的网站上()给出了源程序,供读者参考。
根据方案设计的要求,调试过程共分三大部分:硬件调试、软件调试和软硬联调。
1.硬件调试
⑴交通灯演示电路的调试 交通灯模块由多个发光二极管组成,接线繁琐,极易出错。检查二极管无故障、导线无断线、连线接头无互相搭联后可先写一个软件调试程序,依次检查东南西北方向的指示灯(发光二极管)是否点亮;若未点亮,则可能是连线接错。根据灯的亮灭情况依次查找直到电路正常工作为止。
⑵倒计时电路调试倒计时电路主要由数码管组成。当交通灯程序写好后,倒计时的显示可与最小系统板上两组数码管显示比较(系统板上的这两组数码管用以检查倒计时工作情况)。
⑶语音提示电路的调试本系统采用现成的语音板。语音板上电后若不能工作,可将录音板首先复位,然后录音,再重放。依上操作,直到语音板正常工作。
⑷其它电路的调试 主要看接口以及连线是否正确。
2.软件调试
本系统的软件系统很大,全部采用汇编语言编写,除语法与逻辑差错外,当确认程序没问题时,直接下载到单片机仿真调试。采取自下到上的方法,单独调好每一个模块,最后完成一个完整的系统调试。
3.软硬联调
系统做好后,进行系统的完整调试。
(1)初始化后,两个方向通行时间完全相等。Tr1=Tr2=19s,Tg1=Tg2=12s,Ty1=Ty2=2s,Tl1=Tl2=5s,Trt1=Trt2=4s,Tm1=Tm2=8s,各灯运行及倒计时情况良好。
(2)按模式转换键后,按预先装入的模式2进行工作,完成后,会按重新设置的时间进行。
(3)按设置键后,进行时间设置
(4)按紧急预案键后,先出现全红状态,再按一下该键,又出现一方通行状态,再按,则另一方通行。如此循环。
一、对“全国大学生电子设计竞赛”的认知
全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生学科竞赛之一,是面向大学生的群众性科技活动,目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革。全国大学生电子设计竞赛的特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合,以推动其课程教学、教学改革和实验室建设工作。竞赛的特色是与理论联系实际学风建设紧密结合,竞赛内容既有理论设计,又有实际制作,以全面检验和加强参赛学生的理论基础和实践创新能力。竞赛的组织运行模式为:“政府主办、专家主导、学生主体、社会参与”十六字方针,以充分调动各方面的参与积极性。
二、高职院校学生参加全国大学生电子设计竞赛的意义
1、电子设计竞赛培养高职学生的创新意识。电子设计竞赛为学生实践动手能力的培养搭建了一个平台,利用这个平台学生能理论联系实际,电子竞赛培养了学生的创新能力、协作精神、动手能力并使学生得到了工程训练,提高学生针对实际问题进行设计、制作的能力,激发了学生学习专业课程的兴趣和积极性。
2、电子设计竞赛推动实践教学体系改革和实验室建设。电子设计竞赛与高等学校相关专业的课程体系和课程内容密切相关,组织电子设计竞赛可以推动高职院校电子类专业课程体系的构建、教学内容的更新、教育教学改革和专业实验室建设。竞赛的教学采用开放式实验教学模式,既有时间开放,又有内容开放,有助于学生学习的灵活性和主动性的提高,有助于学生创新能力的培养和增强。
3、电子设计竞赛提高老师的业务能力。电子设计竞赛培养学生的同时,教师也受益匪浅。由于竞赛命题范围广,涉及多门课程,既有硬件又有软件,并鼓励新技术的应用,所以要求指导教师要有更宽的知识面和更丰富的实践经验。为此,老师必须相互学习,共同提高,并要求老师自觉地涉及新知识、新技术。知识和经验的相互渗透和补充使得指导教师的业务素质提高很快,这无疑使教师能够在日常的教学和科研中发挥更重要的作用。
凡参加过电子设计竞赛的毕业生都普遍受到社会的广泛欢迎和用人单位的青睐,尤其是那些参赛获奖的同学更是得到企业的高薪聘用。因为他们是在当前建设创新型国家的背景下,最具有活力、最具有朝气、最富有发散思维、最具有发明创造力和发展潜力的主力军。
三、电子设计大赛在激发高职院校学生学习兴趣中的作用
爱因斯坦有句至理名言:“兴趣是最好的老师”,古人亦云:“知之者不如好之者,好之者不如乐之者”。兴趣是学习的原动力、是学习的催化剂,它对学生的学习有着神奇的内驱动作用,能变无效为有效,化低效为高效。
1、电子设计竞赛就是一种竞技,竞技本身就充满期待,带给人快乐。参加竞赛的学生从选题(或自拟)、教师指导、完成作品,学生自己感觉到每一点进步,都会觉得离胜利更近一步,每一天的努力都是积攒力量,都是为最后决战做着准备,整个过程都充满着艰辛付出后所收获的那份快乐。另外,电子设计竞赛快乐还来自于一种共同战斗的友谊。学生之间,老师之间,师生之间,相互协作、相互鼓励、相互帮助,都在为最后胜利而努力。
2、电子设计竞赛让学生积极期望。积极期望就是从改善学习者自身心理状态入手,对自己喜欢的专业充满信心,自己对本专业产生信心,想象中的兴趣会推动学生认真学习本专业知识和技能,从而导致对本专业真正感兴趣。学生通过参加竞赛,期望获得名次,为求职添彩。
3、满足电子类专业学生和电子爱好者的心理需要。学生参加电子设计竞赛,创新和设计能力大大提高,大开了眼界,并且与外校参赛选手进行交流,从中获取了宝贵的经验。对于拿了奖的学生,获得名次就是一种肯定,对于没拿奖的学生,更是一种动力。
4、电子设计竞赛是一个循序渐进的过程。对参赛学生实践、设计能力的培训是有组织、有计划进行的,基本有一个培训周期,循序渐进地提高学生的各项能力,逐步激发学生的学习兴趣。
四、通过设计竞赛平台,激发高职院校电子类专业学生兴趣
兴趣是最好的老师,有了兴趣,学生学习起来就会感觉到比较轻松,学习由被动变为主动、由消极对待变为自觉探索,学习效率得到有效提高。全国大学生电子设计竞赛就是一项特别能激发学生学习兴趣的学科竞赛。
1、设立“电子设计创新基地开放日”。高职院校在电子类专业新生入学初和学习过程中,定期开放电子设计创新基地,能够帮助电子类专业大一、大二的学生以及电子爱好者了解电子类学科发展趋势与行业发展方向。开放日活动主要包括基地参观、作品展示和电子设计竞赛介绍等。通过大三电子类专业的学生向学弟学妹们介绍和演示了基地的各项电子类作品,如MP3音乐播放器、收音机、客流量计数器、家用电器GSM控制、GPS卫星定位系统、无线传输模块、自动水位控制、自制示波器等多项作品,使参观的学生对这些作品表现出了浓厚的兴趣。活动不仅加深了低年级同学对专业的认识,同时也展示了本校大学生在电子领域的实践成果,很好地激发了学生参加电子设计竞赛和电子类科研项目的热情。
2、组织和动员电子类专业学生踊跃报名参加竞赛。电子设计竞赛应由学校电子类专业所属教学单位专业教师组成教师指导小组,教学职能部门、电子协会积极加以宣传。学生自愿报名参加,经过公平、公正、激烈地选拔,落实最佳人选。这一活动,无疑吸引了一群想施展自己才华的学生,被选上的学生斗志昂然,显示出一定的综合实力,而对落选的学生是一种动力,学好本专业、提高水平的动力,激发了学生学习专业的兴趣。参加全国大学生电子设计竞赛获得成功的学生的学习经历、参赛经历对低年级学生学习兴趣的激发以及增强他们能力意识等方面有良好的辐射作用。
3、成立电子设计兴趣小组。电子设计竞赛与课外科技活动相结合,以电子设计兴趣小组为依托,探索开展科技创新活动的新模式,为学有余力的电子类专业学生和电子爱好者提供创新设计的舞台,培养和提高学生的创新实践能力,为全国大学生电子设计竞赛活动的开展打下良好的基础。利用电子设计兴趣小组这个平台,大力组织开展一些跟电子设计竞赛有关的选修课、讲座、技能训练等活动。
4、鼓励学生积极加入学校社团组织———电子协会。电子协会是学生的一个社团组织,是电子爱好者交流心得和切磋技艺的平台,是选拔学生参加全国大学生电子设计竞赛的摇篮。组织电子协会成员到街道、社区、企业为广大人民群众进行家电义务维修,将所学到的知识回报社会的同时,学生的理论知识得以巩固、技能得以提高、经验不断丰富积累,尽情享受学以致用的乐趣,使爱好和兴趣不断加深。
5、高职院校教师应注重提高自身实践能力。提高实践能力是高职院校教师尤其是青年教师克服自身弱点、提高教学水平、实现自我发展的必然途径。电子类专业教师要积极参与学生电子设计竞赛的带队指导工作,通过组织学生参加全国大学生电子设计竞赛,不仅锻炼了参赛学生的综合能力,而且对指导教师的教学水平和实践能力的提高也有极大的促进作用。高职院校教师只有提高了自身实践能力,具备更高的教学水平、科研能力,学生才能在与其学习中,有一个良好、正确的导向,有实质性的提高与进步,教师的人格魅力才能吸引学生,使学生对本专业产生浓厚的兴趣。
【关键词】电子竞赛 创新人才培养 探索与实践
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2016)31-0240-01
教育部在《高等职业教育创新发展行动计划(2015-2018年)》中,明确提出“将学生的创新意识培养和创新思维养成融入教育教学全过程”,“探索将学生完成的创新实验、、专利获取、自主创业等成果折算为学分,将学生参与课题研究、项目实验等活动认定为课堂学习;为有意愿有潜质的学生制定创新创业能力培养计划”[1] 。近年来,我校树立创新人才培养的指导思想,深入开展高职教育教学改革,打通创新人才培养渠道,在电子信息专业开展了“以电子设计竞赛为抓手,提升高职学生实践创新能力”的教育教学改革[2]-[4],建立了包含项目化课程、研究性课程、学生科技创新社团活动、大学生实践创新立项课题及大学生电子设计竞赛五部分组成的较为完善的学生创新能力培养体系,取得了可喜的实绩与显著的成效。
一、项目化课程
电子竞赛课题具有很强的综合性和实用性,其包含的知识点涉及到电子信息专业的所有课程。竞赛要求学生具有熟悉应用各种器件,能够采用各种软硬件技术综合设计,具备文献资料查阅能力、分析解决问题能力、报告梳理写作能力以及团结协作精神和创新意识等综合素质和能力。因此,我们以电子设计竞赛为抓手,开展了基于“项目引领、任务驱动、过程导向”的项目化课程改革和课程建设,将电子设计竞赛内容提炼内化为课程与教材改革项目,形成了有利于电子信息专业学生创新能力培养的项目化、综合化、设计性、研究性系列课程。通过实施以学生为主体的“项目教学”、“教学做一体化”教学,引导学生主动学习、主动实践、主动思考、分工协作来完成项目任务。推进了学生主动性的实践学习、应用性的技能学习、创新型的研究学习,提升了学生创新能力。
项目课程以电子电路系统或电子产品为载体,将电子设计竞赛内容提炼内化为课程与教材改革项目,如:《电工电路设计与制作》、《模拟电路设计与制作》、《数字电路设计与制作》、《电子工程制图》、《射频装置的制作与调试》、《单片机小系统的制作及应用》、《可编程器件原理与项目训练》、《电子设计与制作》、《电子技术综合应用》等。通过项目课程教学,学生的创新意识得到大大提升。
二、研究性选修课程
开设本学科领域或跨学科领域的具有综合性、开放性、可研究性的课程,系统训练学生掌握从事科研工作从理论到实践的方法。通过几年的实践积累,研究性选修课形成了“简单电路设计应用、处理器应用开发、复杂电子系统设计”三个层次,开发的主要课程有:《实用电子电路设计》、《技术报告和学术论文撰写》、《基于CPLD的数字系统设计》、《基于单片机的系统设计》、《系统综合设计应用》等,有效培养了学生的创新实践能力。
三、学生科技创新社团活动
成立学生电子制作兴趣小组、家电维修小组、电子设计科技创新社团,每个社团制定具体活动计划,学校提供一定的资助资金,且配有实践经验丰富的指导教师辅导,制定辅导计划。低年级学生侧重于电子小制作活动,高年级学生开展家电维修社区服务、参加电子设计科技创新社团。电子设计科技创新社团主要围绕电子设计竞赛要求开设模块化课程,进行从总体设计论证到分模块的软硬件设计制作、调试、撰写报告等一系列电子设计制作训练,保证了学生有理论有实践地在教师指导下完成电子设计制作项目的研究和学习。
四、学生科技创新实践立项课题
一部分动手能力较强、对项目开发有强烈兴趣爱好的学生3~5人组成小组,自主申报院级科技创新课题立项,优秀的课题申报省级大学生实践创新训练计划课题立项,科研骨干参加学校的实验室改造立项课题研究或教师的科研项目。三个层次的立项课题学校均提供一定的资金资助,学生在教师的指导下,利用课余开展科技创新研究。
按照电子信息专业高职学生实践创新能力培养体系开展的一系列实践活动,全面提高了学生的实践创新能力。学生在创新实践课题研究、和电子设计竞赛等方面取得丰硕的成果。
五、校内大学生电子设计竞赛
学校在每年十月举办为期1-2个月的科技创新节,本专业组织开展电子知识竞赛、电子技能竞赛、电子设计竞赛、创新成果展示会和新技术专题讲座等。常规化院级的电子设计竞赛活动为学生提供了较大的施展空间,学生参加的积极性越来越高,参加的人数越来越多,促进了学生实践创新能力的培养。参加省级、国家级的大学生电子设计竞赛,已连续获得五届全国一等奖,极大提高了学生的竞争力。
学校以大学生电子设计竞赛为契机,着眼于培养高素质创新人才,先后投数百万元,高起点规划和组织建设了学校大学生创新能力培养的硬件环境。通过几年的研究实践,课程改革和课程建设均取得了丰硕成果,获得国家教学成果奖一项,省级教学成果奖一项。
电子竞赛推动学生创新能力的培养,提高了学生学习的积极性,学生主动实践、主动研究,动手实践、综合应用能力和创新能力全面提高,促进了人才培养质量和专业内涵建设。毕业生深受用人单位的欢迎,就业质量逐年提高,企业满意率达95%以上,有些学生已成为企业的技术骨干。尤其是在大学生电子设计制作竞赛中的优胜学生,毕业后深受各用人单位的欢迎、好评与肯定。
参考文献:
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[2]刘春风.浅析科技创新活动对大学生创新意识和创新能力的培养. 中国科教创新导刊,2008年29期,97页。
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[4]孙雷,占永宁.电子设计竞赛深化电子信息实验教学改革的探索. 科技信息,2013年4期,19页。
1、影响大学生学习兴趣的因素
通过与学生多方面的沟通交流,调查后得知,独立学院学生中对学习缺乏兴趣的原因主要在于:
1.1课程设置的不合理,实验设施的相对滞后从电子、自动化专业课程设置实际情况来看,一些独立学院课程设置欠合理,课程的设置不能很好的面对社会需求,课程教学大大滞后于企业的要求。许多独立学院近几年也已经开设如硬件描述语言HDL、数字信号处理DSP,嵌入式系统等课程,但是由于配套实验设备的建设并不是十分理想,其理论与实践教学也明显脱节。对于其它专业课程,由于实验条件明显偏差,加大了学习难度,在注重应用能力学习与锻炼的独立学院里,学生的学习兴趣由此受到较大影响。
1.2学生专业基础薄弱独立学院由于生源普遍较差,学生的基础差、底子薄,自学能力较差,专业学习能力跟不上,一定程度上也造成学生学习的困难。学生在克服困难的学习过程中,由于能力的欠缺,随着学习难度的加大,专业学习也就渐渐跟不上;加上大学教育的开放性,大学生的学习几乎完全凭自觉,大学生活本身的丰富多彩,学生注意力转移,更多的时间投入课外活动中,最终也就导致了学习兴趣的丧失。
2、电子设计竞赛简介
全国大学生电子设计竞赛是教育部倡导的大学生四大学科竞赛之一,是面向大学生的群众性科技活动,培养大学生的实践创新意识与基本能力、团队协作的人文精神和理论联系实际的学风。竞赛的特色是与理论联系实际学风建设紧密结合,竞赛内容既有理论设计,又有实际制作,以全面检验和加强参赛学生的理论基础和实践创新能力。
3、电子设计竞赛提高学生学习兴趣
从根本上说,大学生学习兴趣来之于其自身的内在驱动力。这种内在驱动力在很大程度上需要教育工作者的激活以及学生本身的努力。在以素质教育为导向的教育理念中,学业成功与就业成功是摆在大学生面前最现实、最有效的学习动力。
3.1电子设计竞赛提供了展现自我的平台电子设计竞赛培训,给广大学生提供了展现聪明才智和创新能力的平台,吸引许多大学生的踊跃参与,极大地调动了学习积极性,让同学们更加深刻的理解所学的知识,学以致用。同时实验室安排各个实验项目的训练,让学生不断地自主学习,自学能力也随之得到了提高。对于学生来说,电子设计是一个全新的学习过程,在这个过程中学生学习利用所学的知识解决实际问题,同时为了解决出现的新问题为不断学习更多的理论知识,这个过程培养了学生的学习兴趣和实验兴趣,能给他们带来自我成功的喜悦,从而建立稳定长久的学习能力。
3.2循序渐进的竞赛培训,逐步建立自信在电子设计竞赛的赛前培训中,制定详细的培训计划,循序渐进,从单片机知识到单片机最小系统的实际制作,到模拟单元电路的理论学习、焊接与调试,进一步到利用单片机系统完成的语音存储与回放系统,数控直流电源的制作,然后进入FPGA的学习与系统的开发,学生能够看得到自己的学习与制作成果,一步一个脚印,一步步让学生树立起学习的自信心,使他们能够保持持之以恒的努力,不断的培养学生的兴趣。通过实践,学生自己动手做出相关的实际作品,对自己所学知识的认知得到提升,对自己所学专业有了深入了解之后,从而对自己选择的学科充满喜欢与信心,参加电子设计竞赛,让学生眼界大开,在准备竞赛的过程中,学会了与其他高校学生加强学科的交流。
3.3大学生自学能力的提升,学习兴趣的建立在培训过程中,独立学院学生的自学能力总体状况堪忧,很多学生沿袭了中学时代的学习方法,随时等着老师的填鸭式学习。而电子设计竞赛着重于培养学生的自学能力,学生自学能力的提高,可以为专业知识的学习与掌握打下良好的基础,随着自学能力的提高,学生学会利用所学知识去解决实际问题,遇到难题时自己懂得如何去寻求知识的帮助,懂得如何看书,解决问题。学生在非专业素质上也有很大的提升。从刚进实验室到经过十个月的培训,我们看到大家都有很大的变化,他们变得成熟了、自信了、有主见了。有同学在总结中写道:“学校实验室对我的帮助很大,在其中我学会了创新,学会了坚持,学会了分享。从原来一味的模仿,到现在有自己的想法完成项目;从原来遇到小挫折就退缩,到现在再困难也不轻言放弃;从原来的独断专行,到现在和他人沟通、协作以至于达到事半功倍的成效。这些都是我在进实验室之前未曾学到的。”
3.4学业与就业的成功对其他学生学习兴趣影响近年来社会对电子设计竞赛模式的认可,企业对参加电子竞赛学生的能力的认可,使得更多的同学加入到电子设计竞赛培训的队伍中,从以往参加电子设计竞赛的同学(特别是获得奖项的同学)来看,他们的平均就业质量、以及就业后的发展前景明显比没有参加电子设计竞赛的同学要好很多。实验室为整个学院乃至学校营造了一个良好的学习氛围,带动越来越多的同学为梦想奋斗。实验室就像一个良好氛围的“源头”,实验室的每一员就像“媒介”,经过“媒介”的传播,实验室在一定程度上间接地影响了许多实验室以外的同学,曾经浑浑噩噩、迷茫徘徊的同学们纷纷对开始对自己的人生定位。这种学习的氛围正在影响每一个人,最终会影响学校的每一个人,提高整个学校学生的学习兴趣。
摘要:本文从大学生电子设计竞赛的内容和特点进行出发,提出了大学生电子设计竞赛的根本目的是将学生们的工程实践能力进行全面培养,对于我国参加竞赛学生在比赛时候出现的相关问题,有针对性的提出了相关解决措施。
关键词::电子设计竞赛; 实践教学; 实践能力;创新能力
中图分类号:G424 文献标识码:A文章编号:1672-3791(2015)04(a)0000-00
大学生电子竞技设计大赛是由我国教育部联合信息产业部主办的学科竞赛,该竞赛不但具有权威性,还具有相当大的影响力。是一种全国性的电子专业大学生科技竞赛活动。该竞赛的举办,不但在一定程度上将大学生们电子设计能力加以提升,同时也增加了学生之间团结协作的精神,是我国大学教学质量提升与改革成果的证据。
1大学生电子设计竞赛的特征
第一届全国大学生电子设计竞赛在1994年举办,每隔一年举办一回。在比赛中,要由3人组成,时间为4天3夜。电子设计竞技比赛的特征如下:
1)秉承“专家指导,政府主办,学生为主,全民参与”的模式来运行。
2)竞赛规模庞大,参赛人数众多,有着极强的权威与影响力。
3)知识面涉及甚广,其中包含了数字电路,高频率电路,模拟电路,传传感技术应用,单片机的接口技术,计算机原理,DSP技术,等等课程。
4)大赛有着很强的应用性和综合性,竞赛中所涉及到的题目一般都是在实验,科学研究工业中经常涉及到的电子知识。要具备综合能力才能够完成上述项目。另外也要想在大赛中取得优异成绩,选手们除了要具备哦很强的电路设计能力,实验操作能力意外,还要有良好的团结协作能力。
2电子设计竞赛中所反映的相关问题
从当前实际情况来看,在电子设计竞赛中,我国大学生主要出现以下几个问题:
1)不具备查阅参考文献的能力,很多学生在获知竞赛题目之后,都是去翻阅教科书[1],而没有去寻找最新的文献期刊,不能很好的将互联网进行l利用。
2)对综合运用知识的能力还稍显欠缺,学生们对于一项制作项目能够提出的有效方案是非常有限的。也不能将对手的方案进行全面比较与论证,经常是生硬性的将参考电路搬过来,及时是相对简单的电路,也不能设计出来,对所学习到的知识不能准确的进行分析,更不要说解决实际问题的能力了。这在根本上反映出我们在对学生进行实际教学的时候,忽略了对其综合能力的训练。
3)我国大学生对新的技术与器件没有良好的应用能力。一些电子竞技项目是完全能够利用新技术来进行设计,比如说CPLD,FPGA 等等,这些项目不但相关指标比传统的电路要强,而且电路相对简单,这种现象充分说明了我国大学课程实践内容较为陈旧,没有紧跟当前社会发展进行制定。
4)现如今的大学课程不符合实际工程设计技术指标,在进行实际比赛额时候,很多学生对于竞赛项目技术指标的改变显得无能为力。
5)学生欠缺动手实践能力。在实际比赛中,有一部分大学生在进行焊接[2],安装,调试,故障排查的时候动作非常生疏,不能对实验数据的表格进行完全设计,更加不具备总结问题的能力,学生没有得到相关的训练。
6)缺少单片机应用方面的知识应用能力,当前很多项目都需要使用到单片机的知识去完成,有很多同学对单片机没有良好的应用能力,进而不能再比赛中取得优异成绩。
7)学生们缺少撰写实验报告能力,在设计报告的相关内容与格式上并不符合要求,没有足够的理论对实验内容进行支撑。同时对理论分析也不够明确,这在根本上反映出,当前实践教学中,教师们没有将实验报告这个环节进行充分重视[3]。
3电子设计竞赛和实践教学的相关改革
(一)创建柔性综合实践的相关教学体制
对于专业综合实践课程,可以在学生大三或者大四阶段开设,学生们可以依照自己的意愿,在任何时候完成该环节的相关内容。利用分散或者相对集中的管理方式来进行该项内容,为了不影响原有的教学进程,在学生大三的时候可以使用分散的方式来进行相关教学实践看活动,对于一些有实力参加电子设计大赛的学生,可以吸引其来到实践环节中来,这些学生以三年级学生为主,也可以来吸收大二的学生来参与到实践过程中来,帮助三年级学生来完成电路板的绘制工作。在学生选择课程以前,每一位指导教师都应该对其拟定若干个实践项目,并给某个学生小组来完成该项题目, 并对课题的进展情况进行全面追踪,在本学期结束的时候,教师们要依照课题完成的质量与答辩情况对学生们进行综合评价,对于成绩合格的同学可以提前获取专业综合实践学分。将柔性的综合实践教学体制进行全面建立,将电子设计的相关培训工作转变为实践教学体制,将电子设计的相关培训工作转化成为实际教学,能够在根本上将教学和学生的积极性加以调动,令参赛的学生能够做到提前完成相关能力训练给集中培训环节打下坚实基础。
(二)将导师责任制进行全面完善
从集中实践教学来看,经常是由1位教师,多个统同学来完成。从完成时间上来看,通常2―3周为多,很多教师在这个阶段也有其他的人物,其指导的效果没有办法保证质量。利用柔性教学的方式,教师们能够依照实践环节中的弹性安排来进行指导性工作,并在这个过程中实现有效监控。整个过程能够依照毕业设计的管理方式来进行。教师们要给成为竞赛设计组的成员,对于有其他科研项目的教师,也可以将其吸引过来,并提出题目供学生们进行选择。教练组的相关人员最好使用“以老带新”的方式来担任技术带头人。年纪青的教师要担任相关指导工作,每个青年教师都因该有直接的负责人。最终形成一个指导性梯队,这样不但能够将青年教师们的主观能动性在根本上加以发挥[4], 还能够将老教师们的设计经验进行全面利用。
(三)建立起开放性实验室
将开放性实验室进行有效建立,能够在根本上解决学校资源分配的矛盾,开放性实验室是实验中心下属实验室,其中心作用是将学生们的课外电子制作与相关设计培训任务加以承担,利用这种方式,增加学生们对实验学习的主观能动性,提升动手能力,为学生们提供一个良好的实践平台,另外实验室也要对大四学生开设和专业综合设计相关的缓解,实验室中的仪器要你专人看管。只要是参加电子设计大赛的学生或者老师,都可以来实验室进行操作,学生们要经过初步选拔测试,只有合格的人才能参加相关培训活动。
在原有“大工程与大基础”的教学模式之下,建立起柔性实践环节,将教师们的责任进行科学划分[5],才能令学生们在比赛之前获得一定的设计能力,并保证实践过程的质量。
(四)建立起虚拟实验室检验平台
1)利用网络进行自主学习
教师们可以为学生建立起一个“学生中心论”的新型学习方式,给学生们设计一个能够将其想象力进行充分发挥的实践平台。利用该平台,令学习不再成为被动课程,而是主动寻求过程,学生能够对自己学习的过程进行全面监控,并依照实际情况,选择最适合自己的学习策略。
2)网络化自主实验
教师们要为学生创建一个虚拟化的网络实践平台,并在其中建立起一个极为真实的虚拟实验环境,利用网络进行自主学习,讨论并进行创新,最终实现资源共享,内容开放与实验上的交流互动。
3)强化自主学习检测
在以往,学生们在进行实物实验的时候,都不会去主动预习,而是没有目的的进行实验,利用这个环节来实现监控,能够令学生们在进行测试的时候在真正意义上做到有的放矢,在一定程度上提升其工程实践能窥,这在电子设计的相关培训工作中起到了非常重要的指引检测作用[6]。
4)普及教育为主,精英教育为辅
在现如今的电子设计培训课程中,教师们要以“全面撒网,发现精英,着重培养:的原则来进行,表现优异的学生可以对低年级学生进行“传帮带”,将学生们的自我能力加以提升,努力创设一个良好的学习环境。利用这种方式,能够在根本上将教师的指引以及学生们互相帮助,团结协作精神加以突出。虚拟化实验平台对于教学,管理交换方式等模式数字化的一种管理工作环境,能够在根本上将现如今实验教学改革深化中所涉及到的难点内容:实验室项目披露性[7],相关资源建设,学生字数选择学习内容。将以往物资关凯软件重视管理轻视服务教学的现象进行全面解决,在根本上形成了实验时间项目自主选择,背景知识的支撑。在根本上符合了冠以提高本科实验教学质量的最新要求。
4结束语:
综上所述,在全国大学生电子竞技比赛,除了能够在最大程度上将学生们的综合素质进行提升之外,还推进了我国电子竞技实践课程的改革,作为大学教师来讲,必须将学生们参加竞赛的得与失以及实际教学中存在的问题进行全面总结,进而将教学改革的目标与方向进行明确。把最新的知识结合到实际教学当中,将培养创新性实用人才看做是长期任务。因此,大学教师们必须在真正意义上做到与时俱进,对自己的教学方式进行不断改革,探索,最终将教学质量提升一个档次。
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关键词:电子设计竞赛;“大基础、大工程”;实践教学;创新能力
作者简介:徐鹏(1978-),男,安徽宿松人,重庆理工大学电子信息与自动化学院,讲师;杨奕(1970-),男,重庆人,重庆理工大学电子信息与自动化学院,副教授。(重庆 400054)
基金项目:本文系重庆市教委高等教育教学改革重点项目(项目编号:122003)、重庆理工大学高等教育教学改革项目(项目编号:2012020)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)07-0162-02
全国大学生电子设计竞赛是由教育部、信产部组织面向高校大学生的创新类科技活动,其目的在于推动高等院校信息与电子类学科课程内容和课程体系的改革,推动高等院校实施的素质教育,培养学生工程应用能力、提高学生解决实际问题及电子设计制作的能力,培养学生团队协作精神,积极鼓励青年学生踊跃参加课外科技活动,尤其是在高校青年学生设计创新能力和团队协作精神培养方面起到了积极的引导和推动作用。
一、全国大学生电子设计竞赛的特点
全国大学生电子设计竞赛起源于1994年,每2年举办1届,竞赛中由3人组队,自行选题,并在规定的时间完成题目的相应要求。[1]大学生电子设计竞赛的特点:一是竞赛采用“政府主办、专家主导、学生主体、社会参与”的组织运行模式;二是竞赛规模大,参赛人数多,具有一定的权威性和影响力,受到各高校的高度重视;三是竞赛题目涉及到的专业知识面广,其中包括“模拟电路”、“数字电路”、“高频电路”、“传感器技术及应用”、“单片机接口技术”、“DSP技术”、“自动控制原理等多门课程。竞赛题目涵盖了工业、科研、实验等方面经常涉及到的电子信息类知识,并依靠多门学科知识才能很好地完成题目要求。[2-5]这就要求选手们应具有很强的电路设计能力、电子制作能力、计算机应用能力,同时也要求组员之间具有很好的团队协作能力。
二、“大基础、大工程”人才培养模式
重庆理工大学电子信息与自动化学院(以下简称“我院”)早在1995年就组织学生参加电子设计大赛,通过近几届的赛前培训和正式比赛发现学生普遍存在理论基础不够扎实、动手能力较弱、工程素养较差、设计方案生搬硬套、创新意识较弱等方面的问题,这也反映出电气信息类专业教学(尤其是实践教学环节)过程中存在的一系列问题,如理论和实践教学的脱节、综合能力培养不够、团队协作意识较弱等,说明现有人才培养模式(尤其是实践教学部分)和课程体系有待改革。
我院在2005年对自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程等专业按电气信息大类制定人才培养方案,将各专业的公共基础、专业基础模块贯通,建立了统一的公共基础平台和电气信息类学科基础平台。同时在“大基础、大工程”教育思想的指导下,加入工程能力培养环节以加强实践能力培养环节,进行了“2-1-1”人才培养模式的改革实践。“2-1-1”模式即:入学前两年面对电气信息类所有专业按学科大类进行“大基础”的基础理论教学;第三年根据学生志愿按专业方向进行分流培养;第四年根据学生的就业情况并结合课程设计及毕业实习进行工程能力的培养。“2-1-1”分段培养模式充分贯彻了“大基础、大工程”的教育思想理念,体现了“通才与专才相结合、共性和个性相结合、个人发展与行业需求相结合”的人才培养特色。参与电子设计大赛的学生主要是三年级的学生,由于对前两年电类基础课程的学习有了一定的理论基础,在第三年的专业分流培养过程中,主要是开设专业基础课程,并配以相应的实践教学环节,但针对电子设计大赛的综合性、个性化实践教学环节较少,目前我院主要通过电子设计竞赛教练组组织学生进行课外培训来解决,但在整个培训中对学生缺少有效监控,培训也缺乏系统性。因此,对进入专业阶段学习的基础素质较好的学生有必要提前开设类似于专业综合设计的创新性和个性化的实践环节,为电子设计大赛锻炼队伍,提高学生的综合设计能力。[6]
三、电子设计竞赛与实践教学改革
我院经过几年的教学实践,在“大基础、大工程”教育理念背景下构建了由浅入深四个实践教学层次(实践技能层、学科基础层、综合应用层、创新实践层)和十二小类(计算机基础、物理实验、专业试验、生产实习、创业实践等)实践活动,并融合贯通为“4-12”实验实践教学体系(见图1)。实践教学按“分层培养,阶梯递进,逐步提高”的方式进行,[6]通过开设层次化的工程实训系列课程,一个阶段完成一种能力的训练,循序渐进地提升学生认知、实验、工程设计和实施等综合能力。
由图1可以看出,在“4-12”实践教学方案中,专业综合设计和创新性实验主要集中在四年级开设,相对于电子设计竞赛具有一定的滞后性,因此,可以考虑将四年级阶段的一部分实践环节提前到三年级下学期进行,但这样的调整必然会影响到常规的教学计划。下面就近几年我院竞赛培训和实践教学的情况提出相应的改革措施和解决办法。
1.建设柔性综合实践教学体制
专业综合实践环节可以考虑在三年级下学期和四年级上学期分别开设,学生可以选择在任意阶段完成该环节,采用分散和集中相结合的管理方式。为了不过多影响原有的教学进程可采用分散方式进行综合实践,其主要针对参加电子设计大赛和一些学有余力的三年级学生,也可以吸收部分大二学生参与实践过程,辅助三年级学生完成电路板的绘制以及元器件的焊接等工作。在学生选课前,每位电子设计大赛指导教师都需拟定1~2个综合实践题目,每个题目限定一组学生(3人)完成,指导教师要定期对课题进展情况进行监控。学期结束前,指导教师组以课题完成以及答辩情况进行综合评价,考核通过的学生可提前获得相应的专业综合实践环节学分。总之,建立柔性的综合实践教学体制,将电子设计培训工作转换为实践教学环节,能有效地调动师生双方的积极性,提前对参赛学生完成了综合性设计能力方面的训练,对后期的集中培训工作有较好支持。
2.完善导师责任制
以往的综合实践教学环节,往往是一位教师面对多组学生,整个环节集中在2~3周的时间完成,同时很多教师在此阶段还有其他的授课教学任务,指导效果都无法保证。通过柔性的实践教学方式,将2~3周的集中实践环节扩展到整个学期进行,教师可以在整个学期中弹性安排指导工作,并对实践过程进行有效的监控,实践过程的控制可以参照毕业设计的管理模式。指导教师主要是参与电子设计竞赛指导的教练,同时其他教师有相关的科研工作需要学生参加的,也可以提出相应的题目供学生选择。在导师组中,人员配备上采用“老带新”方式,老教师在实践教学过程中担任组织和管理工作,青年教师主要承担具体指导工作,每个青年教师都有相应的老教师作为直接责任人形成“指导梯队”,既有利于发挥青年教师的能动性,也能有效地利用老教师的丰富的指导经验。另外,我院在指导教师工作开展方面也提供了许多便利条件,如设立电子设计大赛专用实验室,并提供相应的硬件设备和元器件支持,并在此同时面对全院教师开放专业实验室,专任教师可以参与指导学生实验工作并从事相应的科研工作。
3.建立开放性综合实验室
自我院学生参加电子设计大赛以来,其培训和指导工作一直由我院相关教师负责组织,往往培训基地只能依托于基础实验中心或专业实验中心,主要的仪器设备也都借用实验中心的,给实验室的管理工作带来了极大不便,尤其是近几年学生参赛人数增多,各方面资源矛盾显得尤为突出。建立开放性综合实验室能有效解决资源分配的矛盾,开放性的综合实验室作为专业实验中心的一个下设实验室,服从实验中心的统一管理,其主要工作是承担学生课外电子制作辅导和各类电子设计竞赛的培训任务,激发学生的学习兴趣,提高学生的动手能力,为学生创新精神和实践能力的培养提供宽广的平台,同时实验室也针对大四学生开设专业综合设计等实践环节。开放性综合实验室的仪器设备实行“专用专管”制度,实验室单独配套各类专用仪器设备,不占用其他实验室的仪器设备,实验室可以安排电子设计大赛指导教师作为管理人员,各专用设备落实相应的责任人。开放性综合实验室针对全校有意愿参加电子设计大赛的学生和教师开放,学生须经过校级电子设计竞赛的选拔测试,合格者方能进入实验室参加各项培训活动。
在“大基础、大工程”原有的实践教学模式下,通过设立柔性实践环节、完善导师负责制以及建立开放性综合实验室等措施,使参赛学生在正式比赛之前得到了一定的综合设计能力,为电子设计竞赛提供了有力的支持和保障。
四、拓展学生科技活动,加强创新能力培养
要培养学生的创新能力和团队协作能力,仅依靠常规实践教学远不能满足要求,尤其是在“大基础、大工程”人才培养模式下,更加重视学生创新能力的培养。为此,我院在每年的10月份都会举行全校性的电子设计竞赛,通过比赛选拔全国比赛队员,而且在每届市级别电子设计竞赛时也会组织学生参赛,对各类比赛不仅提供设备仪器和元件费用支持,对获奖团队还有一定的奖励政策,如获得国家奖的队员可以免修4个学分的专业选修课。除此之外,还借助学校“开拓杯”科技竞赛活动以及“大学生创新实验”积极开展丰富多彩的科技活动,为学生开展电子小发明等活动营造了良好的环境,并为电子设计竞赛培训工作奠定了基础。同时针对各类的电子设计竞赛及课外科技活动,加大创新实验室开放,提供实训场地,在开放时间内,还为学生提供相应设备,为学生的自主学习提供了良好的环境。
五、结束语
全国大学生电子设计竞赛为青年学生施展才能提供了舞台,同时也推动了“大基础、大工程”人才培养模式下的实践课程教学改革。通过近几年对实践环节的改革,教学效果有了一定的提高,竞赛也获得了较理想的成绩,但改革创新是永无止境的,新技术、新知识的不断涌现,如何将其融入到教学中,如何提高学生学习、创新、设计的能力,以及工程素养,一直是高校实践教学改革的主线,总之,培养创新型人才是高等学校长期而艰巨的任务。为此,教育工作者应不断地探索改革、努力提高教育教学水平。
参考文献:
[1]王越,韩力.大学生电子设计竞赛的开展与学生创新能力的培养[J].中国大学教学,2005,(10):4-6.
[2]赵云娣,肖看.大学生课外科技创新活动培训系统的研究与实践[J].实验室研究与探索,2006,25(4):415-417.
[3]姚有峰,张斌,聂丽.从电子设计竞赛谈实践教学改革与创新能力培养[J].实验室研究与探索,2009,28(9):140-142.
[4]韦文祥,李勇成,吴新开,等.由大学生电子设计竞赛引发对就业能力培养的思考[J].实验室研究与探索,2009,28(10):11-13.
1建设电子设计培训中心,搭建电子信息活动平台
作为近年来组织与引导学生开展自主学习、科学研究与设计创新的第二课堂,大学生实践培训基地已逐渐引起国内各高校的关注,对于形成“课内外结合、全方位、立体化”的科技活动平台,提升学生工程实践能力起到了重要作用。近年来,桂林电子科技大学投资过百万创建了电子设计培训中心,该中心既是电子设计竞赛的学生培训基地,也是广西区电子设计竞赛的测评场所,更是桂林电子科技大学的电子信息科技活动平台。其建设思路定义为:以全国大学生电子设计竞赛为主线,整合电子信息类教学资源,以学生为中心,以创新思维和实践动手能力的训练为核心,以培养创新务实高素质的应用型人才为宗旨,以创新思维、基本科研技能及知识综合应用能力等多层次训练为目标的电子信息科技文化活动平台。中心根据学生科技活动特点及学科发展要求,除购置了电脑、示波器、信号发生器、稳压电源等常用仪器设备以外,还配置了EDA开发系统、DSP开发系统、单片机开发系统、德国“乐普科”自动制版系统等设备。中心网站定期公布一些题目,全校学生均可自愿参加制作,经培训中心指导教师验收合格后,即可进入中心学习。中心在时间、空间、资源、指导等方面对学生进行开放式管理,培养学生的自觉研究习惯。培训中心的主要功能包括:
1.1开展一系列分项目、分层次的讲座,包括有关电源、DDS信号源、扫频仪的原理,设计思路,高频电路,FPGA,单片机,控制理论,论文写作等专题以及电路调试中的实用方法和技巧。近三年来,电子设计培训中心在区内开出公开讲座2次,校内讲座10余次。
1.2编写《Protel设计与提高》、《FPGA实践与应用》等培训教材,面向电子设计爱好者组织经常性的培训,通过训练考核促进学生设计与制作能力的提高。同时,利用与电子行业相关企业建立的合作机制,由企业主动提供新产品、新设备,对师生开展进校集中培训,介绍行业的新知识、新理论、新技术。
1.3为有较强创新意识和实践动手能力的学生参与创新性实验项目、教师科研、毕业设计、课程设计等提供技术指导及设备支持。“小功率数控交直流电流源”、“基于FPGA的RFID实训平台”、“智能无线搜救系统”、“基于软件无线电的数字SSB无线收发机”等一批学生项目相继完成并通过测试。
1.4作为大学生电子设计竞赛广西赛区的测评基地,为整个广西赛区作品的测评提供全套设备和良好的测试环境。培训中心的管理采用教学改革项目模式,学校每年验收一次,根据中心当年的培训规模、参赛成果等划拨下一年度经费。电子信息类专业学生通过中心的活动扩大了知识面,同时学校也遴选出了一批参加区级和国家级竞赛的种子选手。
2注重兴趣培养,夯实入门基础
在学生入校之初,就宣传“先实践、后理论、再实践”的学习方式,鼓励学生及早参与竞赛培训、体验实践创新。通过获奖学生经验介绍会等形式,使新生深刻意识到:具有大赛经历的学生,会带着大赛中的许多实践问题学习理论课,迅速渡过认知阶段,加深对理论知识的理解。因此,并非要课程都学完才能参加大赛,要提前介入,介入得越早越好[4]20-22。参与培训的学生以自愿为基础,采用三人组队形式。组队时,提倡专业搭配、学科交叉,具有电路制作、软件仿真、单片机编程、机械设计等专长的学生合理分工,优劣互补。组队形式从一开始便基本固定下来,经过长期的磨合、磋商后,一旦有了赛事,小组成员之间即可默契配合、各司其职,为获取佳绩奠定了基础。对于刚接触竞赛培训的学生,组织参观演示性强的往届学生获奖作品,提高学生的参与兴趣。分别从数字电路、模拟电路、单片机、DSP及EDA等几个方面介绍基础理论知识,然后开设一些简单的单元制作项目,具体内容包括:信源电路、抢答器、计时器、放大器、传感器、滤波器等。这些单元电路既是各种通用电路的基础,又都具有趣味性和可欣赏性,可以作为独立的成果进行展示,从而激发学生学习电子信息类知识的热情和自信心,初步体验电子设计制作的基本流程,迈出实践创新的第一步。
3研究竞赛选题,推行层次化训练
全国大学生电子设计竞赛的选题范围“以电子技术(包括模拟电路和数字电路)的应用设计为主,可以涉及单片机、可编程器件及微机(微机主要作开发用)。题目尽可能考虑到教学的基本要求,并兼顾新技术的发展。”历年竞赛题目主要分为:(1)无线收/发信机;(2)数据采集、测量、传输与控制系统;(3)高、低频信号源;(4)交、直流放大器。细化到实际课程中,则涵盖模拟电子电路、数字电子电路、高频电路、传感器技术及应用、微机原理、单片机接口技术、PLD可编程技术、自动控制原理等多门课程[5-7]131-148,415-420,130-132。根据大学生电子设计竞赛的题型和内容倾向,针对需要掌握的基本知识、技术及技能,结合电子信息类应用型人才培养方案要求,开展层次化训练。
3.1分项训练对于具备一定设计制作基础的学生,根据模拟电路、数字电路和单片机电路模块分别进行分项专题训练。模拟电路部分主要训练项目为:音频功放(包括音调、功率放大)、电源(稳压、稳流)、程控放大器;数字电路部分包括:常规器件实现数字钟、方波的展宽与变窄、常规器件实现的频率计;单片机电路部分包括:单片机配合A/D转换器实现数字电压表、单片机与D/A转换器实现的波形发生器、单片机对电机的控制。
3.2综合训练融合基础层次的多个模块给出设计题目和参数要求,启发性地讲解设计要点,使学生建立起系统的概念并自主设计、制作作品。
3.3跨学科集成训练集中进行涉及自动化、机械、光学等多方面、跨学科的综合训练,包括:直流稳压源、信号发生器、无线收/发信机、信号检测与控制系统、数据采集与控制等。指导教师给出参数要求和大致参考方案,具体的设计和实施则通过学生查阅资料、教师答疑和学生自己的实践来完成[8]154-156。
3.4赛前冲刺在开赛前期,参照电子设计竞赛模式,采用模拟试题,要求学生以2-3人组队的形式,在设定的时间限度内完成资料查阅、方案选择、电路制作、程序调试、问题排查、论文写作等一系列工作,体验竞赛氛围和工作模式。同时,邀请有丰富竞赛经验的指导教师或企业工程师开设专题讲座,讲评电子制作作品,补充竞赛方法和技巧,开拓学生的知识结构,使学生的实战能力得到快速提高[9]120-123。为了能更真实地反映出学生电子设计制作的实际水平,当前在区级赛和国家级赛中,逐渐加设了全封闭式的制作类专项竞赛。由组委会提供仪器设备、电路元件、万能板等硬件设备,各参赛队只能携带参考书籍和未写入程序的单片机小系统板入场。参赛队员需自行查阅资料、设计电路方案、列出元件清单并领用元件、在万能板上布设元件、焊接电路、调试并测量数据。针对这一竞赛形式,反馈到赛前培训中,则更需要加强对学生基础知识、独立工作能力和拼搏精神的培养和锻炼。#p#分页标题#e#
4开展校级竞赛,提供练兵舞台
学科竞赛是考查学生基本理论知识和提高解决实际问题能力的重要途径,同时也是培养学生实战经验和良好心理素质,从而在电子设计竞赛中获取佳绩的重要保障。参照电子竞赛的题型设置和考核方式,结合学校电子信息类专业培养目标,定期举办多项校级竞赛。竞赛依托丰富的校企合作资源,多采用企业提供竞赛经费或器件设备的形式,在题目中引入企业生产的实际问题,使竞赛来源于实践、服务于实践。“TI杯”模拟电子设计赛、“柯蓝杯”电子设计竞赛、ARM嵌入式系统设计竞赛等各类赛事为学生提供了真刀真枪比能力的练兵平台,同时极大地丰富了校园科技文化的内容,营造出浓厚的创新实践学习氛围。在竞赛种类的安排上,贯彻“高低年级并行、基础与提高并重”的方针,注意涵盖各年级学生的需求。针对低年级学生,定期举办实验仪器操作技能大赛,鼓励学生熟练掌握仪器设备使用、数据读取及常见故障处理技能,为之后的电子设计制作训练奠定坚实的基础。