渐进式实践教学体系的设计
[中图分类号]TN41；G642[文献标识码]A[文章编号]10054634（2017）03009205
0引言
提高人才培养质量是高等教育发展的核心任务《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010～2020）》指出，要通过全面实施高校本科教学质量与教学改革工程，强化实践教学环节，进一步提高高等教育人才培养质量。随着社会对学生实践能力要求的提高，实践教学在高校教学过程中的比例逐渐加大。目前，在大力推进实践教学的过程中，出现2个主要问题：（1）各高校实践教学经费投入逐年增加，但教学经费仍相对不足，这些问题在工科类院校体现得更加明显。在高等教育教学成本中，实践教学成本占了相当大的比重[1]；（2）在实践教学过程中，学生仍以被动接受知识、简单跟随操作为主要实践形式，未能充分发挥学生的主观能动性及创新实践能力。
如何合理有效地使用实践教学经费，发挥有限教学经费的最大效益，最大化节约高校理工科实践成本，同时能够通过实践教学，充分提高学生主动的进行创新性学习和实践的能力，是高等学校亟待研究解决的问题。近年来，燕山大学电子信息科?W与技术专业通过渐进式教学设计方法，减少了以实物设计为载体的实践教学成本，实现了实践教学经费的合理支配，使学生的实践活动由被动的模仿式学习转变为主动的创新性实践。
1高等学校实践教学运行现状
本文所涉及的实践教学，主要是指与专业课程教学配合的课程设计环节，所涉及的实践教学成本主要是指用于实践教学，如课程设计以及学生实训等教学活动所需消耗材料的购置费用。
传统的课程设计环节主要是针对大学某一课程的实践教学环节，利用所学的知识，通过设计实践，完成一项涉及本课程主要内容的综合性、应用性的题目。课程设计环节把教学范围拓展到了实践中，有利于促进课程教学目标的完成。但是这种针对某一课程专门设置的课程设计，与后续其他课程设计之间相互关联度不大。造成以实物设计为载体的某门课的课程设计项目完成之时，也是所设计的实物变成电子垃圾之时。在教学耗材的购置，例如电子元器件的采购等方面，存在大量的资源浪费；同时循环产生大量的不可回收的电子垃圾，对环境也造成一定的影响[2]。这些相互不关联的以实物为载体的课程设计使高校的实践教学经费不足的问题更加严重。
另一方面，由于学校实践经费与教师实践教学投入不足等多方面原因，导致课程设计项目单一，缺少系统化、创新性以及延续性的考虑。学生只是被动地跟随教师或者实验指导书进行模仿式实践，创新性和主动性不能充分发挥，不能达到实践性课程的预期结果。在某一课程的课程设计中设计出的项目作品及学到的技能，未能在后续课程中继续得到深入挖掘和提高，而学生以课程设计实践为基础进行课外创新性实践更无从谈起。
实际上，高校中任何一个专业所有的课程设计都是为学生的综合专业技能发展服务的，相互之间必然存在一定的关联。根据这些关联，搭建循序渐进的教学体系，打破课程设计间的壁垒，统筹规划，是实现实践教学成本优化使用的可能途径。采用循序渐进式实践教学体系，使得上一级项目能够进入下一级实践环节，充分发挥和扩展每一级实物设计的功能，减少资源的浪费，从而最大化的节约实践教学成本[3]；在课程设计过程中，增加可以充分发挥学生主观能动性的创新性实践项目，采取竞赛等形式进一步激发学生的实践热情和创新思维。3年的教学实践证明，这一循序渐进式的实践教学体系很好地优化了教学成本，提高了学生的创新实践能力。
2循序渐进的实践教学体系搭建
电子信息科学与技术专业是教育部于1998年特设的新专业，该专业涵盖了无线电物理、电子学与信息系统、信息与电子科学3个旧的本科专业，对学生的现代电子技术应用、现代通信技术和计算机应用能力有比较高的要求，该专业顺应了我国电子信息产业发展的需要，有较大的发展和提升空间。
电子信息科学与技术专业对学生实践能力有着较高的要求，传统的纸上谈兵教学模式在日益严重的就业形势面前迫切需要改革。从社会对于电子工程师的要求出发，搭建了以培养学生硬件电路设计、电路板焊接与测试、现代电子仪器的使用、单片机软件开发、项目规划与开发等能力为主的实践教学体系[4，5]。该实践教学体系打破了各课程设计之间的壁垒，统筹规划、总体考虑，以实践成本最优化、学生能力全面化为目标，制定了3个循序渐进、紧密相关的阶段，分别为PCB电路设计与焊接（第3学期）、单片机程序设计与开发（第4学期）、电子设计综合实训（第5学期）。3个阶段课程设计材料和设备统一采购，统筹规划，每个设计环节的产品进入下一环节，持续提升和开发设计项目的功能，实现了学生全面实践创新能力的分阶段培养。
为了促进学生课外实践的展开，本专业从2012级开始就将电路类以及计算机语言类课程提前，将《电路原理与分析》《模拟电子技术》《数字电子技术》分别提前到了第2、3、4学期，《C++面向对象程序设计》课程提前到了第2学期。而《单片机原理与应用》课程放在了第4学期。因此，PCB电路设计可以为充分理解和掌握电路相关知识打下基础，同时该课程设计单元所设计的电路是基于STM32单片机的多功能开发板，可以让学生在此设计中学习和掌握最基础的单片机知识，为后续单片机理论课以及单片机程序设计与开发打下良好的基础。学有余力并且感兴趣的学生，可以在课下自学一些单片机知识，结合所设计的单片机开发板，完成一些课外实践项目。实践证明，这样一个实践系统序列大大促进了后续单片机理论的学习，本专业学生的单片机成绩优秀率远高于其他专业学生，达到了65%的优秀率。 经过电子信息科学与技术专业4年来的实践教学检验，笔者认为该实践教学体系极大地节约了实践成本，在提高经费使用效率的同时，学生的创新实践能力也得到了很大的提升。3年来，以学生为主体，获批发明专利和软件注册权4项，国家级大学生创新训练计划9项，省级以上竞赛奖项20余项。
3电子信息科学与技术实践教学体系详解
以下面分别从PCB电路设计、单片机程序设计与开发、电子设计综合实训3个方面解析本专业循序渐进的实践教学体系的构成。
3.1PCB电路设计与焊接
印刷线路板（printed circuit board，以下简称PCB）是电子元器件的支撑体和电气连接的载体。从 2006年开始，我国也已经取代日本成为全球产值最大的PCB生产基地和技术发展最活跃的国家。电子产品的焊接是电子产品制作过程中非常重要的环节，1名合格的电子工程师如果想开发出1款工艺简单、器件封装合适的产品，必须要了解焊接，尤其是现代贴片焊接技术的全过程。因此PCB电路设计已经成为电子、电气类及相关专业重要的专业技能课之一[6]。在学校的电子信息科学与技术专业的教学计划中，将PCB电路设计与焊接设置成了1门必修的专业基础实践课，时长为3周。
电子工程师完成PCB电路设计过程是先利用EDA软件进行电路版的绘制，然后再进行焊接和调试。但对于没有接触过电路板实践的学生来说，这个电路板绘制的过程犹如理论课程一样枯燥无味。因此，该阶段的设计先由教师根据自己多年的经验及教学心得，按照循序渐进式的电路板设计理念，给出电路板的主体架构，进行电路板各部分功能讲解、焊接，然后再进行电路板的?L制与仿真。这样的PCB设计流程，可以让学生在EDA软件学习过程中，将一些抽象化的电路符号转化为形象的电路模块，非常方便地帮助学生理解和掌握。课程设计过程中，教师及时对各环节进行总结和关键提示，有助于学生快捷地掌握相关知识，缓解学时紧张的问题，该部分内容分4个阶段完成。
1） 电路板功能分析和电子元器件选择。此阶段充分考虑了成本与功能这两个矛盾面，结合循序渐进的实践体系的要求，设计出基于STM32单片机的多功能开发板，板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，板载十多种外设及接口，可以充分挖掘 STM32 的潜质，极大地方便学生在后续课程设计以及课外科技活动中扩展及使用[7，8]。
STM32EVM主要由STM32单片机最小系统、串口下载及通信模块、外设模块及电源模块构成。板载了8个LED灯、3个按键、直流电机驱动模块、8路红外检测模块。其中，电机驱动模块、红外检测模块和外置的智能小车底盘可以让学生完成智能小车的控制、红外循迹和红外避障功能，培养了学生的综合能力。电源模块主要为开发板电路供电，分为两部分：第一部分为USB供电及电源转换电路，主要是在该开发板单独使用的时候使用；第二部分为外置锂电池供电及电源转换电路，主要是在该开发板作为控制板，与智能小车底盘共同使用的时候使用。图1为本专业设计的基于最小系统设计的PCB板电路图，具有较大开发和升值空间。
2） PCB焊接和调试。该阶段通过学生实际接触到PCB板，对电路板产生直观的认识，了解常用电子元器件形状和封装特点，掌握贴片焊接和直插孔焊接等电路板焊接技能，尤其对现代工业最常使用的贴片焊接的流程有清楚的认识；掌握钢网、回流焊机、电烙铁、热吹风等焊接工具的使用以及电路板的测试和调试过程。
3） PCB板的绘制与仿真。经过PCB功能分析与焊接之后，学生对电路板设计有了初步的了解。接下来就是EDA设计软件Altium Designer15的学习。该软件是主流的EDA设计软件，可实现PCB设计与绘制。此过程，教师负责进行绘制方法演示、指导、规则检查以及验收。通过此过程，学生可以通过原理图绘制和封装设置，电气法则测试、导入网络表、设计绘制PCB图，掌握 PCB工程及完整的电路图建立的过程。图2是学生自主焊接和绘制的PCB电路板图。
4） 电路板的调试――单片机程序设计与开发基础入门阶段。为了提升学生的成就感，该阶段必须让学生自己焊接出的电路板工作起来，因此在完成电路板的设计后，结合单片机程序设计，完成电路板功能的进一步开发，激发学生的学习热情，快速上手STM32。从 STM32 固件库、新建工程、编译和下载程序出发，学习STM32单片机的基础功能和常用外设。通过流水灯和按键实验，掌握STM32的GPIO的原理和控制方法；通过中断实验，掌握EXTI外部中断输入方法；通过串口通信，实验掌握单片机和电脑的信息交互的方法。该电路板功能的进一步开发和价值提升可在后续的课程设计中逐渐发挥出来。
3.2单片机程序设计与开发
本阶段的课程设计，使用学生自制的基于STM32单片机的开发板，以C语言为基础，以uVision5 IDE 集成开发环境作为开发工具，通过实例讲解、学生练习、自主项目设计的形式，由浅入深，达到即学即用的效果，提高学生的创新实践能力和独立开发能力。经过PCB设计阶段的STM32单片机的基础功能和常用外设学习，实现了学生单片机程序设计的基础入门。因此，在这一阶段可以顺利进入基于学生自制的STM32单片机开发板的高级功能扩展，该部分主要分3阶段进行。
1） 基础功能扩展阶段。通过STM32的高级外设和常用的通信协议、ADC和DAC实验、器件DHT11、AT24C02、W25Q64的学习，使学生掌握信号采集和输出的功能、电子设计中常用的单总线协议、IIC协议和SPI协议，掌握示波器在信号采集与处理中的作用。
2） 传感器模块学习阶段。该阶段利用自制开发板板载的10多种外设及接口，使学生了解和使用各种传感器模块，如红外感应模块、声音检测模块等十几款信息采集传感器；步进电机、蜂鸣器模块、继电器模块等输出执行传感器；还有一些高级辅助模块，如无线传输模块NRF24L01、WIFI模块ESP8266、三轴加速度/陀螺仪模块MPU6050、液晶显示模块OLED12864等等，为后续综合性的自主设计与开发打下基础。 3） 综合性的自主设计与开发阶段。经过前面阶段的学习，学生掌握了基于STM32的软件编程和常用传感器模块的使用。为了充分发挥学生的主观能动性，培养学生的创新性精神、团队协作意识及电子产品的设计开发能力，该阶段特别设计了学生创新设计大赛。采用抽签形式将学生进行分组，每组3人。小组根据现有的STM32开发板和传感器模块，在4天时间内完成以下任务：项目及创新点提出、作品原型制作、软件开发、联合调试、答辩。最终以比赛形式进行项目作品验收，评委根据项目的难易度、完成度、创新性、外观和答辩情况进行打分和评奖。
由于元器件以及外围模块数量有限，为了降低学生提出项目的相似度，开课第1天就给学生布置调研任务，要求学生在2天内完成项目名称的提出，指导教师负责对学生项目的相似性、创新性、难易度进行把握，相似的项目进行删除，重新让学生商定题目。项目开展前，进行开题报告，学生简要汇报项目的设计思路和实现方法。教师针对学生项目的整体思路指导，不同组也可加入讨论，努力提高项目的创新性和综合性。事实证明，这种提前审题以及开题审查相结合的办法，对于降低学生项目相似度，提高项目综合质量有很大的帮助。比如，同样是湿度传感模块，引申出3个不同类的模块应用环境：能够自动寻光提高晾晒效率的智能晾衣架，能够实现自助浇水、采用呼吸灯显示花卉生存环境好坏的智能花盆，以及能够实现光、水、空气自主控制的智能农业大棚设计，分别利用湿度传感器实现了衣服湿度、花盆土壤湿度和大棚土壤的湿度测定。
经过本次课设，学生的基于单片机的自主开发能力、编程能力、设备使用和调试能力、团结协作能力有了大幅提高，参与性和主动性得到了充分发挥。在该阶段涌现了大量的创新性题目，如具有水量和水温测量与显示、警告和定时提醒功能的智能水杯，具有手势识别、实现垃圾分类的智能家用垃圾桶，基于超声波检测的儿童坐姿矫正仪（如图3所示）等，有3个作品被选中参加2016年在燕山大学举办的CDIO亚洲区域会议作品展。
3.3电子设计综合实训
经过PCB焊接与测试、单片机设计与应用的实践性训练，学生已经可以进行独立的开发和设计。为进一步巩固学习成果，继续提高学生的电子设计能力，在第5学期，设计了电子设计综合实训环节，利用学生自主设计的开发板，进行逐步增容，完成1个智能循迹小车的开发设计[9，10]，最终设计完成的智能小车实物如图4所示。
智能循迹小车作为一种融合自动控制、传感器检测、信息处理、计算机软硬件设计等多学科知识，集机电于一体的综合系统，是很好的电子设计综合实训项目。该智能小车以学生自主设计和焊接的STM32开发板为控制核心，集成红外传感器模块和超声波传感器，利用单片机的高速运算处理能力处理8路红外传感器信息，控制单片机的PWM输出占空比来调节左右直流减速电机的转速，进而实现小车智能循迹行走，并通过超声波传感器实现躲避障碍物的功能。学生需要克服小车的直行、左转、右转、直道加速、S弯、虚线赛道处理、十字路口处理和自动停车等难题，该项目的完成，可以实现的电路设计、程序设计、检测控制及信号处理等多方面专业知识的综合利用，提升学生的整体创新实践能力。
4结束语
由PCB电路设计与焊接、单片机程序设计与开发、电子设计综合实训3个实践阶段构成的循序渐进的实践教学体系，以自制的STM32开发板为基础，实现由浅入深的实物化电子产品设计。各实践环节既相互独立又前后关联，既有详细的理论又有大量的实践，充分了发挥学生的主观能动性，使学生具有了独立的电路设计、计算机程序设计、电子产品设计能力。经过4年的实践教学检验，该体系达到提高实践教学经费的综合使用效率和学生创新能力的双重目的，在高校电子类相关专业具有很好的推广价值。
