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科教融合下电子电路实验改革探究

2021-04-27 15:31 来源:电子技术论文 人参与在线咨询

摘要:针对电子电路类实验课程存在的若干问题,在科教融合理念指导下进行了改革与实践。设计了符合时展且具有较强综合性的实验教学内容,以及具有较高挑战度的综合设计题目,提出了工程能力与科研能力并重的人才培养模式,取得了丰硕的教学成果。教学实践表明,该教学改革提高了学生的学习兴趣,加深了学生对所学知识的理解和掌握,培养了学生解决实际工程问题的能力,激发了学生的创新潜能。

关键词:电子电路;科教融合;实验教学

电子电路技术在国民经济的多个行业中有着广泛应用,很多高校都开设了电子电路类的实验课程[1-7]。“电气技术实践基础”是我校电工电子教学实验中心面向全校电类专业本科生开设的一门实验课程,是培养学生动手能力和创新能力的重要课程之一。经过十余年的运行,该课程尚存在以下问题:①课程内容相对陈旧,学生兴趣不高;②不同实验之间的联系不够紧密,学生在做完全部实验后缺乏将所学知识灵活运用的能力;③课程内容的挑战度不够,难以激发学生的创造力。我中心共有十余名教师承担本课程的教学任务,其中大多数还同时从事高水平的科研工作。为了解决课程教学现存的问题,本团队在“科教融合、学术育人”的教学理念指导下,对课程进行了改革与实践。通过充分挖掘科研活动中的基础性问题,将其与“电气技术实践基础”课程相融合,并对实验内容进行了扩充和更新,设计了若干综合性强、更加贴合实际应用的实验,提高了课程的高阶性、创新性和挑战度,旨在以高水平的科研支撑高质量的教学。在课程中,鼓励并引导学生针对生活中的问题设计解决方案,支持学生申请专利及,在培养学生解决复杂工程问题能力的同时提高学生分析总结能力及论文写作能力。

1融合学科前沿与工程实践的教学设计

1.1设计新的实验内容。针对学生兴趣不高问题,本团队从实际科研及工程项目出发,凝练出若干基础性问题,用于对教学内容的更新,设计了一系列紧跟时展并贴合实际工程应用的实验教学内容[8-9],如“非正弦周期信号谐波提取”“周期信号谐波合成”“波形产生和信号调制解调”“简单数字频率计”等。以“波形产生和信号调制解调”实验为例,如图1所示,该实验要求学生利用运算放大器和阻容元件搭建不同频率的正弦波和三角波产生电路;再将低频正弦波作为基带信号,将高频三角波作为载波信号,实现信号的调制;最后搭建有源低通滤波电路实现信号的解调。该实验具有较高的复杂度,对学生的理论分析能力和动手实践能力有较高要求。此外,该实验密切贴合当下热门的5G通信技术,能够激发学生的学习兴趣。学生通过这些实验,对如何将所学知识用于实际工程问题有了更深的认识,提高了对课程的认同度。

1.2优化综合设计环节。针对不同内容间联系松散、课程内容挑战度不高的问题,本团队充分结合学科前沿,对课程的综合设计环节进行了优化,设计了一些综合性强且具有较高挑战度的题目供学生选择。在此前的课程教学中,为了加深学生对课程体系的认识,设置有综合设计环节,但学生自行设计的系统往往集中于模电或数电单一课程所学的内容,综合性不够。这一次本团队设置了更符合课程教学目的的题目[10-11],如“基于PPG的心率测量系统”“智能交通信号控制系统”“自行车测速规划装置”“音频灯光控制系统”等。以“自行车测速规划装置”题目为例,如图2所示,题目涉及电源设计、信号预处理、脉冲计数、数据换算、动态显示等内容,是对课上所学知识的充分融合与回顾。在实现过程中,我们还会设置一些限制,从而培养学生在条件受限情况下灵活变通、大胆创新的工程素养,加深学生对所学知识的理解和掌握。例如,本题目要求学生每隔10s刷新显示车速并给出速度规划,这就需要将单个计数周期的计数结果结合车轮直径换算出车速。学生最容易想到的解决方案就是使用单片机,但我们要求学生只能采用本课程使用的芯片来实现全部功能,因此如何利用本课程所学知识实现上述功能是整个系统设计的重点和难点。这样设置的目的是模拟工程实践中方案选择受限的情境,同时引入课程思政元素,强调我国在某些关键领域被卡脖子的现状,激发学生努力学习、报效祖国的热情。近三年来,学生完成的部分综合设计题目如表1所示。所设计的综合设计题目密切贴近学生的日常生活,极大地激发了学生的学习兴趣;所设计内容具有较强的综合性,可加深学生对整个课程体系的认识,帮助学生建立起联结理论知识与工程实践的桥梁,培养学生解决复杂工程问题的能力。

2工程能力与科研能力并重的人才培养模式

除了培养学生解决复杂工程问题的能力,本课程还同时注重培养学生的科研能力。在课程的综合设计环节,除了给定设计题目外,还鼓励学生从生活中遇到的实际问题出发,寻求解决方案,并引导学生开展创新性研究,激发学生的创新潜力。对较为突出的研究成果在申请专利及时给予经费上的支持,带领学生走进学术的大门,培养学生分析总结问题及撰写学术论文的能力。例如,170321班8组学生中的2组出色完成了综合设计题目,并提出了创新性想法,申请了国家发明专利,发表了EI检索学术论文。图3为学生设计的智能交通信号控制系统[11]。在现有的交通灯系统中,红绿灯的倒计时时间是固定的,不会随着交通流量的变化而变化。这会使得繁忙路段上,某一方向的车辆畅通无阻,而另一方向的车辆非常拥堵,此时如果能增加拥堵方向的绿灯时间,减少畅通方向的绿灯时间,可以有效缓解路况拥堵,减轻交通压力。为了实现这一目的,学生采用了最新的深度学习技术。在路口设置摄像设备进行定时拍照,捕捉道路车况照片,将照片上传至路网主机端,主机端通过YOLOv3[12]结合OpenCV进行区域多路口的数据集中处理,捕捉单位时间的车辆数目,实时获得当前的交通状况。主机将此时的拥堵程度数据,通过串口通信方式返回路口FPGA端进行接收,由此实现数据的通信与可视化。此外,从电路可靠性角度考虑,在FPGA中设置顶层模块,使在电脑主机端可以远程对交通信号灯进行优先手动控制,路口端也可以切换模式,进行手动控制。目前设计该系统的学生已被保送至北京大学工学院攻读研究生学位,该学生表示,在“电气技术实践基础”课上所做的项目和据此发表的论文对他争取到这个宝贵的机会起到了非常大的作用。在课程实施过程中,教学团队通过调查问卷及交流讨论形式收集了学生对课程的反馈意见,并对课程教学进行不断优化和改进。学生普遍认为,新的教学内容和综合设计题目使他们对课上所学知识“能用来做什么及怎么用”的问题有了更清晰的认识,消除了遇到实际工程项目时的茫然和恐惧心理,提升了解决问题能力、动手实践能力和研究创新能力。

3注重经验推广,教学成果丰硕

通过近三年的实践运行,该教改成果已成功应用于我校自动化学院、宇航学院、高等理工学院、国际学院等1000余名本科生的培养中,产生了很好的推广辐射效果。我中心面向学校非电类专业本科生开设的“电路测试”课程也借鉴了本成果的经验,正在开展教学内容改革与实践。基于本成果,教学团队近三年共出版教材2册,发表教学论文8篇,申请教学相关发明专利2个,获全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛奖2项。

4结语

针对“电气技术实践”课程存在的若干问题,本教学团队将学科前沿和工程实践与实验教学相融合,充分发挥团队教师的科研优势,对课程内容进行了更新与优化,提高了学生的学习兴趣,加深了学生对所学知识的理解和掌握。团队提出了工程能力与科研能力并重的人才培养模式,在培养学生解决复杂工程问题能力的同时提高了学生的科研能力,并激发了学生的创新潜能。本教改成果已成功应用到我校本科生培养中,取得了显著成效,为本科实践教学起到了积极的示范作用,具有较好的推广应用价值。

作者:岳昊嵩 范昌波 张静 张秀磊 单位:北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院

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