时间:2023-10-07 15:57:58
开篇:写作不仅是一种记录,更是一种创造,它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感,将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇单片机课程设计总结与体会,希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友,陪伴您不断探索和进步。
分类号:G642 文献标识码:A
1.单片机课程特点及现状分析
单片机原理是一门理论性和实践性都较强的课程,在工业控制,人工智能,仪器仪表等
方面都得到了广泛应用[1]。为满足市场需求和生产需要,高等院校工科专业都开设了单片机技术课程。
传统的单片机教学有很多不足,比如理论与实践教学脱节,理论课讲授比例过大,理论教学老师占主体,学生被动学习,课后配合一定学时的实验,这样的教学方式使教师与学生互动较差,难以激发学生学习兴趣。另外,单片机是一门实践性较强的课程,学生只有通过硬件电路设计、程序编写、系统调试等过程,才能较好掌握单片机相关理论知识和实践能力。然而目前大多数高校单片机实验设备都是采用现成实验箱,其硬件电路都是模块化的,学生不需要进行任何设计,只需简单连线、输入程序、检查运行结果,而对于实验过程中涉及的相关原理不是很清楚,这与会利用单片机进行实际系统设计的要求相差很远[2]。
基于以上情况,结合笔者这些年实际教学经验与体会,针对课堂教学、实验教学和考核方式等方面改革做一些相关探讨。
2.课堂教学的改革
2.1变革课程教学方式
传统的教学方式多数为填鸭式教学,这种方式很难充分调动学生学习积极性,也不能有
效引导学生创新性思维。而现代教学强调“研究型”教学,在教学中增加更多的互动环节,积极引导学生对所学知识进行深入挖掘,强调学生自主学习能力培养[3]。传统型教学方式重视基础知识讲授,教师在单片机教学中应将研究型与传统型教学方式合理结合,既侧重基础知识讲授,同时也要引导学生积极思考、勤于实践,为以后工程实践活动打下坚实理论基础。
2.2充分利用多媒体
目前,单片机教学中已普遍采用多媒体技术。计算机图文声像并茂的特点对激发学生学
习兴趣有一定积极作用,多媒体使课堂教学不再枯燥,但学生从多媒体演示图片中也只知其然而不知其所以然。因此,在使用多媒体教学中,还需要结合单片机开发调试软件,比如Keil等,实时演示程序设计过程中每一条指令执行后单片机数据存储器、程序存储器、寄存器的变化,以及PC如何引导指令的执行顺序等。
2.3在单片机课程教学中引入Proteus软件
单片机课程内容复杂抽象,为在最短时间内,将单片机基本知识和应用实例立体化呈
现给学生,笔者在课堂教学中引入Proteus。Proteus软件是一款包含大量系统资源、丰富硬件接口电路,具有强大调试功能和软硬件相结合的仿真系统[4],它在单片机系统开发中占有极重要地位。
在课上,老师可以使用Proteus软件,先将实例电路原理图画好,然后再将程序源代码装入单片机仿真元件中,在仿真系统运行过程中,学生能看到跟实际电路板一样的运行效果,这样将使抽象的单片机软硬件设计过程具体化、形象化。学生在课堂上不仅能看到单片机应用电路搭建画面,还看到了调试过程,再加上老师的详细讲解,这非常有利于提高学生的学习兴趣。教学实践表明,Proteus的应用,不仅能有效解决单片机教学中理论知识讲解和实际应用脱节的问题,还能增强教学的生动性,提高教学效率。
3.实验教学内容的改革
单片机课程实践性和应用性很强,因此教学上不仅要培养学生具备扎实的理论基础,还要注重实践教学,培养学生动手能力和应用能力。
3.1合理安排实验内容
实验是将课堂理论知识转化为实践能力的重要环节。在保证实验教学课时的基础上,适当提高综合设计实验在实验环节中的比重,以培养学生综合解决实际问题的能力。另外,教师在实验前将指导书及实验任务提前布置给学生,让学生利用Proteus仿真软件在计算机上搭建硬件电路,然后根据实验指导书中实验内容编程调试,调试成功后再到实验室进行硬件验证。这样做可以节省实验时间,同时也能让学生掌握仿真软件的使用。
3.2加强课程设计环节,提高系统设计能力
课程设计是培养学生单片机相关应用系统设计与开发能力的重要环节。单片机课程设计应以学生为主体,设计题目要多样化。学生选好题后,先查找资料,确定设计方案,然后利用Proteus设计硬件电路,并通过Keil进行编程调试。仿真调试成功后,再购买电子元器件,进入实际系统软硬件开发流程,最终做出实物。通过扎实的训练,学生基本可以掌握单片机产品开发流程,为毕业后走上相关工作岗位打下基础。
3.3引导学生参加科技竞赛
单片机作为一种通用的微控制器,非常适合应用到各类科技竞赛中去。组织一些学习兴
趣浓厚、基础扎实、创新能力较强的学生参加省级、国家级各类科技竞赛。实践证明,该方法能调动学生学习积极性,激励学生更深入的钻研单片机系统开发相关知识。目前,我校成立了创新实验室,在平时让实验室成员自己选购元器件,进行相关系统开发训练,积累经验,指导老师给与必要技术支持。近年来,实验室学生参加了多个电子设计大赛、机械创新设计大赛等,均获得了不错的成绩,这些对教学工作产生了积极的影响。
4.考核方式上的改革
目前,单片机课程考核是由平时成绩、实验成绩和期终成绩三部分组成,期终测试重点考核理论知识,而且通常采用闭卷考试。这种考试形式会使学生误以为学习单片机只需死记硬背知识原理即可。改革后的课程考核结合开卷考试、实验考试和开放性自选作业考核三种方式。改闭卷考试为开卷考试是由于单片机课程是一门偏应用性课程,它侧重于学生对单片机的掌握并将其应用到实践中的能力,而不强调学生对知识点的记忆,开卷考试更能考察学生对知识灵活运用能力。同时,借助实验环节考核,来加强学生动手实践能力培养。最后在平时布置些开放性作业,让学生自由选择。开放式作业大多是让学生借助Proteus软件完成一些小的作品设计。仿真软件的使用让学生不再受限于有限实验课时和实验设备,使其能够更加灵活深入地学习单片机知识。
关键词:逆向教学 五年制高职 单片机技术
教学方法的研究一直是教育界研究的热点和重点,威斯顿和格兰顿的教学方法将教学方法分为四大类:教师中心的方法、相互作用的方法、个体化的方法、实践的方法;李秉德教授按照教学方法的外部形态,以及相对应的这种形态下学生认识活动的特点,把教学方法分为五类:以语言传递信息为主的方法、以直接感知为主的方法、以实际训练为主的方法、、以欣赏活动为主的教学方法、以引导探究为主的方法。笔者认为逆向教学法是一种以引导探究为主的方法。
作为承担职业技能及人文素养培养的职业学校,由于当前社会观念、家长观念的影响,生源质量普遍比较低,学生的学习积极性不高。如何提高学生的学习兴趣,提高其技能水平是职业学校教师探索热点之一,在目前课程改革的影响下,各学校开展新一轮的教学方法研究。我认为从人类思维的规律入手,来研究教育教学方法比较有实际效果。据专家分析,人的思维活动具有方向性,有正向思维和反向思维,但人们往往习惯于按照熟悉的常规顺序作正向思维,而逆向思维,皆逆于人们的习惯性思考的路线法去思维。而本文提到的逆向思维教学法,就是改变过去完全按照教材的顺序进行教师教学的方法,而是创新出另一种现代化教学方法。下面就我自己在五年内单片机教学过程中有关逆向教学法使用做如下总结。
一、单片机课程在五年制高职专业课程中的地位
单片机课程是许多五年制高职校电类专业的核心专业基础课。这是一门实用性强、应用面广,将电子技术与计算机技术紧密结合、硬件与软件相联系、理论与实践并重的综合性专业基础课程。单片机课程融合了数字电子技术、控制技术、通信技术、软件编程和计算机应用等知识与技能,虽然将单片机定位为专业基础课程,但是单片机技术课程,不仅在培养学生的逻辑思维、模块化设计思想以及任务分析、方案确定、任务分解、综合技术应用能力方面起着重要的作用,而且在培养学生的创新意识、分析和解决实际问题的能力,以及工程实践能力等方面,发挥着积极的作用。
二、单片机课程的传统教法和逆向教学比较
传统的单片机课程的教学方法是重理论,轻应用,理论与实践不能紧密结合。通常的教学实施过程是:教师课堂讲授,学生学习理论;在所有的理论知识学完之后,再通过相关实验或课程设计来补充实践环节。这个实施过程就导致,学生的理论知识不能系统的应用于实践,知识得不到及时的巩固。有的高职校又由不同老师分别担任理论课程和实验环节,这更妨碍了学生学习过程中知识的系统性掌握。
因此,这种传统的教学法中,教授的秩序是由因到果,先理论后实践。老师是课堂的主宰,学生只能被动的接受。学生一切以课本为中心,理论知识枯燥无味,实践环节束手无策。另外,最后教师对课程考核是采取理论答卷,以理论成绩为主,体现不出学生解决问题的能力。学生习惯于被动学习,独立思考能力,独立学习能力以及独立应用能力得不到锻炼,这不能满足五年制高职培养高素质应用型人才的培养目标。在传统教学方法的基础上,人们提出了项目教学等方法,由于人们综合各种教学方法优点,有时候比较容易混淆。项目教学法主要采用项目为引导,可以先展示结果然后逐一讲解,亦可按照传统方法教学。能有效地将各类知识进行归类,但项目教学法不是每个章节、知识点都适合使用,它比较适合在已经具备一定知识的基础上开展研究,尤其适合应用于实验类项目学习
而单片机技术的“逆向教学”就是由果而因,指的是以教师为主导,学生为主体,在既定学习目标下,通过“提出问题―分析问题―解决问题―得出结论”的教学模式,以教师指导下的学生自学、自练、自估为主,使教学过程成为师生共同参与的过程,能有效激发学生探索知识的欲望。
三、单片机采用逆向教学实施途径
我系在开设相关课程的同时,积极进行企业调研,邀请企业、行业专家参与到课程标准的修订中,力求使培养的学生达到企业要求,并能为学生的二次提升创造条件。作为专业核心课程的单片机,我在教学过程中使用的逆向教学法是结合单片机的课程标准,从课程的学习目标出发,以企业要求为基础,在教研室全体成员提出的有效课程设计指导下,采取灵活多样的课堂教学组织方法,来达到课程的教学目的。以下是我对逆向教学法在单片机课程中应用体会。
1.教师如何进行教学设计
以单片机端口应用实施过程为例。单片机端口应用涉及到单片机的4个端口,每个端口的功能,端口使用的方法等知识。那么教师在进行教学设计的时候,可以选取端口的常见应用,比如在p1口上接一些led灯,使其出现不同的亮灭组合,通过这些直观的现象来激发学生的学习热情和探索未知领域的好奇心。在这个既定的实现目标下,逐步引导学生如何来实现?那么,在整个知识点的教学设计中,可以由浅如深,选取适用的小案例,逐渐来引出最后的教学目的。
2.教学过程如何实施
有了有效的教学设计后,下面要做的就是在教学设计的指导下,开展教学。端口应用的教学设计做好后,在实际上课过程中,首先我会将班级学生分成小组,如我所教的班级共计45人,我采取每三人一组,设小组长负责制。提前一周告知学生下周会出现的试验现象,并将试验报告要求(见下图)让学生认真填写,其次在下次上课的时候以最后的试验现象为引导,对学生提出问题“如何来实现”,并让学生利用课后的自我思考,提出自我实现试验的方法。在这个过程中,我会将所有的思路进行班级黑板公示,并让学生自我评价方法的投票。最后,总结归纳实现目标的途径,并对每种方法进行分析。这个过程中,教师对学生的学习行为、学习方法不要做硬性规定,教师应打破传统的教学方式,“教无定法,学无定式”,让学生行动起来。积极主动的搜索相关资料,来完成自己的学习任务,达到自己的学习目标。
3.教学评价如何给出
教师最后应对学生解决问题的方式方法做适当评价。学生的学习过程,是一个探究的过程,教师从教学结果开始,告诉学生课程的学习目标,学生进行有目的的学习。最后的教学评价教师如何才能全面公平的给出呢?这就要求教师对所教内容所要达到的教学目标要很清楚,对教学实施过程中学生的学习行为要很了解,而且最好要把这种学习行为量化。无妨多鼓励在学习过程中具有许多创造性学习行为的学生。
4.学生综合成绩如何评定
在学生成绩评定过程中,我们改变了原有的以试卷成绩作为学生水平的评定方法,采用班级各小组互评占20%,小组长评分15%,小组内互评5%,教师平时试验评分30%,综合试验评分30%,同时在试验评分中融入了学生职业素养,占试验评分10%。通过量化的评价方法,有效提高学生参与试验的积极性。具体量化表格如下:
综上所述,这4个教学环节能牢牢把握,那么就实现了“学生在教师的引导下,为实现课程既定目标,先详细分析问题,再找到实现方法,最后达到学习目的”的逆向教学。
四、结论
师者,传道授业解惑也。这是对传统教学的精辟概括。在单片机的教学中,采用逆向教学,不从教材出发,发挥学生的学习主体作用,让学生从被动学习专成主动学习。能系统的学习单片机课程,理论和实践能有选择的逐步深入。单片机的逆向教学旨在培养学生如何分析问题、解决问题的能力,促进理论和实践相结合,有助于他们在今后的职业生涯中获取新的知识,解决新的问题。这对其今后的学习拓展、创业能力、创新能力都能起到很好的培养作用。
参考文献:
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【关键词】单片机;教学改革;项目
单片机技术是自动化领域一门应用非常广泛的技术,它综合了软件编程和硬件电路设计等技术,技术含量比较高,是自动化专业学生必修的一门课程,是技术应用型人才培养的需要。现在单片机技术发展很快,然而如今很多高等院校的单片机课程教学没有作出相应调整,导致学生的学习效果达不到要求。现在各大院校都提倡基于工作过程的新型教学方式,实践已经证明这种方法是可行和先进的。现在各种大学生电子设计大赛每年有许多,这些比赛项目都是基于单片机来完成的,每个大赛都吸引非常多的学过单片机技术的大学生参与,这就给了学生一个主动学习和应用单片的机会。为了取得更好的学习和教学效果,满足单片机企业用人要求和社会应用要求,应该对单片机课程教学进行实践和授课方法改革。
1.单片机目前教学情况
“课堂授课讲原理,中间穿插几个硬件实验”是现在大多数学校的教学方式。现在这种教学模式存在许多不足,学生学习没兴趣,不主动,仍是填鸭式教学,没有给学生自己动脑,主动开发的训练过程,不能培养学生整体设计和动手能力。
1.1 教学实验设备单一
目前高校配备的实验设备一般是综合了十几项实验内容的实验箱,学生可以通过实验加深对理论知识的理解。但这类实验箱最大的问题是无法提供高质量的动手环境,这些试验箱都是根据实验项目已经将硬件连接好了,学生只需要根据要求简单连线就可以使用,因此学生动脑和动手的机会非常少。由于线路已固定在实验板上,学生不能自己的设计并改变线路,具有一定的局限性。
1.2 教学与实际应用不符
目前的教学方法基本都是以讲授理论为主,使用的编程语言主要以汇编语言为主,但使用汇编语言有一些局限性,主要表现在[1]:编程效率低,学生学习难度大;语句抽象,可读性差,学生难理解;代码结构复杂,难以维护、更新;对硬件结构依赖较大,难以实现在不同种类和系列单片机之间移植。这些问题造成了教学效果不太理想,导致学习单片机的学生不少,但真正能动手实际操作的人却非常少。
1.3 教学效果不理想
作为高校,尤其是地方本科院校,主要任务是为地方培养应用型人才,要求学生具有较强的实践能力、一定的理论基础和团队协作精神。然而,传统教学模式下,学生上课的大部分时间都在接受较为枯燥的理论知识,然而只靠死记硬背是很难掌握单片机技术的。因此,传统授课方式下学生学习效率特别低,甚至有的学生在学完单片机课程后,也不知道单片机到底有什么用处,怎么用。这是单片机课程当今所存在的另一大弊端。
2.单片机课程教学改革
2.1 以C语言作为主要编程语言
C语言作为一种结构化的程序设计语言,它是程序开发工具中使用最广泛的一门编程语言,C语言具有很强的功能性、结构性、可移植性。与汇编语言相比,C语言具有以下特点:用C语言编写程序比汇编语言更符合人们的思考习惯,有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高,可读性好,可移植性好。[2]
学习单片机技术这门课的自动化学生都在之前已经学习了C语言,因此,选用C语言作为单片机编程技术对于学生来说编程就变得轻松许多。更重要的是,单片机技术发展到现在,单片机相关行业的公司大部分采用C语言开发环境,因此,使用C语言作为单片机的编程语言也是为学生以后更好地就业打好基础。
2.2 基于电子设计的C语言为主要编程语言的单片机技术教学改革方法
自动化专业单片机现在的授课方法大多是每章节都安排大量理论授课,在最后几周安排大约4-6个相关实验,在最后一周做一个课程设计。这种教学方法忽略了平时授课过程中训练动手能力的环节。都是在讲完了理论后再去动手做实验。实践证明这样教学效果比较差,因为学生平时就没有真正掌握单片机技术,最后做实验也只是模仿,而不是根据自己的理解主动开发,甚至有的学生根本就不知道要做什么东西,怎么做。这样的结果不可能培养出学生较强的动手能力。
在单片机课程中也可以采用以电子设计项目为实现目标的教学方法。这种教学方法围绕电子设计项目展开,以电子设计项目的开发步骤作为教学顺序,将单片机的知识点穿插到实现项目的过程中,引导学生边做边学。项目由易到难编排,每堂课的教学任务就是完成一个项目产品或项目的一部分功能,其中涵盖单片机相应的理论知识。当把所有的项目完成之后,既积累了动手实践经验,又掌握了单片机的理论知识点。这种在“用中学,学中用”的方法才是能真正掌握单片机技术好方法,这在参加历届各个电子设计大赛的学生身上已经得到了验证。
另外,选用C语言作为单片机编程语言。但是,PC上编程的C语言和单片机上使用的C语言在写程序时还是有一定区别的,因此,在讲解应用C语言进行单片机编程时,重点在三个方面:一是尽可能地做到概念明确、清晰、准确;二是紧密结合单片机实际,多举例子;三是讲一些应用中的经验和体会。
为实现良好教学效果的目标,授课可以分以下几步进行:
(1)项目描述。选取贴近生活的电子产品,或往年电子设计大赛学生作品,针对作品讲解。
(2)项目分解。将项目内容分成硬件设计、程序编写、调试程序等环节,各个环节再细分成不同的功能模块,这样学生可以了解整个项目是如何完成的,有一个整体概念。
(3)理论知识重点讲解。让学生了解并掌握要做项目的原理。
(4)分组实验。按照电子设计比赛要求自由组合成若干项目组,根据所学知识实现项目。若碰到难解决的问题,鼓励项目组成员通过讨论,查阅资料自己解决,实在解决不了再询问老师,这样既锻炼了学生的动脑、动手、自主思考的能力,也培养了学生的团队协作精神。
(5)评价总结。结合项目实现目标要求评价硬件、软件完成质量;小组演示汇报任务开发过程及结果;按评分标准对各组进行评价,形成最终评价结果,作为平时成绩备案,给学生一个积极动力。
2.3 基于电子设计项目为教学方法要注意的地方
采用项目教学法授课,每个项目会直接影响教学效果,因此,对于设计哪些项目、各个项目之间的链接有十分重要的关系。[3]
第一,项目要以学生的实际水平设计难度。设计的要实现项目,应充分考虑学生的知识水平、认知能力,保证能够完成每个子项目,从而尽量能完成整个项目。
第二,每个项目要有明确的目标。将每个项目细分成一个个小的项目,通过完成小项目来逐步实现总的学习目标,对于大的项目采取分组学习讨论。
第三,在项目教学法中,应以学生为中心。教师要进行角色转变,整个教学过程中,要突出学生的主体地位。
3.结束语
采用C语言进行单片机教学,大大提高了课堂学习效率与学生对单片机的学习兴趣;采用基于电子设计项目的教学方式,将单片机各部分内容融入各个讲解的项目中,让学生在做项目的过程中不断寻找问题,找到问题再通过学习理论知识解决问题,最终实现每个要求的项目,一个个的新项目完成,到最后整个单片机知识也就掌握了。
我校自动化专业单片机技术的教学,使用基于电子设计的C语言单片机教学收到了良好的效果。实践证明,理论够用,重在实用。这是进一步培养应用型人才教学改革的一个方向。
参考文献
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[2]董蕴宝,潘旭君.浅谈C语言在单片机中的程序设计[J].科技信息,2009(13):59.
关键词:卓越工程师;计算机控制系统;教学改革;实践
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)23-0031-02
东北电力大学作为一所以工为主、电力行业特色鲜明的省属院校,于2011年10月入选教育部第二批卓越工程师教育培养计划高校,自动化专业是东北电力大学实施“卓越计划”的重点学科之一。旨在通过教育和行业、高校和企业的密切合作,以实际工程为背景,以工程技术为主线,着力提高学生的工程意识、工程素质和工程实践能力。[1-3]计算机控制系统、计算机控制系统课程设计、专业方向课程设计等环节为自动化专业的专业必修课,在控制理论和计算机控制技术的基础上,面向计算机控制系统的理论问题和工程实践需求,使学生掌握控制理论工程应用方面的基础知识和工程实现方面的技术能力。为了积极响应东北电力大学“272工程”提出的优质课程改革与建设工程实施方案,同时以培养卓越工程师为目标,加强计算机控制类课程的建设质量,提高学生学习的主动性和积极性,培养学生的探索意识和科研能力,增强学生的职业综合能力,针对计算机控制系统课程的课堂教学、实践环节以及学生工程应用能力培养方面做了一些工作,现在介绍教学改革中的一些体会和经验。
一、优化整合课程教学内容
计算机控制系统课程涉及知识面广且集成度高,从控制算法到系统硬件,从基本理论到先进技术,从微型计算机控制系统到集散控制系统现场总线技术,既有理论方面的知识,又有实际工程应用方面的要求,要想在一门课中把这些知识点都包括进去,既不可能,又不实际。[4]为此对教学内容进行了优化整合,遵循的基本原则是理论联系实际,兼顾基础性和工程实用性,把控制原理和典型应用相结合、软件和硬件相结合,并通过各个教学环节之间的紧密联系,使学生掌握计算机控制系统的组成和特点、数字控制器设计的原则和应用技术、复杂控制规律的原理和应用场合以及计算机控制系统的硬件、软件的选择、配置和设计。
经过整合后,课程主要内容包括:以数字控制理论为主体,区别离散控制与连续控制的不同点;数字控制器的设计,控制算法与编程;复杂控制规律系统的设计及应用场合;计算机控制系统的设计与实现。
在课堂教学中穿插介绍应用实例,例如计算机温度控制系统、计算机技术在电厂中的应用,让学生将枯燥的理论知识同实际应用结合起来,从整体设计到软硬件设计再到系统仿真与调试,使学生对计算机控制系统设计及应用有一个全面的认识。为了保证理论体系的完整性,还需要实验、课程设计、实习等实践环节的配合,以补充课堂上不能完全呈现的内容。
二、丰富教学手段和方法
在理论教学方面,尝试采用基于项目的研究性教学模式,采取以问题为导向,以作业、专题研究报告、组织研讨课、研究性实验报告等为载体的探索式教学模式。[5]教学方法上,以开拓学生学习兴趣,积极主动获取知识为主,教师正确引导和总结为辅,变学生被动学习为主动学习和课堂内外多途径获取新知识的方式。[6]
在教学手段上,开发了多媒体课件,将传统教学同多媒体、FLASH、网络等现代化的手段相结合,使教学内容更加形象直观,易于理解。另外,将仿真技术引入到教学中来,进一步丰富教学手段。仿真教学包括制作仿真型课件供课堂教学使用,编写或利用具有仿真功能的软件进行仿真实验。[7]例如对设计好的数字控制器进行验证,从理论上讲解显得很枯燥,学生理解起来也困难,可利用仿真软件对控制系统进行仿真,学生可直观地看到控制效果,加强感性认识。
在课堂教学中,采用知识点讲授、课堂讨论和测验、工程实例分析相结合的方法,注重师生之间的双向沟通,处理好概念与应用之间的关系,做到层次分明、精讲多练。以形式多样的大作业为载体,鼓励学生探究式学习。[8]
第一,在教学过程中,当讲解完数字控制器的设计、复杂控制系统等知识后,以大作业的形式,让学生对课后习题进行仿真练习,一方面验证理论计算的结果,另一方面提高学生的软件编程能力。
第二,利用丰富的网络资源和图书馆的数字资源,让学生检索查阅计算机控制技术在电厂过程控制中应用的文章,包括PID参数优化、PID在电厂热工过程中的应用、前馈-串级控制技术的应用、Smith预估控制技术的应用等研究方向,锻炼了学生的文献检索能力。
三、多层次实践环节相辅相成
实践环节是课程学习的重要内容,实践能力特别是系统性的综合实践能力是自动化专业本科学生的必备素质之一。[9]实践环节的设置在内容上应力求做到理论联系实际,重视工程概念及其在实际问题中的应用,注重培养学生应用所学知识解决实际问题的能力,进而提高学生的的工程意识、工程素质和工程实践能力。[10]本课程设置了实验课、课程设计、实习、毕业设计和课外科技活动等实践环节,在内容上兼顾对知识的覆盖程度,难易程度循序渐进,做到实践环节之间相辅相成,实现递阶性、系统性的培养模式,对理论课进行有效的扩充和延展。
1.实验教学的改革
实验教学采用启发式实验教学方式,应以工程素质为基础,突出能力目标,以学生为主体,以项目为载体,以实训为手段。[6]以往实验多为验证性的,缺少让学生自己动手设计并调试数字控制系统,因此增设了一些软件仿真方向的综合性、设计性、研究型的实验内容。根据理论课的教学进度,穿插了5个基础实验,包括A/D转换、D/A转换、数字PID调节器、纯滞后补偿控制系统设计和步进电机转速控制。由实验指导教师讲解实验台的操作、通信接口的功能、软件编程的技巧等,然后由学生动手搭接硬件电路完成系统连接和算法编写,及时巩固了理论知识,又提高了实践动手能力。
2.课程设计的改革
课程设计是教学计划中进行综合训练的重要实践环节,它将使学生在综合运用所学知识解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。[10]本课程设置了计算机控制系统课程设计和专业方向课程设计两个课程设计,分别在开课学期和大四上学期进行。为了实现课程设计的多样性,在原来课程设计的基础上又增设了一些设计题目。第一,以倒立摆系统和水箱为被控对象进行控制系统的设计,并通过MATLAB软件进行编程仿真验证控制策略的有效性;第二,利用单片机设计并开发能自动循迹和调速的电动小车控制系统,完成硬件电路的设计、软件设计和实物制作等。在专业方向课程设计中,与计算机控制技术相关的方向有计算机控制方向、DCS方向、过程控制方向等,学生可根据兴趣选择不同的方向完成课程设计。例如,计算机控制方向要求学生根据给定的性能指标设计一个离散控制系统,并采用MATLAB仿真从时域和频域对比校正前后系统的性能,分析得出结论。通过课程设计的合理设置,达到了“软硬兼施”的目的。
3.毕业设计和实习
理论课、实验课和课程设计学时有限,要想全面提高学生综合实践能力和计算机控制技术的应用能力,还需要通过毕业设计和实习等实践环节进一步强化。通过数字PID控制算法及仿真研究、电厂锅炉燃烧模糊控制系统的设计、神经网络在PID控制器参数整定中的应用、基于PLC的火电厂输煤程控系统设计、基于单片机的交通灯控制系统设计等综合性毕业设计题目,让学生得到更全面的锻炼。
自动化工程学院与国电吉林热电厂、丰满发电厂等企业建立了良好的合作关系,在大四下学期学院组织学生去企业参加认识实习,同时到学校电力运行仿真中心进行仿真实习,使学生熟悉电能生产、输送的整个过程,了解电厂 DCS系统的组成和运行,对过去所学的专业知识能够进一步加深理解和融会贯通,也得到了操作技能的训练,毕业后能很快适应生产现场的需求。
4.开展丰富的课外科技活动
在“以教师为主导,以学生为主体,以政策为导向”的指导思想下,学院在2007年成立了自动化创新实践基地,下设创新制作研究室、建模与仿真研究室、机器人研究室和炎火工作室四个研究室,组织学生开展了丰富的课外科技活动。在教师的指导下,学生们充分发挥了创造力和想象力,灵活地运用了本门课程中学到的知识,如数字控制器的设计、先进控制算法的仿真、单片机测控系统的设计等。建模与仿真研究室指导学生使用MATLAB软件编程实现数字PID参数的整定、控制系统的数字仿真等,同时让学生提前学习先进控制算法,如模糊控制、神经网络控制、遗传算法等用于控制系统的设计。另外指导学生进行PLC程序设计,参加全国西门子杯工业自动化挑战赛,使学生开拓了视野。创新制作研究室指导学生进行单片机测控系统设计,参加全国挑战杯科技作品大赛、全国大学生电子设计竞赛并取得了较好的成绩。
四、结束语
计算机控制系统课程有着更新快、实践性强的特点,因此对于课程内容、教学方法、实践环节等的改革是永无止境的。虽然在计算机控制系统课程改革中取得了一些成绩,积累了一些经验,在今后的实践中会进一步探索和完善该课程的授课模式,丰富理论授课内容,引入更多的工程实例,强化实践环节让学生得到更多的锻炼。在学校“卓越计划”的培养目标下,要面向企业,树立理论联系实际的思想,强化实践教育,注重工程实际应用,及时更新教学内容,积极创新教学方法和教学手段,为培养合格的高素质的卓越工程师奠定基础。
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关键词:嵌入式技术; 教学方法
0前言
嵌入式技术是当今计算机技术中发展最快最热门的技术,嵌入式技术在当今得到了极其广泛的应用,已深入到各个应用领域,几乎是无所不及,主导应用的潮流,以致一些学者断言嵌入式技术将成为后pc时代的主宰。另伴随着巨大的产业需求,我国嵌入式系统产业的人才需求量也一路高涨,嵌入式开发将成为未来几年最热门最受欢迎的职业之一。嵌入式课程也在各个高校中逐步展开,我校《嵌入式技术与应用》课程在2009年12月作为校级精品课程申报,于2010年3月被批准为校级在建的精品课程,精品课程的建设过程中遇到许多的困难与问题,精品课程的建设过程也是我们解决这些问题与困难的过程。我们主要从以下几个方面做了一些工作。
1有针对性的制定培养目标,确定对学生的职业能力要求
嵌入式技术的涉及领域有几个方面常见的智能仪表、工业控制领域,机顶盒、路由器等方面的应用,个人电子产品的应用(这些产品往往需要友好的gui图形界面),高端智能设备(涉及到智能机器人,医疗仪器、军事领域,航空航天领域)。为此,我们基于本专业学生毕业后大多就业于珠三角和长三角及湖北地区的中小型企业的现实,我们将学生将来就业的定位于中小型企业,经过我们专业教师的调研,我们对这些企业技术部门设置的岗位及岗位要求有了较好的认识,我们对每一个嵌入式行业相关必需具备的职业能力进行分解,然后再分析选取相应的教学内容,对不同的应用岗位所对应的不同的能力与知识要求作出了归纳与总结(如图1),为教学目标与教学内容的确定提供了依据。
图1职业岗位与能力要求
2让课程具有非常强的时效性,本课程是近来才刚刚设立的一门新兴课程,应该让学生接触与掌握社会上最新和最前沿的应用技术
it领域的新技术发展令人应接不暇,虽然大学生在校期间需要学习的都是一些基础知识,但他们毕业走向社会后,必然要面对这些新技术,如果我们的教学内容陈旧,就会加长学生毕业后的适应周期;如果我们能够提供给学生更多接触这些新知识、新技术的机会,就会使学生毕业后能够迅速地融入到社会实际中。同时也能使我们的教学内容与这些新技术基本保持同步。
例如,在以往单片机的学习中只涉及到静态存储器的扩展,而在嵌入式系统中就会使用到动态存储器ddr技术,ddr技术的动态刷新、行列扫描和地址线的接法上都是比较新又比较有有用的技术,会让一些没有经验的学生感到困惑,在教学过程中,我们利用s3c44b0x芯片来构建最小系统的过程中来教给学生动态存储器的使用(如图2)。
图2 sdram hy57v641620与s3c44b0x的硬件接口电路
3本课程是一门综合性的课程,要学会它,必须能够综合应用计算机专业中所学的几乎所有软硬件技术
本课程会应用到计算机专业中所学的几乎所有软硬件技术、模拟电子技术、数字电子技术、计算机组成原理、c语言程序设计、单片机技术、微机原理、面向对象的程序设计、计算机操作系统原理、linux操作系统的应用等多种知识,这些知识在嵌入式系统中都会有所应用,嵌入式系统就是这些知识的综合体,实际上,嵌入式系统为学生掌握计算机技术提供了一个非常好的平台,要想很好地掌握嵌入式技术也必须掌握好这些知识。要让学生掌握这么多的知识就必须在项目中去学习,对教学内容与方法进行设计。针对学习的不同阶段,设计不同的项目与其对应(如图3),让学生在实践中体会这些知识的作用,掌握这些内容,以避免教学内容的枯燥。
图3 不通阶段都有对应的实践
4课程的实践性很强,在传递知识的同时要更加注重培养学生的实践动手能力,让学生积累经验
在教学的各个阶段中都安排有不同实践任务,让学生的能力由初级到高级逐步提升,在教学的最后还安排了课程设计,进行综合的 实践(如图4)。分层次逐步提高,由易到难,逐步综合首先让学生掌握基本的知识与技能,难度大的知识先放一下,在实践教学中通过实例来讲解,使学生更容易理解,采用直观、生动的教学方法 将知识与能力目标融入到具体的项目中以培养高等技术应用型人才为根本任务,将加强应用能力训练作为课程各项改革建设的中心 引导学生将“学”与“做”相结合,以达到学以致用,建立以“递进式模块化”的课程内容 ,初级阶段有基本实验、中级阶段有实训课程、高级阶段有课程设计任务。
图4 由简单到复杂的训练方法
5积极开展课程设计,进行综合性的训练
例如,自制基于s3c4510的嵌入式系统及jtag下载烧写工具。设计内容:在老师指导下设计s3c4510系统的原理图、pcb板图以及jtag线缆的原理图与pcb板图,亲自买元件、制版、焊接、调试。编译、固化uclinux;完成jtag烧写程序的编写,可以用标准c,也可以用vc,也编写linux系统下使用的版本。
图5自制基于s3c4510的嵌入式系统及jtag下载烧写工具
图6 自制jtag下载烧写工具原理图
关键词:项目教学法;数字传感器;可编程
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)33-0160-02
传感器与检测技术是一门理论性和实践性都很强的课程,而可编程序逻辑是对数字电路开发的软件化,深刻掌握有一定的难度,这两门课具有很大的关联性,如果有一个能将其结合的实际项目并做成课程设计,必能将教学实践引向深入。社会实践活动中对现实的感知都是模拟信号,而计算机处理的信号却是数字信号,所以大部分学生普遍反映对传感器的学习感到困y,虽然老师在课堂反复强调模拟信号转换为数字信号的优越性,并用A/D转换器做演示,但是教学效果却不够理想;同时可编程序逻辑主要讲解数字电路的硬件编程,应用的仿真软件有Quartus和XiLinx等,但是没有实际的电路设计,显得空洞无物,学生感觉不到太大的兴趣。为了改变目前的现状,我们引入了项目教学法, 指导学生开发一种将模拟信号转换为数字信号统一格式的传感器:基于I2C协议传感器的开发,因为是实际的项目,所以肯定有一定的难度,为此老师将自己开发的框架传授给学生,通过学习,学生对模拟信号数字化的统一格式有了深入的了解,对传感器与检测技术和可编程序逻辑这两门课学习兴趣大增,效果显著。
1 什么是项目教学法
项目教学法是以教学为主,完成项目为辅的一种教学方法。项目要有针对性,又不失其创新型,学生在创中学、学中创,既加深了学生对课本的理论知识的掌握,又锻炼了学生解决实际问题的综合能力。该教学方法中教师起组织、指导、帮助和促进的作用,学生通过该项目进行学习,对课程有一个全新的理解,能快速掌握难点和重点知识,增强了学生的沟通能力以及工作能力的独立性、创新性,对其将来的就业和工作大有裨益。
2 课程综合教学采用项目教学法的优势
按传统教学方法讲解传感器与检测技术就是讲解各种传感器的定义、工作原理和用途,带有一定的公式化,没有编程和仿真软件的演示,即使做成动画或者使用实物的图片,学生只能凭想象,无法深入理解,学习效果不太理想。可编程序逻辑既是一门硬件课程,又明显具有软件课程的特点,理论讲解就好像讲解一门新的语言类课程,完全不能让学生体会硬件效果的独特优势。采用项目教学法,做成课程设计,先讲解I2C协议,按协议开发传感器,将模拟信号转化为数字信号,采用独特的通信方式与单片机通信,而协议的开发则采用可编程序逻辑进行开发,不需要购买零碎的电子元器件,只需要一块可编程电路板和A/D转换芯片。基于传感器与检测技术和可编程序逻辑这两门课程综合教学的项目教学法,将传感器和可编程技术的理论和实践有机地结合,打破了传统的按章节学习理论、通过考试再进行实验操作的固有方法,吸引了学生的注意力,增强了学生的学习兴趣,提高学生的主观能动性进而提高了教学效果。
3 项目制定
1)理解I2C协议:I2C(Inter-Integrated Circuit内置集成电路)协议只需要两根总线,一根是时钟总线SCL,一根是数据总线SDA,用于连接微控制器(MCU)及其符合I2C协议的设备,是传感器数据传输领域广泛采用的一种总线标准。它采用的是同步通信方式,不同的传感器有自己的I2C地址,采用地址识别传可以连接多达128个传感器,传输的速率标准模式下可达100kbps(千比特/秒),快速模式下可达400kbps,高速模式下可达3.4Mbps(兆比特/秒)。智能化传感器多采用I2C协议,它们传输的是数字信号,而实际检测的信号是模拟信号,需要采用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号,同时传感器有器件地址、寄存器以及协议逻辑,甚至伴有智能化的滤波算法对转换的数据进行处理。I2C通信协议:主要是波特率的设置和电平的规定。可编程控制器控制时间精确,完全满足I2C通信波特率的设置。
2)信号的采集:可以采用可变电阻分压的方式,也可以用一般的话筒或耳机的输出接到可编程控制器的管脚即可。
3)A/D转换器的采样控制:传统的采样控制是用单片机完成的,编程简单,控制简单,但是控制周期只能达到微秒(us)级,限制了 A/D高速性能的发挥,采用可编程硬件编程,可以使采样周期达到纳秒(ns)级,而且包括将采得的数据存入可编程控制器的内部RAM。
4)硬件地址:I2C协议通信只需要SDA和SCL两根线,却可以连接多达128个传感器,识别传感器的方法就是I2C硬件地址的选通电路,可编程控制器有此电路,只要对硬件编程即可。
5)寄存器地址:可编程控制器内寄存器丰富,可以存放双精度浮点数据,传感器采集的数据不停存放到寄存器中,并配有寄存器地址,由上位机发出寄存器地址将数据取出;同时,可以将传感器设置成不同的模式,模式数据也存到寄存器,由上位机修改数据后进行模式的配置。
6)滤波算法:算法要求简单,一般采用滑动平均滤波。可编程控制器内存储器多,还可进行多种算术运算;滑动平均滤波是将最新获取的N个数求平均,并将这个平均值作为新的检测数据,它减小了由于干扰引起的数据突变。
4 项目实施
1)教师针对学生情况给学生分组,一个组四名学生,学生没有好坏之分,只有能力方向不同之别,每组搭配学习基础好的、动手能力相对强的、写作能力强的、组织能力稍强的学生组合在一起,互相学习、取长补短,使学生的团队合作精神得到锻炼。
2)教师给出需求分析的伪代码,要求学生学习任务书及分析项目任务的要求,有了伪代码,让学生有一定的思路框架,学生积极性也会提高,学生分配自己任务,对代码进行改进、丰富、完善。
3)教师讲解项目涉及的知识点,要求换位思考,积极与学生互动,学生常常有比较独特的见解,学习上注意多鼓励、勤表扬、不批评,对不良现象当然要批评、引导,为完成任务打好基础。
4)要求严格按项目进度工作,定期和老师交流。
5)在项目实施过程中,教师要善于观察学生理论和实践知识学习过程,提一些具有启发性的问题,引导学生发现问题、研究问题、解决问题,对一些共性的问题还要反思自己的教学方法,对学生要集中指导。开通QQ交流平台,随时随地给学生答疑,督促学生的完成进度。
6)当小组集体完成项目任务后,用已有的单片机与其通信,找出不足之处并进一步的改进,还可以进行小组间的交流,修改直到满意为止。
5 项目评价
将各个小组的设计进行综合,根据采纳的内容评定小组的等级,注意只要能完成一部分功能都将通过本次课程设计。
因为是一个综合性的实践项目,涉及了两门课的重难点知识,既涉及软件又用到硬件知识,所以项目具有一定的难度,要了解开发流程,对自己所在团队的开发过程作出了一部分工作的,都将予以表扬和鼓励。
整体综合是完成项目的关键,老师将选出每个小组的优秀模块进行再融合,并把融合的思路、过程中出现的问题及解决方式介绍给学生,这样开阔了学生的思维能力、培养了学生的创新能力、提高了课堂教学质量,最后要求学生总结学习中的收获和经验,为将来的工作打好坚实的基础。
6 结束语
项目教学法是将实际的项目与学生正在学习的理论知识有机地结合在一起,既让学生掌握了理论知识的重难点,有锻炼了学生的实际操作能力,学生的学习过程是一个主动探索的过程,教师是引导者,学生是主体。本项目教学法是两门课的重难点知识综合的项目教学法,难度高、起点高、要求学生水平高,开始学生有一定的畏难情绪,通过对老师的开发思路和框架深入的学习,学生的兴趣越来越浓,做完后都很有成就感。
参考文献:
摘要:本文介绍了我校对计算机硬件实验课程体系及实践教学环节进行的改革,建立了“基础层-应用层-提高层”三层体系结构的硬件课程群实验体系,并对多层次、系列化的硬件实践教学模式及训练模式进行了探讨。
关键词:硬件课程群;实验体系;实验内容;实践能力
中图分类号:G642
文献标识码:B
我校计算机专业自99级开始进行了较大规模的扩招,但由于师资力量跟不上、实验条件和实验内容相对落后等原因,造成计算机硬件教育存在层次单一、教学内容滞后、理论与实践脱节等问题,学生普遍存在着“重软怕硬”的现象,毕业后硬件设计能力差,软件开发缺少后劲。为提高学生的硬件动手能力,增强毕业生的社会适应性,学院自2002年开始进行计算机硬件课程群建设及相应的硬件课程群实验体系建设,包括“计算机组成原理”等九门硬件课程及5门相关的实践课程。本文对我院计算机硬件课程群实验体系建设及硬件实践教学环节的改革进行了探讨与总结。
1构建科学完整的硬件课程群实验体系
在原有的课程体系下,我院为本科生开设的硬件实验教学课程有“数字逻辑实验”、“计算机组成实验”、“微机接口实验”、“单片机实验”。由于实验条件的限制,各课程实验内容相对独立,综合性、系统性较差;尚有部分硬件主干课程没有对应的实验课程,如系统结构。实验课程体系存在诸多问题。
(1) 缺乏对学生系统设计能力的培养。传统的硬件设计和软件设计相分离的设计方法成为阻碍设计和实现复杂、大规模系统的关键因素。系统平台的搭建、软硬件的协同设计验证和软硬件功能模块的可重用性已成为现阶段设计方法的热点。培养学生具有系统设计的思想成为当务之急。
(2) 缺乏对学生可编程芯片设计能力及EDA技术的培养。可编程芯片与EDA技术是现代电子设计的发展趋势,将可编程芯片设计及EDA技术引入实验教学中是时展的需要。
(3) 缺乏综合性的实践课程,学生的创新能力发挥受限。由于实验条件限制,原有的多数实验是基于纯硬件逻辑设计的,只是在面包板上用器件构建小系统,功能扩展性差;并且只能开设数量有限、技术含量较低的实验,学生无法开展自主的综合性设计,无法进行创新能力的培养。
为此,经过充分调研和论证,我院首先从修改03级教学计划入手,对课程体系中的多门课程进行了调整,同时理顺各门课程间的关系,构建起了新的硬件课程体系。该课程体系由必修课程、选修课程及配套实践三部分组成。必修课包括“组成原理”、“接口技术”、“系统结构”等基础课程。为适应社会需求,在选修课中删去原有的“诊断与容错”等一些过时的课程,增加“数据采集”、“计算机控制技术”、“嵌入式系统”等社会需求较强、实用价值高的应用性课程,同时新开了“模型机设计与组装”、“硬件综合实践”等实践课程。在07版教学计划中,又新增了“DSP原理与应用”、“嵌入式系统实践”等新课程,保证课程体系的实用性与先进性。
硬件系列课程从体系结构上划分为三个层次:基础层、应用层和提高层,其课程间的关系如图1所示。基础层为“数字电路”与“组成原理”。“数字电路”课程虽然在教学体系上不属于计算机硬件系列课程,但它是计算机硬件系统的技术基础,是必修的前续课;“组成原理”介绍计算机的基本组成和工作原理,解决整机概念;通过“电工电子实习”与“模型机设计与组装”两门实践课程,强化学生的硬件动手能力。在应用层中,通过“接口技术”介绍应用层的接口和相关外设,以“嵌入式系统”等四门实用性强的课程作为选修课,每门课程都配有相应的实验环节,并通过“硬件综合实践”、“嵌入式系统实践”强化学生对基础知识的掌握和综合应用。提高层为“系统结构”及“性能测试与分析”实践课程,通过学习和实践,能够使学生比较全面地掌握计算机系统的基本概念、基本原理、基本结构、基本分析方法、基本设计方法和性能评价方法,并建立起计算机系统的完整概念。
在硬件课程群实验体系建设过程中,突出强调课程体系的系统性和完备性。从第1学期到第7学期硬件实验不断线,层次逐步提高,实验内容衔接连贯。注意各硬件实践的相互次序和互补,使硬件实践训练层次化、系列化,以此来系统强化学生的硬件动手能力。同时调整各课程的开设顺序,理顺每门课与前导课和后续课之间的关系,从而保证硬件课程体系的系统性和完备性。
注:所有必修课程与选修课程均开设课内实验,包括验证实验(20%)、设计实验(80%);实践课程单独开设,包括综合实验(80%)、探索实验(20%)。
2改革实验教学内容与模式
计算机硬件系列课程的重要特点之一是工程性、实践性强。为了使学生在学过该系列课程后具备较强的实际动手能力和计算机应用系统的开发能力,应在实验教学内容的设置上体现出基础性、系统性、实用性和先进性,既要重视计算机硬件的基础内容,又要结合当今电子与计算机的最新发展。为此,我们对该硬件系列课程的实验教学内容和教学模式进行了改革创新。
2.1优化实验内容,引进实验新技术,提高硬件设计的效率和兴趣
随着计算机硬件技术的日益发展,各种各样的微处理器不断更新,功能不断增强,以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展,嵌入式系统设计也逐步成为主流。为了使学生跟上时代潮流,了解最新技术,需要不断引入新设备、新技术,提高硬件设计的效率和兴趣。如更新的“组成原理”和“系统结构”实验台,通过RS232串口与PC机相连,可在PC机上编程并向系统装载实验程序,还可在PC机的图形界面下进行动态调试并观察实验的运行,使学生像设计软件一样来设计硬件,做到了硬件设计软件化,大大提高了硬件设计的效率和兴趣。“模型机设计与组装”,将CPLD和FPGA等技术引入,用CPLD来设计复杂模型机。“汇编语言”和“接口技术”补充Windows下设备驱动程序的设计与实现,增加PCI、USB的应用等内容。“系统结构”通过局域网组建小型的微机机群,研究探索多处理机操作系统,试验并行程序的运行与任务分配调控等功能。为适应当前嵌入式芯片的迅速普及应用,新开设了“嵌入式系统设计”课程设计。针对学生已学过多门硬件课程,但仍不能完成一个完整的、可独立工作的计算机系统设计问题,新开设了“硬件综合实践”,使同学亲自体会设计一台微型计算机系统的全过程。
2.2建立“验证型-设计型-综合型-探索型”的多层次实践教学模式
在实验教学内容的改革上,本着“加强基础、拓宽专业、注重实践、提高素质”的方针,将实验项目分为4类,即验证型、设计型、综合型、探索型,实验项目由浅入深,循序渐进。在所有硬件必修和选修课程中,全部开设课内实验。课内实验由验证实验(20%)、设计实验(80%)组成。所有实践课程都单独开设实验,包括综合实验(80%)、探索实验(20%)。这样,课内课程中开设“验证型”和“设计型”的实验,在后续课程设计中,开设“综合型”和“探索型”的实验,形成“验证型-设计型-综合型-探索型”的多层次实践教学模式,系统强化学生的综合设计和硬件动手能力。
在验证型实验中,注重使学生巩固基本理论,进一步掌握基本概念和基本技能。在设计型的实验中,注重培养学生的创新意识、设计能力和动手实践能力。在这一类实验中,以学生动手为主,教师辅导为辅,只给定实验的课题及达到的目的,中间过程需学生自己去查阅资料和设计方案,直至最后调试完成。在综合型实验中,注重培养学生综合运用所学知识的能力,使学生受到更为实际、更加全面的科学研究的训练。综合实验的特点是没有现成的模式可循,学生需要独立完成硬、软件设计和调试。在调试过程中,学生自己动手分析解决实验中出现的问题,虽然有一定的难度和深度,但对学生很有吸引力,能使学生从应付实验变为主动实验,不仅提高了基本操作技能,也发挥了学生的主观能动性和创造性。课程设计的部分内容属于探索型实验,学生可以自主选择感兴趣的课题及相关开发工具,写出设计书,交给指导教师审核后实施。在这一过程中,学生需要查阅大量的资料,培养了学生的自学能力、研究设计能力、独立分析问题及解决问题的能力和创新能力。
2.3确立“系列化硬件实践训练”方案
硬件实践训练由“课程实验-课程设计-综合训练-毕业设计”四个系列组成。课程实验――所有硬件课程都开设。课程设计――在“嵌入式系统”、“组成原理”等重点课程中开设,在这些课程的课内实验中进行部件或模块实验,在课程设计中进行综合性、创新性设计。综合训练――通过“硬件综合实践”展开。该课程安排在大四开设,是一门综合性设计实践课程,也是对前面所学课程的一个全面应用和总结,在硬件课程群建设中起着“总练兵”的作用。通过让学生亲自设计一台小型计算机控制系统,包括计算机的各个部件和功能,“麻雀虽小,五脏俱全”,旨在让学生真真切切感受到如何设计一个可独立工作的计算机系统,强化和提高学生的综合实践能力,培养学生的创新思维和创造能力。毕业设计――每年精选一定数量的硬件毕业设计题目,提供实验场所、设备及材料,让对硬件感兴趣的同学去实现自己的设计,放飞自己的理想。学生以接近于实际应用环境,完成高质量综合设计为训练手段,以掌握计算机硬件结构与应用系统设计作为主要训练目的,使学生对计算机的整个硬件系统有较全面、较系统的掌握。要求学生能够根据需要设计出一定规模的计算机硬件应用系统实例,从模板设计、制作、总线的走向、计算机部件选取、工作原理的分析、部件在模板上的部局、部件的焊接、运算能力的调试、结果正误的判断分析等流程的设计到具体的制作,直至最后写出毕业论文,使学生建立系统的概念与工程的概念。
3结束语
上述改革取得了令人满意的效果。大学生对计算机硬件实验课程学习的兴趣增强了,实验室开放期间,有更多的学生走进了硬件实验室。在毕业设计时,有更多的学生选择了与计算机硬件系统设计和开发相关的课题。学生做完硬件综合实习和硬件毕业设计课题后,普遍充满自豪感和成就感,感到硬件设计及底层软件开发不再可怕。通过这样的训练,提高了其综合设计能力和创新能力,同时也锻炼了他们的团队合作精神,步入单位就能直接胜任计算机应用系统设计、开发的工作,实现高校、学生、用人单位等各方面的多赢。同时我们也应该看到,随着新技术的不断发展,计算机硬件系列课程及其实验体系的建设和实验内容的改革是一项长期不懈的工作,需要不断完善。
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电子技术教学改革实践电子技术的发展日新月异,电子技术产品更新周期快,这就决定了电子技术课程具有知识更新快、走在时代前沿的特点,所以电子技术课程的改革也势在必行。电子技术课程是一门内容多、知识更新快、实践性强的技术基础课,具有基础性、前沿性及时代性于一体的特点。针对其课程性质,笔者结合自身工作实践,做出以下几个方面的分析与探讨。
一、运用现代教育理念,建立层次化、板块化教学体系
基于电子技术内容多而杂的特点,在兼顾了理论教学、实验教学、仿真设计等教学环节后,重新编写了各版块的教学大纲,然后分块设立,有机结合。我们把整个课程划分为三个层次:第一层,基本教学内容。包括的板块:1模拟电子技术;模块2数字电子技术。这一层教学内容为必学。第二层,实践和上机操作环节。包括的板块:3电子技术实验;模块4计算机仿真与设计。这一层教学内容学生必学。第三层,创新环节。包括两个动态板块:《电子设计竞赛》《家电维修实践》。这一层学习内容为学生选修。这三个层次各有侧重点,第一次重基础,第二层重实践第三层重创新,层层深入。
二、优化整合教学内容,掌握电子技术发展新动向
电子技术发展迅速,新技术、新成果、新器件不断涌现。为了适应电机技术的迅猛发展,我们必须在电子技术教学内容上重新整合。在保证基本概念、基本原理、基本分析方法的这一前提下,要精简和整合经典的教学内容,突出教学重点,加强新知识的选择,加强对集成电路的分析及应用,及时跟进电机技术发展的新动向。在有关物理机理的内容中,浓缩二极管、三极管、基本门电路、场效应管等单元器件的工作原理。对不符合电子技术发展的内容,如变压器耦合功率放大电路、阻容耦合电压放大电路等要进行大胆删减。重点内容,如基本电路原理、基本方法要重点讲、反复讲。在各章节教学过程中要以集成电路为出发点和落脚点,加强处理分立元件和集成电路的关系问题。在新内容方面,增加EDA仿真软件学习。在根据上述内容对电子技术课程进行优化和整合后,学生的学习兴趣、学习效率明显提高了,对电子技术发展的时代方向也把握的更好了。
三、进行教学研究,编制与教材相配的多媒体教学课件
随着电子技术的发展,传统的教学方法也逐渐被改变,多媒体、互联网逐渐走进课题。多媒体、互联网信息含量大,资源丰富,可以很好的满足我们的教学需求。在近几年时间里,学校集中师资编写了一套与我系《数字电子技术》《模拟电子技术基础》《电子实验技术》教材匹配的电子课件。在这几年的多媒体电子教学的实践中,我们将我院4个班级200多个学生作为调查对象,进行了多种问卷调查,调查他们对课件内容、课堂节奏、表现形式的调整的感受,并征求学生对多媒体课堂教学的看法、建议及要求。在取得学生信息反馈后,我们在课件内容、课程节奏、课堂形式方面又进行了调整,使课堂更加符合学生需求。这样,我们的课堂变得更加丰富多样,既节约了时间,又增加了课堂信息量,获得了学生一致好评。
四、变革教学方法,采用多媒体教学
在采用多媒体教学之初,我们只在《数字电子技术基础》《模拟电子技术基础》这两门课安排在多媒体教室,以进行先行试验。我们任课教师负责创造多媒体教学的条件。而学校也安排了我系全体教师参加现代教育技术的培训,以提高教师自身的现代教学技术水平。这样,我们的改革工作得以顺利展开。
在开展多媒体教学之初,理论课教师带头在理论教学、实验教学和课程设计环节率先使用自己制作的电子教学课件。我们积极地研究多媒体应用的规律,不断总结实践经验,逐步修改、完善教学课件。经过几年努力,终于研制出了《数字电子技术基础》《模拟电子技术基础》《电子技术实验》三门课的电子课件。
最终,多媒体课堂代替了传统的“粉笔加黑板”的模式,使得我们的课堂焕然一新。随之,我们将《数字电子技术基础》《模拟电子技术基础》两门课的电子课件及辅导教案上传到校园网,更加方便了学生的学习。
五、加强学生实际操作能力,进行创新教育与实践
为了加强学生的实际动手能力,我们在系里所有班级中开展了电子电路仿真与教学设计的教学。同一设计题目,采用虚实结合的教学方法,让学生先在计算机上进行虚拟设计与仿真,然后再到实验室进行实际设计、实验。不仅如此,我系还先后开设了“电子电路CAD”、“电子设计与仿真技术”等选修课程,成立了“家电维修兴趣小组”、“电子设计培训指导小组”,为学生提供了多元的、良好的学习环境,很多学生被吸引参加选修课及课外实践小组活动,大大提高了他们的学习兴趣及实际动手操作能力。
六、全面改造实验室,创造良好的实验环境
为了更好地提高我系电子技术教学水平,我们实地考察了周边高校的电子技术实验教学情况。在比较的过程中发现,我校电子技术实验室设备比较落后,于是我院向学校申请进行电子技术实验室改造。在学校的重视下,为我系实验室投资700多万元,进行实验室全面改造及设备更新。购置了“信号与系统实验箱”、“光纤光栅传感实验仪”、“高频电路实验箱”、“单片机微机接口实验箱”、“通信原理实验”,并新建成了电子信息综合实验室,配置了EWB、Mat-able、PSPICE等电子设计软件。新的电子技术实验室,极大地改善了我院的教学情况,充分满足了师生教研、学习方面的需求。
七、结语
综上所述,我校经过这几年的改革和实践,在电子技术课程教学方面已取得了初步成果。然而,电子技术课程教学是一项复杂的、系统的过程,作为电子技术教师,应根据实际教学经验针对性地进行教学改革,加强培养技术人才、创新人才,使高校学生更好地走向社会,以全面促进改革实践成效的提升。
参考文献:
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关键词:计算机硬件;工程实践;案例教学;三层次实践平台
作者简介:韩月霞(1979-),女,河北邯郸人,石家庄军械工程学院信息工程系,讲师;李雄伟(1975-),男,河北定州人,石家庄军械工程学院信息工程系,副教授。(河北 石家庄 050003)
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)03-0151-02
随着军队装备信息化建设步伐的不断加快,计算机硬件技术在武器装备中的应用日趋广泛,对计算机硬件电路设计人才的需求越来越大,对学生计算机硬件工程实践能力的要求越来越高。因此,如何突破传统的计算机硬件教学模式,构建更加完善、高效的计算机硬件实践教学体系,进一步提高学生的工程实践能力,已成为当前军校教育的一个重要课题。本文以军队装备信息化建设的需求为牵引,针对目前军队院校学生在计算机硬件工程实践能力培养中的问题进行深入分析与探讨,提出解决问题的思路,构建计算机硬件课程实践教学体系,从而为军队信息化、装备信息化建设提供人才支撑。
一、立足工程实践能力培养,构建计算机硬件实践教学模式
我国高等工程教育侧重工程科学基础知识的传授,绝大多数学生习惯于教师的灌输式讲授知识,缺乏创新思维,从客观上导致工程教育学界的教师及其培养出来的学生工程实践经验较少,难以适应社会的需求。近年来,我国学者开始重新寻求工程教育的意义和定义,并普遍认为“工程本身是关于科学知识的开发应用以及关于技术的开发应用,它是满足社会需要的一种创造性专业”。[1]
计算机硬件技术课程是学生信息化素质培养课程体系的基础课程之一,对于学生理解信息化武器装备原理和功能、提高对武器装备的信息化技术认知能力以及工程实践能力等方面具有重要的作用,是一门实践性极强的课程。课程组遵循“工程教育”的原则,尊重“实践本质和创新特点”,[2]强调实践才是教学的根本,以解决实际问题为中心构建计算机硬件工程实践教学体系,精选工程实际案例导入教学,立足三层次阶梯式学生实践平台,全面培养学生的工程实践能力。
二、精心选取工程实际案例,激发学生的学习兴趣
先进的工程教育理念是学生主动学习、主动实践,教师则起着启发、引导和帮助学生发挥潜能、进行学习的作用。[3]在计算机硬件教学中,以工程教育理念为先导,采用案例教学法,能有效激发学生学习的内驱力,教师逐步引导学生,促使学生积极主动思维,充分发挥其创造性和智力潜能,提高学生的工程实践能力和创新能力。
1.精选工程案例
案例教学法的关键在于选择合适的案例。目前,在军队院校计算机硬件教学中,案例教学没有形成完整的体系,主要表现为案例数量不足、案例陈旧和案例与装备结合不够紧密等。为此,课程组进行了前期搜索,整理并分析了大量工程案例,从中精选出合适的教学工程案例。首先,所选案例要紧紧围绕相关知识点,不可偏离主题,在进行教学设计时针对各章节知识点将案例有机融入到理论教学中;其次,所选案例必须有代表性,具有实际工程背景。这样,学生可以面对具体的实际问题和特定的环境,有针对性地通过自主学习和思考进行设计,培养实际解决问题的能力;再次,所选案例要紧密结合军队武器装备信息化建设,使学生在案例分析实现的同时,将知识点落到军队信息化建设实际。另外,课程组还定期对案例集进行评估,剔除一些过时的案例,增加一些新的典型应用实例。这样就保证了案例的典型性、实时性及工程背景,逐步形成完整的案例体系教学。
2.案例导入教学
在教学过程中,围绕事先精选的典型案例进行讨论,注重与学生的互动,教师提出精心准备的各种问题,首先让学生思考解决问题的办法,而后教师进行适当的启发和提示,同时穿插理论讲解,还可以为学生模拟实际应用场景,使学生切身体会到知识在实际工程中的应用,有助于学生对知识的理解和认识,同时还提高了学生分析和解决问题的能力。比如,在进行定时器/计数器讲解时,以炸弹定时引爆为例,从实际问题出发引出定时器的工作原理和工作方式,极大地调动了学生的学习兴趣,学生不再是消极被动的听众,而是积极的参与者。
三、加强实践教学环节,建立三层次阶梯式的学生实践平台
实践教学是实现理论与实践相结合的第一步,也是培养学生创新能力的重要措施。课程组经过多年的教学实践,逐步建立了“基础型—提高型—创新型”三层次的学生实践平台,为学生开拓了展示自己、锻炼自己、提高自己的舞台。
1.建立课内实验平台
基础型实践平台依托于实验室。采用理论授课与动手实验相结合的方式,让学生深入理解课程内容,掌握基础理论,打牢工程实践基础,包括验证型实验、设计型实验和综合型实验。
验证型实验主要涉及课程的相关知识点,实验目的是使学生验证、理解、巩固并掌握课内所要求的基本教学内容。设计型实验是以“任务”或“课题”形式提出实验要求和具体的实验成果,综合整个课程的知识,构造一个具有实际意义的应用系统,即做一个较为复杂的设计实验。综合型实验是提供给基础较好的学生深入学习的,目的是使他们有更多的实践机会进行综合课题的设计,从而培养学生的科研能力、创新能力和工程实践能力。在实验过程中,教师要注重监控学生实验过程,及时发现实验中出现的问题和异常实验现象,引导学生积极思考、认真研究和分析问题,最终完成实验,并要求学生在实验操作中人人动手、人人动脑,培养团队协作精神,提高动手实践能力。
2.建立院内科技制作实践平台
提高型实践平台依托于学院“创新杯”科技制作竞赛和学生“五小科技制作”。课程组在学生科技制作这一重要的实践性教学环节上,就学生的实际工程应用能力培养进行了一些有益的探索,为学生精心设计科技制作主题,在实践中培养学生的创新能力。
经过多年实践,学生相继完成了以单片机为微处理器的自行车里程表、音控喷泉、越障机器人、程控木偶和武术擂台机器人的设计与实现,并取得了优异成绩。其中,自行车里程表以电磁传感器采集车轮转动信息,编程实现自行车里程的计算与显示;音控喷泉控制实现各种喷泉方式,并配合音乐旋律,最终达到较好的音控喷泉效果;越障机器人是通过传感器探测前方障碍物,控制清除障碍后以最快速度到达终点;程控木偶主题制作是采用AVR单片机,利用电机模式滚轮绕线和舵机模式力臂提线,实现了对机器人动作的控制,制作完成了“威武小麒麟”、“关云长”、“白雪公主”和“西部牛仔”主题舞蹈机器人;武术擂台机器人是通过红外测距、红外接近和灰度等传感器探测自身和对手位置,以策略编程为主,控制机器人以搏击、推挤的方式进行比赛。
3.提供国家级竞赛展示平台
创新型实践以国家级大学生竞赛为平台,采取走出去、请进来的交流方式,带领学生参加全国大学生嵌入式设计大赛和机器人大赛等全国性比赛,为学生提供展示自我能力的舞台。参加全国大学生竞赛既增强了课程的实践环节,开拓了学生的视野,增加了学生与其他高校大学生交流的机会,提高了学生的创新意识、动手能力和团队精神,同时又促进了课程体系和课程内容的改革。
经过多年努力,学生在“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛和“读者杯”全国机器人武术擂台赛中,取得全国大赛一等奖、二等奖的好成绩。在此基础上,课程组准备进一步扩大学生参加全国大赛的种类,为学生发挥自主创新能力提供广阔的舞台。参加全国大赛考查了学生对知识的综合应用能力,参赛学生在备赛时通过各种方式自主学习,提高了学生信息搜集以及对新知识的学习和综合应用能力;考查了学生的意志及分析问题、解决问题的能力,比赛中会遇到许多突况,需要参赛选手摆正心态,遇事要冷静,要有坚强的意志;考查了学生的应变能力及决策能力,比赛时学生要做到以不变应万变,以多种方案应对多种情况,特别是在作品现场演示时需要学生具备较强的判断和决策能力。
四、总结
未来高科技战争对军事人才的科学素养及创新能力提出了更高的要求,[4]工程实践教学对于提高新型军事人才的综合能力具有重要作用。课程组经过多年的教学实践,针对装备信息化发展对计算机硬件的需要,将“理论教学”和“实践型教学”相结合,构建计算机硬件工程实践教学体系,制订了可行性实施方案。立足三层次的学生实践平台,在完成课程实验、课程设计等实践环节的基础上,积极鼓励学生参加科技竞赛等活动,激发学生勇于探索和积极创新的精神,提高学生工程实践能力,为全面培养综合素质高、具有较强创新意识的新型军事人才服务。
参考文献:
[1]张丽娟.改革计算机硬件教学模式培养学生的工程实践能力[J].东莞理工学院学报,2008,(15):121-124.
[2]李大奎.“计算机硬件技术基础”课程体系的改革与实践[J].计算机教育,2009,(20):81-83.
论文关键词:电子设计竞赛,实践教学,课程体系,创新人才
一、引言
全国大学生电子设计竞赛由教育部高教司和信息产业部人事司共同主办[1],从1994年到现在,先后举办了近十届全国竞赛和四届专题竞赛。大赛从一开始就确立了“推进教育教学改革,为人才培养服务”的宗旨,不断推进高校教育教学的改革与发展[1][2]。我校从1997年开始面向全校召集优秀学生参加全国大学生电子设计竞赛,成绩斐然,先后获得国家一等奖三项,国家二等将五项,山东省一、二等奖励多项。这些成绩对学生的鼓舞很大,要求参赛的学生逐年增多,参与的专业范围也不断扩大。参加过电子设计竞赛的学生在系统设计、方案论证、整机调试、选用新器件及创新能力与合作精神等方面得到了全面提高,也增强了他们的自信心。他们在毕业设计和以后的科研工作中,独立工作的能力较强,受到了教师和用人单位的欢迎和好评。我们从以下几个方面,谈谈通过组织大学生电子设计竞赛期刊网,对程体系改革与创新能力培养的促进作用。
二、大学生电子设计竞赛促进了电子技术相关课程教学体系的改革与完善
通过组织参加全国大学生电子设计竞赛及赛前选拔与培训,发现我校本科生存在理论基础较好而动手能力较差、参与意识较强而工程素养不足等缺点。这反映出教学过程重理论轻实践、重软件轻硬件,也说明现有的教学内容和课程体系急需改革,如:在平时实验课中,验证性实验多而自主设计的实验少,单科性实验多而综合性实验少,采用传统的方法多而应用最新的技术少,反映电子技术应用的前沿课程少。针对这些问题,我们对电子类课程体系进行了一些调整和改革。
首先在教学内容上,由于新技术、新器件应用范围越来越广和电子技术的飞速发展,我们开出了“可编程逻辑器件及其应用”、“电子设计自动化”、“现代电子系统设计”、“条形码与IC卡技术”等新课程,编写了教学大纲,经过多年实践,效果良好,丰富和完善了电子技术课程体系。配合课程体系和电子技术竞赛编写了新的理论教材“电子设计自动化”和实验教材“电子技术测量与实验”。在新教材中,舍弃了过时陈旧的内容,引入新的内容,增加了电子线路软件仿真的内容,使硬件软件相结合,丰富了实验手段。新教材还增加了大量的设计性和综合设计性实验内容,满足不同程度学生的需要。实验教学环节已由单纯的“验证”实验向“单元验证、分析设计、系统综合”实验相结合的方向转变。根据新教材构建了模块化的EDA实验教学内容体系,具体框图如下图1所示:
其次从教学目的和教学摘要求学生按照已知的方法和步骤进行操作即可,这种实验方式在基础训练阶段是必不可少的,但因为其本身在时间、空间和内容上的局限性,不利于学生自由发挥,也不利于学生创新能力的培养。而非验证性实验因可让学生自主设计和拓展实验,从而提高了其挑战性,也极大地激发了学生的创新欲望,对培养学生的实际动手能力和创新精神是非常有利的。
图1 模块化的EDA实验教学内容体系
同时对教学方法也进行了改革。教学方法改革是与教学内容的改革相辅相成的[1][3],竞赛促进教学内容的更新期刊网,新的内容迫使有相应的教学方法与之适应,以达到理想的教学效果。我们的新课程体系和教材给学生更多独立学习、独立思考的空间,教学方法上也应留给学生更多时间,因此,我们将原来的集中实验教学方法,改为集中实验与开放实验、虚拟实验、分布实验等多种实验教学模式相结合的方式,实验模式由过去的单一模式向多元化的实验教学模式转变。我们的开放式教学包含两方面的含义,即时间开放和内容开放。时间上的开放即在规定了学生的实验内容以后,学生可以在相当大范围内选择完成实验的时间,这样学生可以在时间上有较大的灵活性,提高学生学习的主动性。内容上的开放是指学生在实验中除了可以进行规定的实验内容,还可以根据自己的专业和爱好,选择规定以外的实验内容,这样有助于学生创新能力的培养和提高。
通过教学体系、方法的改革与不断完善,在平时的学习中就能给有兴趣有能力的学生提供实践实习的条件和空间,逐步培养他们的实际动手能力和创新能力。同时,通过实际动手设计可以让学生更好的消化课本上的知识,理论联系实际,激发大学生的学习积极性和主动性。
三、全国大学生电子设计竞赛促进了实验室硬件水平和综合适应能力的不断提高
电子设计竞赛的场地是由参赛学校自己提供的。能否适应电子设计竞赛各种题目的要求,体现了该实验室的应变能力和综合适应能力。长期以来,由于电子技术各类实验室的装置基本上是老三样(电压表、信号源、示波器),学生在实验中接触不到先进的实验手段和先进的仪器设备,这个缺陷在常规实验中的表现并不明显,但在电子设计竞赛惜时如金的场合下就显得非常突出。谁采用的仪器工具先进、自动化程度高,谁就会在其它条件相同的情况下赢得更多的时间,从而取得更好的成绩。比如我们在竞赛中使用的先进的数模混合型示波器以及数字示波器,受到学生的一致认可,通过多年的竞赛,在学校的大力支持下,电工电子学教学中心的实验室建设起点高期刊网,设备先进,为电子竞赛提供了一个良好的环境。
四、全国大学生电子设计竞赛推动了电子技术课程设计内容和体系的不断发展
课程设计是学生相对集中,实践功能较强,比较能真实反映一个学生实践动手能力的一项教育教学内容[4]。因此,为了不断适应电子技术发展的要求,同时也为初步选拔电子设计竞赛学生做一个基本参考,整个课程设计体系也要不断发展与完善。
首先从设计内容上,设计的内容不断更新,难度也不断增加;其次从软件设计工具上,随着电子设计开发工具的不断发展,通过各种渠道将ispExpert、ispLever、ModelSim、Synplicity等各种流行的仿真软件及开发工具逐一介绍给广大学生使用;再次从软件编程语言上,Able、VHDL、Verilog等多种流行的硬件编程语言都被广大学生所逐渐熟悉;最后从硬件设计和测试工具上,自主设计制作了小型的“SZD-III型PLD实验开发系统”、大型PLD课程设计演示仪器、电子竞赛系统开发板等。
五、全国大学生电子设计竞赛使优秀学生脱颖而出,促进了教师业务水平的提高
电子设计竞赛使那些具有良好的理论基础、实践动手能力强,特别是具有创新意识和协作精神的学生有了施展自己才能的空间。他们不循规蹈矩,不死读书本,而是积极进取,学以致用,理论密切联系实际,通过赛前的培训以及大赛的洗礼,使他们在各方面更加成熟。参赛的学生报考研究生时也受到硕士生导师的青睐,而没有上研究生的同学在联系工作时也极受欢迎,不少公司在招聘时深有感触的说:“像这样的学生有多少我们要多少”。这些学生的成才,也在低年级学生中产生了良好的辐射作用。
对于教师而言,由于我们的课程是面向全校学生的专业基础课,教学任务比较重,为提高效率,施行的是模拟、数字、电工电子学三门课程教学人员相对固定的方法。每位老师基本上只负责其中一门课程。这样一来,虽然教师能够对所负责的这一门课程内容比较熟练,但时间长了对其它两方面的知识期刊网,缺乏必要的联系,从长远看,不利于教师业务水平的提高,不利于学生的培养,因为学生将来面对实际的电路系统,所需要考虑的问题是综合性的,如果教师在教学过程中不能帮助学生树立一个综合考虑问题的思想,这是教学上的一个遗憾。而通过组织教师参加电子设计竞赛的培训工作,一定程度上改善了这一状况。教师们在辅导参赛学生训练的过程中,不但提高了业务素质,而且认识到在教学中贯穿综合考虑解决问题的思想对学生能力培养的重要性。
六、创立了一种实践中较为成功的大学生学科竞赛的培训内容体系和组织运行模式
经过多届全国、山东省、学校竞赛,根据历届电子设计竞赛所涉及到的领域,目前已经形成较为合理的培训体系,培训内容涉及电子系统设计、EDA、单片机、制作与安装工艺、功率电子、软件设计等内容,经过多年实践,效果良好。同时也创立了一种实践中较为成功的大学生学科竞赛的组织运行模式。
(1)平时积累。通过电子技术相关课程体系的改革与完善,使得有兴趣和能力的学生在平时的学习中就能够获得一定的经验积累和实践机会,使得动手能力、创新能力、设计水平得到一定程度的提高。
(2)择优选拔。在电子设计竞赛开赛前,通过报名、笔试、实物制作、面试、推荐等方式择优选出30-50名学生参加培训和比赛。
(3)强化训练。培训开始时,根据历届电子设计竞赛所涉及到的领域邀请相关教师为学生进行授课,让学生在短时间内能够对相关领域知识有较深入的理解,打好设计基础,然后由负责老师带领参赛学生在现有硬件条件下对学生的软件、硬件综合设计能力进行强化训练。
(4)模拟竞赛。根据现有的硬件设备和条件,尽量节约开销,选择合适的可以完成的设计题目,把培训学生进行分组,让学生在限定的时间内利用现有的器件和设备完成一次设计,强化锻炼并检验参赛学生的设计水平和动手能力,并让学生对真正的竞赛有初步的认识和体验。
(5)合理组合。在培训和模拟竞赛期间,不同的学生在不同的方面可能会有各自突出的表现期刊网,比如有的学生硬件水平很好,有的学生软件水平很高,有的学生综合设计能力很强,教师要善于发现学生的特点,并把突出的学生有机的组合成一个整体,保证参赛队伍的质量和水平。
七、总结
竞赛是对学生综合能力的全方位考核,既有理论分析,又有实践动手,是全面素质的培养[1][2][5]。在专题竞赛中既培养了学生面对众多社会需求选择最佳实施方案的能力,又使学生经历了由策划、设计、制造、调试、试用全研制的开发过程,很多学生反映这段特殊学习经历终生难忘。“通过前期培训和选拔以及四天竞赛,胜读四年书本”,有不少学生这样评价电子设计竞赛,这种说法不免夸大,但也从侧面反映了在学生眼里竞赛对于学生综合素质提高的巨大作用。
在该项竞赛的引导下,电子技术相关课程已经和正在经历着一系列调整和改革—优化传统基础知识、大胆引进前沿技术、不断拓宽学生专业口径、加强工程实践能力培养、重视创新教育的探索和实践。
参考文献
[1]姚建永、吴贻文.参加电子设计竞赛,促进教学改革.高校教育研究,2008(17):31-33.
[2]陈立章、宋学瑞、彭红.组织电子设计竞赛培养大学生创新能力总结和体会.湖南医科大学学报,2008(4):95-97.
[3]林寿英.以电子设计大赛促进电子技术课程本科教学改革.福建农林大学学报,2008(11):103-105.
[4]许利霞、赵文锋、彭孝东等.电子技术课程设计教学探索与实践.中国现代教育装备,2008(9):57-58.
[5]燕飞、韩宁、阚江明.从电子设计竞赛看大学生创新能力的培养.中国现代教育装备,2008(9):112-113.
关键词:案例教学法;电子线路CAD;教学改革;教材建设
作者简介:陈晓平(1956-),女,福建福州人,江苏大学电气信息工程学院,教授;李长杰(1972-),男,山东淄博人,江苏大学电气信息工程学院,副教授。(江苏镇江212013)
基金项目:本文系2011年江苏大学教学教改项目“电类专业应用性课程案例教学法的实践研究”(项目编号:2011JGYB016)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2012)16-0038-02
案例教学法是19世纪70年代美国哈佛大学法学院院长兰德尔首创的,最早属于医学领域,后来广泛运用于法学、军事学、教育学、管理学等学科。案例教学法在西方发达国家非常盛行,是一种已经发展得相当成熟和充分的教学方法和教学手段,有一套行之有效且相当规范的操作理论、操作规范和操作模式。哈佛商学院对案例教学法的成功运用和实施,尤其是使用这种方法为社会培养的大量杰出的工商界骄子,使得案例教学法成为一种风靡全球的、被认为是代表未来教育方向的成功教育模式。
在我国,案例教学法已被越来越多的人所接受,并列入了各高校的教学改革计划,特别是在法学、医学、工商管理类和思想政治教育等专业教学中运用较多。随着新技术突飞猛进的发展以及新技术对教学方法和教学手段革新的迫切要求,案例教学法正在被越来越多的技术类专业教学所青睐,开始被应用到电气、计算机、机械、建筑等相关领域,尤其在电气化和信息化技术快速发展的当前,掌握计算机相关知识与技能已经成为趋势。以电类专业主要应用性课程之一——“电子线路CAD技术”作为载体,研究如何应用案例教学法来进行教学模式、教学内容、教材建设等多方面的改革与实践。
一、“电子线路CAD技术”课程的特点与现状
“电子线路CAD技术”是电类专业重要的应用性课程之一,其人才培养的基本要求是能够熟练使用某一种或多种电子线路CAD软件,能够按一定的规范进行电路图的绘制,能够完成单面、双面或多层PCB板的设计。该课程授课对象是电类专业二年级的学生,他们已经学习过电路原理、电子技术课程,具备一定的电学理论和电子元器件基础,并即将学习单片机原理等相关课程,因此他们进行电子线路CAD软件——PROTEL的学习时,不仅仅是照葫芦画瓢式绘制原理图和PCB版,更重要的是利用他们所学的知识去体会电子电路设计所带给他们的乐趣,引领他们有更多的兴趣进入本专业的学习,为后期参加电子设计实践或科研打下良好的基础。这就需要从课程教学模式入手,将案例教学法理念切实贯穿到教学内容、课程教材、教学实施、教学资源等诸多方面。
从教学内容和课程教材方面看,目前有关PROTEL软件的书籍有很多,但是绝大多数相关书籍往往按照软件菜单命令的顺序讲解,只注重讲授PROTEL软件的各个菜单的功能,其选择的设计实例往往是软件本身提供的Demo中的例子,与学生所学的电学理论实际脱离,少数书籍采用的案例与课程衔接不够紧密,存在或者较为复杂,或者较为简单的情况。使用这样的教材,学生学习起来很难形成一条主线,从枯燥的指令中看不清楚与实际应用的联系,缺少学习动力,不利于教学的有效开展,因此教学方式改革的第一步就要进行教材改进与完善。
二、引入案例教学法改进“电子线路CAD技术”教材
教材是课程运行的载体,要引入案例教学法进行有效的教学,首先要在教材中引入典型案例,[1]以实例为主导的教材进行引导性的教学,来实现以应用为目的的计算机软件的学习。电子线路CAD技术——PROTEL电路设计课程是一门理论与实践结合性很强、极富创造性、具有明显时展特点的课程,其主要目的是培养学生掌握原理图的绘制、PCB板的设计能力,能完成中等复杂程度的PCB板的布局与布线。为此目的就要在充分参阅国内外优秀教材的基础上,立足于“加强基础、结合实际、突出重点、利于教学”的指导思想进行教材内容的选择,[2]将科研成果中的典型案例融入到教材内容中去,及时吸取与本课程有关的新理论、新方法和新技术,提升实践性教材的实用性、通俗性和先进性。通过充分考虑学生的先修课程与后续课程,合理选择实例内容的深度和广度,按照由简单到复杂的次序,利用一个具体实例贯穿课程全过程。通过这个实例的操作来讲授介绍有关命令的使用方法,做到以具备工程背景的实例为主线,按照实际CAD设计的步骤,循序渐进地介绍PROTEL的各种编辑工具的使用方法及进行PCB设计的全过程,使学生在完成实例练习的基础上,由浅入深地逐步掌握应用PROTEL软件进行电子线路CAD设计的各个环节。
对于初学者来讲,首先要了解CAD软件中的指令的意义及使用方法。为了掌握基础指令含义,可在教材中选择只含有分立元件电路板的章节进行介绍,例如“模拟电子技术”课程中介绍的一些基本电路,这些电路都具有实际意义,并且主要由电阻、电感、电容、二极管、三极管等管脚比较少的分立元器件组成,这样使初学者在绘制较为简单的电路原理图及印制板图过程中,直观理解和掌握CAD软件中的指令的意义及使用方法。在经过初级电路绘制后,再选择一些包含有多管脚的数字集成电路进行加强训练。根据案例教学法的思路,在教材中引入具有实际工程背景的典型案例,即一个典型的具体电路作为贯穿全书的基础主线,在对典型实例的运用中理解电子线路CAD的基本知识和方法技能,达到使学生快速、有效地掌握电子电路PCB的设计与制作目的,有效发挥教材这一知识引导的作用。基于这种思考,在2008年编写并由中国科技大学出版社出版了《电子电路CAD实用技术》一书,教学实践表明,该教材较好地实现了“电子线路CAD技术”课程的引导作用,能够使学生在一周课程设计中快速了解和掌握PROTEL软件的使用方法。
三、利用多种渠道完善案例教学法的教学效果
案例教学法的有效实施不仅需要一本好的教材,同时还需要好的教学手段,要引导学生“教中学”、“学中做”、“做中学”。为了让学生有效掌握电子线路CAD技术,可先让他们通过教材上的教学案例掌握电子线路CAD技术的基本语言和基本设计方法,然后再通过一个个具体CAD任务的布置,让学生通过具体CAD案例的设计与实践总结掌握CAD设计技巧,使学生做到触类旁通。为了避免因知识点分散造成学生不能系统掌握知识的问题,在每一个教学单元结束后,教师应当引导学生对所学的内容进行归纳总结,建立起单元内及单元间的联系,以加深对知识的记忆和理解,完成真正意义上的知识建构。如在层次原理图设计学习后,对原理图编辑器工作环境的设置要进行有系统地总结学习,对布线工具栏、画图工具栏及元件的各种操作方法要进行复结。在教学实施过程中针对学生出现的问题,教师要面对面地引导解决,要增强学生的自信心、解决问题的能力和成就感。只有激发了学生的学习热情,才能产生理想的教学效果。
从当前课程教学方式来看,应用性课程教学通常采用的是在实验室由教师统一要求下进行的归一化培训的单一教学手段。这种方式不利于学生个性创造能力的培养,容易产生理论与实际相脱节的现象,要改变这种归一化培训的单一教学手段,就要开拓实验室教学之外的教学形式。其中一种方法就是与企业合作,鼓励学生走到企业参与技术实践,了解产业的最新发展,将企业项目引入到自身的课程设计中,形成既有鲜明个性特色又有实际工程应用价值的设计结果,让理论与实际真正结合起来;或者请与学校有合作关系的企业专家到学校进行具体的课程指导以及典型案例方案的确定,让包含有实际意义的、与生活息息相关的案例直接进入学生的课堂中,使学生明白学习这种技术的实用性与趣味性,使电子线路CAD技术与企业中最新技术应用状况接轨,在课程的教学中体现现代CAD技术的发展趋势。
再有一种方法就是建立基于案例教学法的教学资源库与支撑网站,让学生通过网络这种信息量广泛、方便使用的第二课堂进行学习,加强和提升电子线路CAD技术的掌握,从而熟练使用某一种或多种电子线路CAD软件,能够按规范完成电路图的绘制,实现单面、双面、或多层PCB板的设计,达到符合将来从事的专业工作的需求。
大学生电子设计竞赛能够有力促进培养在校学生的动手能力与创新能力,[3]这项活动在各个高校已逐渐被重视。参加电子设计竞赛的学生虽然只是一小部分,但他们在学生中的影响力却很大。电子设计竞赛离不开电子线路CAD技术,因此参加电子设计竞赛的学生都有自身的实践体会,由此可利用这些优秀学生在班级的影响力带动学生学习的积极性,让初学的学生看到自己同学做出的实物,产生学习的兴趣与热情。兴趣是学习的最大动力,有了学习兴趣就能理性地深入学习,对教学内容理解得更深刻,学习更扎实;反过来也会使他们的学习兴趣更浓,步入良性循环的学习过程。通过优秀学生的以少带多、以强带弱的促进作用,极大发挥了学生的主观能动性,挖掘其学习潜力,从而达到提高教学质量的目的。
四、结论
以我校“电子线路CAD技术”课程为研究对象,以案例教学法应用为主线,从教学内容、教材建设、教学实施、教学资源及支撑网站等多角度入手,研究如何建立一种基于案例教学法的高校电类专业应用性课程实施新模式。为了提高学生电子线路板设计能力,将典型产品案例、实际研发项目及学生创新项目引入到教学过程中,基于实际工作过程构建一种新的教学过程,采用案例教学法,恰当地在各教学环节中融入规范实际生产过程,将“电子线路CAD技术”课程建设成为集能力培养、职业素质培训和孕育学生创新成果的教学平台,使培养的学生具有较高的专业水平与实际应用能力。近几年来,我校培养的学生在全国大学生电子设计竞赛中多人多次获得国家级、省级一等奖等荣誉,这些成绩的取得与“电子线路CAD技术”课程所打下的良好基础是密不可分的。
参考文献:
[1]和卫星,李长杰,汪少华.电子电路CAD实用技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2008.
1.1风景园林模型制作的目的
风景园林模型制作原本属于工艺制作的范畴,但由于从设计意图到实物模型的转换过程中,涉及到园林形态、比例、色彩、材料、空间、结构等造型因素的变化。通过模型制作,突破二维平面表现手法的局限性,在三维空间造型上对设计进行推敲、修正,体会设计的形体、光影、结构布局、构成等,进行细部推敲、分析与设计构思的完善,从而达到培养学生的设计创新能力、动手能力、树立空间想象力的作用。
1.2风景园林模型分类
根据用途和制作工艺,模型有两种分类方法。一种是按其表现形式和最终用途,一般可分为方案模型和展示模型。方案模型又称“工作模型”或者“构思模型”,主要用于设计过程中的分析现状及周边环境、推敲设计构思、探讨多方案的可能性、论证方案可行性等环节。展示模型也称“实体模型”,用于模拟设计外观及展示成果使用;另一种是按制作模型的材料进行分类,风景园林模型常用的主要有纸板模型、聚苯模型、木模型、石膏模型、铁丝模型,以及由多种材料组合而成的模型。
1.3模型制作在风景园林设计教学中的意义
(1)培养学生从二维走向三维的空间思维能力
模型设计制作是依据学生的设计思路和设计图纸来实践练习的。设计图是风景园林设计师表达思路的语言,主要体现在如平面图、立面图、剖面图、透视图等图纸上。设计图由各种具有不同代表意义的图形符号所构成,并体现在二维图形中。通过由设计图纸到模型实物制作这一过程,既强化了学生的看图识图能力,又培养了学生思维能力,使之从二维图形走向三维空间。
(2)培养学生理性思考与视觉思考相融合的思维能力
模型作为实体的存在,可以使学生方便地从宏观到微观,从整体到细部对设计方案进行深入的思考与推敲,在此过程中,学生的理性思考与美学思考得到有效的交融,有利于提高其综合思考的能力。此外,模型制作要求美学与功能设计有机统一,这种灵活的设计方式为教师的教学也提供了方便,以便于教师深入了解学生的设计思路和思维水平。
(3)培养学生的实操能力与实践能力
从工作模型的推敲到展示模型的制作,作为一个较完整的设计过程可以模拟从风景园林方案构思到施工前的过程,学生可以深入体验方案分析—方案建立—方案推敲—方案深化—方案实施的全过程及设计阶段的关联性,从而提高他们的实际操作能力。同时,模型制作需要一套完整的制作方法和完善的制作流程,以便于提高模型的完成度,在此过程中,可以使学生建立合作意识,从而提高了他们的实践能力。
2模型制作在风景园林设计教学中现存问题
2.1风景园林设计教学现存问题综述
关于风景园林设计教学中存在的问题,不少学者和教师都有所论述。现归纳普遍问题如下:从课程体系设置层面看,①教育观念和课程体系设置缺乏及时更新,表现为某些课程的设置上理论与实践的脱节、各课程教学环节中的脱节。②综合性课程设计和现场教学等实践教学环节亟待加强。③“课外素质教育体系不够健全,课外学习在一些方面缺乏课堂的知识补充和完善、缺少教学内容的延伸、自学能力锻炼。基于上述原因,设置风景园林专业的各校都在积极准备和提出新的风景园林教育的培养目标和培养方式,形成新的教育理念和教学内容。从人才培养层面看,①人才培养目标不够明确,重方案设计技能而轻工程知识,导致本科毕业生不论是在专业知识方面还是在社会工作能力上都需要有一个再培养和训练的过程,才能真正独立工作。②设计教育重“形式”而轻实践,忽视必要的逻辑思维和理性思维,导致学生热衷于讨论缺乏建造技术支撑的“概念”、“构思”,而对风景园林设计师职业产生误解。
2.2模型制作在风景园林设计教学中存在的问题
(1)模型制作的内涵较为狭窄实践技能的培养是当前我国风景园林教学体系中最为薄弱的环节,风景园林设计教学一般仅停留在方案完成阶段,缺少园林工程与技能的讲授并阐述其与设计的联系。在国外的风景园林教学中,学校把从方案到施工实现的知识作为培养学生的基本内容,如美国的罗德岛设计学院(RhodeIslandSchoolofDesign)通过技术与材料(Technology&MaterialsI,T&MII,T&MIII)3部分课程,使学生购买材料进行建造,从而实现自己的方案。(2)模型制作的表现单一模型制作在风景园林设计教学中通常仅作为设计阶段的辅助和补充。在风景园林设计教学中,通常方案构思是教学的主要内容,这个阶段模型制作主要侧重表现设计内容,目的是对培养学生空间概念,而不强调制作材料和制作技巧。因此对于模型表现的其他方面必然有所忽略。(3)模型制作的操作简单模型制作在风景园林设计教学中以手工操作为主,辅以简单机械操作,较为复杂的模型会使学生畏而不前甚至在设计中摒弃较为复杂的设计内容,手工操作同时还带来了意义较少的重复劳动,进而影响了学生的制作热情和教学效率。
3风景园林设计教学中模型制作的强化与拓展
3.1统筹安排,渐成体系
应从风景园林设计教学体系的全局出发,制定明确的教学目标,强调模型制作的意义,并合理安排其内容与深度,来满足各年级风景园林设计教学的需要,使学生在学习中循序渐进。以笔者所在的北方工业大学为例,风景园林专业设计课程体系如表1所示。其中一年级的设计初步课程在贾东教授负责的《同源同理同步的建筑学类本科实践教学体系研究》的指导下,强化模型教学,从纸板、石膏、木、聚苯、铁丝等五种基本材料的认知出发,使学生了解材料及指代材料特性,对空间进行认知、体验和构成设计,达到空间认知的教学目的。该课程改革后确立了模型制作在整个设计教学中的核心地位,并取得了一定的成果①。二年级、三年级乃至四年级,也根据课程体系对模型制作做了一定的规定。
3.2因地制宜,区分对待
在形成模型教学体系的基础上,应从风景园林设计教学的具体内容出发,根据设计课程内容来制定模型制作内容和要求。目前,风景园林专业主要设置在建筑类、农林类、艺术类和综合类高校,由于设置风景园林专业的高校的学术背景不同,具体课程设置和风景园林设计教学内容的安排必然会有所偏重、有所差异。但风景园林设计教学的基本程序总体上都是由项目分析、资料搜集、案例研究、设计立意、方案构思、多方案比较、方案调整、方案表达等几个阶段组成,来达到专业技能训练和人才培养的目的。甚至可将上述程序总结为三个阶段。如在案例研究中,仅对相关案例进行资料梳理和现场调研,甚至图纸抄绘,学生难以建立起完整的逻辑思路和全面的印象,如果在本阶段引入案例模型制作环节,则可以加深对案例的认知。如笔者所带设计课程中曾使学生对经典案例北海濠濮间进行资料收集、测绘,并制作模型,模型制作使他们对所讲授内容、测绘成果进行了巩固和再认识,而仅做资料收集则无法到达这种效果。
3.3内外结合,贯穿延续
重视课外教学的作用,在课外教学延续和拓展风景园林设计教学内容,通过各种设计竞赛、名师讲座、社团活动、社会实践以及实习实训环节,培养学生的实操能力,强化专业知识和技能,提高综合素质和竞争力。模型制作可以将课堂内外有机结合在一起。利用课外活动,以模型制作为切入点,延伸课堂教学到这些活动中去。如两位笔者所带二年级文化景观与遗产保护课程介绍了古建筑的基本知识,同时利用大学生科技活动,使学有余力的学生制作实体模型,使之理论与实践水平都得到了提高。
3.4善借于物,提高效率
充分利用现代技术手段,缩短模型制作中意义较少的重复性工作,节省时间,提高效率。如激光测绘、3D扫描技术、数控设备如数控雕刻机、单片机、3D打印技术等发展迅速,大大提高了模型的制作精度和美观程度,同时声、光、电等技术的引入,也扩大了模型制作的内容。这在风景园林模型制作中尤为重要,以地形建模为例,风景园林设计中的等高线相对而言比较复杂,手工制作很难达到满意的精度和外观,如果使用数控机床对等高线进行切割,就大幅度缩小了模型制作的时间。又如假山模型的制作,使用3D扫描技术结合3D打印技术可以使学生有更多时间去推敲假山设计而不是过度专注模型制作本身。
4.风景园林模型教学的几点思考
4.1开设模型课程
宜建立与风景园林设计教学体系相适应的模型制作体系,统筹安排各设计课程模型制作的内容和所占课程比例,从而提高教学效率。宜在低年级开设模型制作课程,系统地有针对性地普及模型制作方法,有利于发挥学生的创造性思维。
4.2构建课外模型教学体系构建
构建课外的模型教学体系,宜将课外与课内贯穿联系,形成“两翼并重,两渠相融”的模式,加强课堂与课外之间的联系,使课外与课内模型教学内容互不重复、互不冲突、互为补充,从而提高教学效率,并提高学生的综合素质和实践创新能力。
4.3模型实验室的完善