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电子电路课程设计教学研究

摘要:结合水声工程专业人才培养的特点和要求,以声呐系统涉及的电子电路设计为重点,以引导学生建立本专业宏观思维体系为目的,对电子电路课程设计的教学模式进行了研究,包括搭建模块化声呐系统设计平台、改变课程设计指导方式、优化课程设计考核方式等方面。改革后的课程提高了学生的设计能力和分析解决实际问题的能力,对于训练学生综合运用所学知识、培养学生的综合素质具有重要的意义。教学实践表明,该课程的改革取得了较好的效果。

关键词:水声工程专业;电子电路;课程设计;教学模式

水声工程是以海洋探测、海洋开发和国防建设为主要应用背景,涉及声呐系统设计、水声学、信号处理技术、电工电子技术、软件开发与应用等多个技术领域的工程技术学科。该专业具有4个相对稳定、特色突出、优势明显的研究方向,即声呐总体技术、水声信号处理、传感器及声系统、计量与测试技术,而无论哪个研究方向,都离不开电子电路以实现信息采集、检测、处理以及系统控制等核心功能。电子电路课程设计是水声工程专业中最为重要的一门专业基础课,重在培养学生的创新意识和科研能力。学生通过该课程的学习,可以进一步加深对模拟电子线路、数字电子技术、单片机等前续电类课程理论知识的理解,结合所学声学类课程知识增进对声呐系统设计与实现的宏观认识,建立理论联系实际的思想体系,同时还能提高系统设计能力和发现、分析、解决实际工程问题的能力[1]。如何科学地设置教学内容,合理地选择适合水声工程专业的特色教学模式,从而达到良好的教学效果,是该课程亟须解决和有待研究的重要课题。

1影响水声工程专业电子电路课程设计教学效果的因素

水声工程学科专业性强,为了突出专业特色、培养符合水声工程领域迫切需求的复合型专业人才,所有的课程设置及教学内容安排均在不断探索和创新,前期开设的电子电路课程设计虽然已经取得了阶段性成果,但是与国外开设同类课程的著名大学相比,还存在一些差距。具体体现在以下几方面。1.1课程缺少体系化系统设计 仅开展分散的模块化设计训练无法使学生建立宏观专业思维能力。声呐是利用声波进行水中探测、定位和通信的电子设备。声呐装置一般由声学换能器、电子系统、辅助设备三部分组成[2],其结构非常复杂,不能单独作为课程设计的题目,所以多年来,课程设计大多选题都仅局限于常规的电子电路设计类题目,忽略了与声呐系统的联系,脱离了专业背景[3],设计选题如烟雾报警器、简易直流稳压电源、交直流放大器、函数信号发生器、定时器、交通灯等,这些题目与水声工程专业联系较少,无法体现专业特色,即便个别选题是声呐系统中的一部分,学生也不能将其很好地与声呐系统相结合,致使学生难以建立声呐系统设计的宏观思维。1.2教学过程中学生大多处于被动状态 主观。能动性难以充分发挥以往,课程设计采用在规定的时间、地点,以班级为单位由教师指导完成规定的实验内容,这种教学模式限制了学生主观能动性的发挥,束缚了学生的思维,导致学生缺乏独立进行实验研究和学习的能力,难以激发学生的实验兴趣,更无法培养学生的创新意识、提高学生的创新能力。1.3课程考核方式和考核标准单一 不易激发学生的学习热情。学生作品验收是对学生理论知识运用能力以及课程设计成果水平的评判环节,合理的评价机制对调动学生学习积极性、激发学生学习热情具有重要的意义。目前,学生课程设计的成绩高低大多由作品的最终优劣决定,这一考核、评价标准有待完善。首先,不同电子元器件间存在一定差异,会导致最终成果性能间存在差异;其次,同一成果的设计、实现方案也存在不同;再次,在设计实现过程中学生分析、解决问题的过程也不尽相同。因此,单独凭借最终设计成果的优劣来确定学生的最后成绩,在全面考核学生方面存在一定的误判概率,缺少完备性,这样的考核机制没有将学生分析问题、解决问题的能力纳入考核范围,从而会影响部分学生的积极性。

2电子电路课程设计的建设目标及举措

2.1依托学院科研背景 建设适用于教学的模块化声呐系统设计平台。在进行课程设计时,要求学生独立设计并实现一套复杂的声呐系统具有较大的难度,但完成声呐系统分机功能还是可以实现的。因此,实验中心提出依据水声工程学院的科研背景搭建一套模块化声呐系统设计平台的教学思路[4],该平台设计包括收/发换能器、功率放大器、基础底板、数据采集器等基础功能模块以及外部扩展功能电路模块,具体以430单片机为核心的基础底板和与课程设计内容相关的外部扩展功能电路模块组成,各模块间采用标准的PI(ParallelInterface)接口连接方式,各模块既能单独使用完成一定的功能,又可与实验室现有数字电路实验箱进行连接开展特定的实验研究[5]。这样既降低了实验平台开发成本,又实现了现有实验设备的二次开发利用。模块化声呐系统设计平台的构成如图1所示,采用这种模块化组合模式,便于系统更新、完善和扩展应用。任课教师的任务是基于模块化声呐系统设计平台设计、创建难度适中的课程设计题库。表1为采用模块化声呐系统设计平台开展教学工作前后课程设计题目的对比,通过对比可以看出,平台搭建之后课程设计的选题与水声工程专业理论的相关度大幅度提高,水声工程专业的相关理论得到了具体而深入的学习与应用。课程设计选题改革后,学生都能够在声呐系统设计体系的宏观背景与思维模式下开展所选题目的实际设计与实现,在提高学生电路设计能力和解决实际问题能力的同时,培养了学生本专业的创新意识和创新能力。2.2教师指导方式由“填鸭式”向“任务驱动式”转变。 学生学习方式由“学会”向“会学”转变在课程设计指导过程中,教师的作用还包括激发学生的学习动力与激情,以培养团队意识及合作体验,让学生主动完成由“学会”向“会学”的转变。改变过去教师全程指导,有问必答,甚至直接给出参考电路的指导方式,教学方式由“填鸭式”向“任务驱动式”转变。教师在给出设计指标和要求后,将学生分成若干小组,每个小组在明确设计要求后查阅文献资料,提出具体设计方案并选定合适的电子元器件。在整个设计过程中,教师可以提供建议性参考资料,指出学生考虑欠佳的设计并引导学生科学合理设计,但不给出具体的设计方案,更不能具体给出设计原理图。在整个课程设计期间,教师每周留出充足的答疑时间,回答学生提出的问题或启发学生提出问题,直至课程设计结束。2.3改革课程考核方式 降低考核成绩误判率 。激发学生学习热情传统的考核方式是由教师确定学生的课程成绩,对于理论课考试,这一考核方式是适用的,但是对于实验类课程,这一考核方式就显得有些不适用。因为学生选的课程设计题目不同,难以采用统一的固定评价标准进行分数评定,因此有必要提出一种科学的又能够让学生认可的考核方式。基于此,实验中心创新性地提出教师学生联合打分的考核制度,具体做法是:由教师和学生组成评审小组,改变传统由教师单独打分的模式,学生和教师根据基本的评分标准共同为每个团队评分。基本的评分标准涉及系统设计思想、电路方案论证、电路焊接调试、参数测量、测量结果与概算参数的比较及分析、PPT展示、现场答辩效果、问题的解决过程及结果、实验报告的撰写、团队合作情况等,考核成绩以A,B,C,D四个等级划分。教学实践表明,通过调整考核方式,大大增加了学生学习、创新的兴趣与热情,取得了很好的教学效果。

3结语

电子电路课程设计是水声工程专业必不可少的实践教学环节,在专业建设过程中发挥着越来越重要的作用。对该课程进行的上述教学模式改革实践取得了良好的效果,按照改革后的教学模式,电子电路课程设计不但能够巩固学生已学电类、信号类理论课程知识,加深学生对课堂抽象概念的理解,而且提高了学生的设计能力和创新能力,并使学生对水声工程专业的认识更加明确和具体,这些均有利于培养出理论基础扎实、实际工作能力强的高素质水声工程专业人才。

参考文献

[1]郝宪锋,刘复玉,李林.电路分析实验教学的改革与探索[J].中国现代教育装备,2016(19):61-63.

[2]刘伯胜,雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1993.

[3]白锐,孙丽颖,赵越岭.自动化专业实验教学的设计与研究[J].中国现代教育装备,2016(255):18-20.

[4]李林,陈璨,刘复玉.模块化电子技术课程设计实验平台研制[J].实验技术与管理,2015,32(12):103-106.

[5]粟涛,庞志勇,陈晖.“数字集成电路设计”课程教学内容的探讨[J].电气电子教学学报,2016,38(4):30-32.

作者:张淑娟 殷敬伟 周天 吴英姿 单位:1.哈尔滨工程大学水声工程国家级实验教学示范中心 2.哈尔滨工程大学水声工程学院

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