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关键词:电子实习;实验教学;Arduino
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)22-0039-04
电子实习是高等学校电类专业教学计划中的一个重要环节,是高等学校电子与电工技术课程教学的重要组成部分。它为学生的理论联系实际提供重要的实践活动,使学生能够了解并初步掌握一般电子产品的生产制作、调试与研制开发过程,并从中学到有关新技术、新工艺方面的知识和基本技能。电子实习课程的关键在于培养学生分析问题、解决问题的能力,提高学生的实际动手能力。学生在其中获得的感性认识可以为学习电子与电工技术课程、其他相关课程,以及后续电子产品制造与创新设计工作奠定基础。传统的电工和电子实习课程,已经足够重视实习中的动手能力。但高校的电子实习课程在过去的近10年中一直保持固定不变,与目前电子产品的快速更新换代脱节。目前的电子实习课程包括基础焊接训练、简单的电子设备组装训练、完成晶体管收音机的元器件识别、筛选、测试、焊接、组装和调试过程,这些是多数大学电子训练课程选择的主要实践方法。这些训练已经不能反应当前电子产品技术的进步,虽然在一定程度上能够达到培训学生的动手能力的目的,但导致学生缺乏兴趣,在实习中敷衍了事,因此不能引导和促进学生创新能力的培养。教学实践内容和现代电子产品的脱节将导致两方面的问题。首先,尽管作为目前电子实习课程主体的晶体管收音机仍然是世界上存在最广泛的电子设备,但随着电子技术、计算机技术和封装工艺的飞速发展,其所涉及的技术在工科电子类教学中所占比例正在不断减少,这减弱了对专业课程学习的支撑。其次,为降低实验难度,教学中使用的设备只具有单一的功能,与现有广泛使用的、功能强大的移动设备相比难于激发学生的兴趣。同时,教学内容陈旧、模式固化也限制了学生的创新能力培养。怎样使电子实习能够激发不同专业学生的学习兴趣,同时培养大学生的创造能力是现代高校电子实习课程亟待解决的问题。
针对目前这些问题,很多高校通过引入各种新型设备、建设新的创新实验室等措施提供后续的电子实习课程。这些课程为学生提供特定的创新实验平台,使其熟悉一些单片机和PLC系统的开发基础和技巧。但是受限设备成本,难于满足大多数学生的需求,且设备不易更换。近年来,随着开源运动的发展,开源思想从最初的软件领域逐步拓展到电子、机械领域。在带来各种创新的同时,也降低了相应设备的成本。本文通过引入开源硬件Arduino到现有的电子实习训练中,作为当前教学的有效补充,同时探索现代大学生电子实习教学的改进方向。
一、Arduino简介
Arduino是一套能用来实现传感和控制电路的开发工具,它由一个安装微处理器核心电路板和不同设备构成。作为一套电子开发套件,Arduino核心通过USB接口与电脑相连,采用类似Processing的语言进行应用开发,因此具有易学易用的特点。受到开源运动的影响,Massimo Banzi和David Cuartielles等人在2005年设计了最初的Arduino硬件,并将其设计资料公布于网络上。开源促进了Arduino本身的发展,截至目前为止,Arduino已经了近13个不同的版本,其应用范围涵盖从无人飞机到快速成型机等各个领域。已经成为一个新兴地、并且飞速发展的硬件开发平台。使用Arduino可以方便的构建通过传感器感知外界环境(比如温度、压强、湿度、颜色等等),并且当外界环境发生变化时,可以按照预先设定的程序通过控制马达、制动器、继电器等对环境进行干预。可以使用Arduino开发单独电子功能模块,也可以设计在运行时与电脑互动的应用。因此Arduino可以用于开发交互产品,例如支持外部开关、温度传感器、红外传感器等信号的读取,控制各式各样的LED电灯模块、触摸屏控制、蜂鸣器、电机和其他各种支持输入输出的物理设备。整个Arduino电子实验平台的成本可以控制在几百元之内,可以组装形式多样的功能模块,包括PWM调控灯亮度实验、交通灯设计实验、抢答器设计实验等十几种电子工作平台。而且随着各种Arduino社区的不断发展,可以得到低成本的技术支持。对于训练使用者的基础技能,激发其创造性具有非常好的价值。Arduino支持多种操作系统Windows、Macintosh、Linux,开发系统配置简单编程语言易学易用,具有电路设计经验的同学能够根据自己的设计思路设计新的模块,可以对其扩展或改进,开发独具特色的计算机与Arduino的交互平台。没经验的同学可以根据课堂讲解迅速掌握系统开发的技巧。对于工科院校的老师而言,Arduino易于理解和使用,适用于各类专业学生,因此是最合适教学设备之一。
二、实验课程
本文利用Arduino电子平台的开放性、低成本和易用性等优势,在电子实习课程中加入一个新的教学环节,以弥补电子实习中创新力度不够的问题。鉴于学生的参与教学过程的程度对能力培养的重要性,整个课程被设计为演示和实践两个部分。首先以开源平台Arduino为基础,结合计算机接口技术,为学生提供体现电子产品特点和发展趋势的电子实验课程。其次,在学生掌握电子的知识、数字电路和模拟电路的基础上,通过老师的对电子平台的讲解和实验演示,在实践环节中将自己所掌握的电路知识实践化。学生可以根据自己的想法任意设置电路,编写简单的程序,通过计算机控制整个电路运行过程。由于这个平台安装简单可以反复使用,像积木可以随意组合任意搭配,极大的提高了它使用性能,使学生积极参与到教学过程中,对电子电路方面知识得到最大限度的运用,同时动手能力和创新能力得到了锻炼。
演示环节中包含两个实验,分别为传感器电路和灯光控制电路。前者利用所搭建的传感器电路通过USB口与计算机相连,将外部数据显示在网页中。而后者则提供计算机控制接口,通过网页控制外部搭建的LED灯光。在后续的实践环节,学生将在这两个电路的基础上自行扩展,并可以修改程序改变输入输出的参数和控制方法。以下将对实验平台和实验设计进行详细介绍。
(一)演示环节
在演示环节安排的两个实验按照难易程度进行安排。第一个传感器电路演示了计算机如何读取外部传感器电路的信息。实验以简单的电路向学生展示基本元器件的识别、检测和连接方法,同时介绍Arduino的安装、使用和开发的基本知识。第二个灯光控制电路则在第一个实验的基础上,演示了如何构造计算机控制的电子功能模块。为增加实验的趣味性和实用性,这两个实验都计算机中运行的浏览器作为显示和控制终端。
1.传感器电路。传感器是测量物理量的主要手段,在现代智能控制中占据非常重要的地位。如图1所示本实验演示设计为传感器电路,接口服务和浏览器界面三个部分,演示了以光线传感器控制LED灯光亮度,并将当前亮度数据通过USB接口送入计算机,并在网页界面中动态显示。
传感器电路由LED灯、光敏电阻、10千欧、470欧、面包板和面包板跳线搭建,可独立运行,同时将传感器以每秒10次的速率送往上位机(如图2所示)。上位机运行的接口服务通过USB端口接收数据,并通过socket服务和http协议将其送往浏览器。这个模块通过NodeJS实现,因此可以方便的运行于各种不同的系统中。最后通过浏览器中运行的网页将实时接收到的传感器数据以图形方式动态的显示出来。
在演示过程中将依次向学生讲解系统结构设计、电路实现、控制程序的编制方法,以及接口服务器的原理以及网页界面的实现方法。演示过程中让学生改变室内灯光,并观察LED和计算机界面中的显示信息。这个演示应用可以方便的扩展为智能室内灯光调节系统,或者更改为根据室内灯光自动调节显示器亮度的智能家庭助手系统。
2.灯光控制电路。计算机控制是现代电子产品的特征,在第一个实验的基础上,本演示增加了与计算机连接的双向控制,演示了通过将计算机控制电路的过程。在演示过程中,可在课堂上直接在第一个电路的基础上现场搭建本实验的硬件部分。与第一个演示类似,本实验仍分为灯光控制电路、接口服务和浏览器界面三个部分,如图3所示。
电路部分增加了多个LED光源,以实现控制功能的演示。在浏览器、接口服务和电路之间增加了反向回路,使控制命令可以从网页传递到电路。在演示过程中则反复强调系统结构设计、电路实现、控制程序的编制方法。由于本实验采用网页控制实际物理电路的特性,演示过程中可采用本地控制和远程控制两种方式。首先让学生在本地的浏览器界面中控制电路中的各路LED,观察LED和计算机界面中的显示信息。然后让学生在网络上模拟异地控制,观察物理电路中的灯光变化情况。这个演示应用可以方便的扩展为智能室内灯光调节系统,或者更改为根据室内灯光自动调节显示器亮度的助手系统。
(二)实践环节
实践环节主要作用是巩固学生对课堂内容的理解,使学生通过改变电路、改变控制程序和应用形式等不同手段发挥自身创造性,达到锻炼学生思考和动手能力的目的。根据课程的时间可酌情安排元器件识别、电路板设计、制作、电路调试和实验报告撰写等训练环节。
锻炼学生思考和动手能力是实践环节的重点,同时应向学生介绍现代电子产品的发展趋势。例如,如何将微处理器和计算机技术引入家电设备后形成智能家居;如何将本节课提供的实验系统原型扩展成为具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节,并具有远程控制功能的现代集成控制系统。可以结合实际课堂上的移动设备控制的演示和多媒体演示,激发学生的学习兴趣和能动性,鼓励他们总结实验心得,将本节课的内容用于感光灯、窗帘控制等与实际生活息息相关的产品制作中。
三、小结
从本门课程的教学实践中可以看出,Arduino开源平台应用简单,但形式多样,在课堂中使学生完全可以根据自己的兴趣,创新制作一些电子模块,然后运用编程语言进行交互。这套平台具有可接受的成本和逐渐成熟的开源社区的支持,可以通过反复实验提高学生创新能力和动手能力。从实验安排中看,这两个实验保持的新颖性,其功能原型与当前最新的电子产品接近,在这两个实验的基础上,可以进一步开发先进的智能家电和智能控制应用,通过网页直观的演示实践过程,能够大大提高学生对电子电路的学习兴趣。通过新旧两种课程的设置方案的对比,可以看出本方案更注重实践和创新能力的培养,增加了设计电路、编写程序、通过计算机端口让电子设备与计算机互动,充分的把计算机和电路知识结合起来,通过课堂实践发现新的课程安排,在课堂中学生积极性能更好的发挥其能动性。
电子实习为工科学生的实践的重要一环,对培养学生的动手能力和创新能力具有重要作用。因此,我们要重视工程技术训练中心在实践课程中的安排,坚持以学生为中心,把教学重点从传统的技能传授转变为培养学生的实践能力和创新精神上来,培养适应社会和企业需要的新型工科人才。
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【关键词】电子电工实训 教学管理水平
电子电工实训课教学是职业学校培养学生操作技能的一个重要环节,而技能的形成则是学生通过观察、模仿、实践来重复教师所演示的动作和反复练习来实现的。根据教学目标,电子电工专业学生在三年内要掌握的技能和达到中级工应知应会标准,都要通过生产实训教学来完成。
一、电子电工实训的教学方法
1.根据实训对象调整实训教学内容。高一的电子实训内容一般以简单,趣味为主,比如说做一些流水灯、闪光灯等电路,主要是培养学生的学习兴趣,提高学生的动手能力;而高二的实训内容相对难一点,要自己根据电路来设计组装电路,重点培养学生的分析设计,仪器仪表使用的能力。
2.单纯操作与纸上练习相结合。对一些元器件较多、线路安装复杂的电路,采用“纸上练兵”法。所谓“纸上练兵”是指学生在理解电路原理和掌握电路接法的基础上,在实训报告上练习布线的做法。通过这种练习,学生对理论知识进一步消化和理解,逐步熟悉其原理对安装工艺做到心中有数;实践证明这样做不仅节约了大量时间,而且节省了材料,达到事半功倍的效果。
3.注重基本技能的训练,电子电工实训的主要内容包括常用元器件的识别与测试,基本焊接训练及产品的焊接、调试和组装。电子电工实训课程有精心准备的一整套实训工具,通过指导教师的演示操作,使学生们了解各种工具的基本用途,掌握其基本操作方法。为了避免枯燥,积极开发校本教程,去网上购买一些有趣味的套件,比如流水灯电路、声控开关、音乐开关等等,这一教学环节的增加不仅活跃了实训课堂,增加了焊接练习的趣味性,而且还熟悉了各种工具的运用。
二、实施有效的教学管理
为了达到培养应用型技术人才的目的,我们的做法严格把握实训的四个环节。
1.实训前的准备。为了确保电子电工实训的顺利进行,要求学生排队进入电子电工实训室,必须学习实训规定的有关规章制度,每人自觉遵守。实行按学号分组,班长、小组长分工负责,落实到每个人,提高管理自己的自觉性。强调“必须安全用电”的意识,了解安全用电知识。从家用电器的使用,联系身边日常生活中用电常识,既提高兴趣,又达到了授课的目的。授课既有重点的讲解,又留有余地,让学生认真思考。给予一定时间预习,强调自学与讲授相结合,使学生很快进入角色。
2.实训中的指导。采用“集体示范指导”为主和“个别单独指导”为辅,为了培养学生具有创新精神和实践能力,强调严格训练。以提高动手能力为主,采取少讲多练的形式,点到为止,启发思维。对每一项训练内容做到勤巡视、多检查、把好关。 在实训别要强调学生职业素养的培养,比如工具的摆放必须统一一致,操作习惯必须严格安全规范。
以手工焊接作为基本训练。让学生在旧印刷电路板上反复练习,体会摸索一下,然后,带着问题听老师讲操作要领并作示范和解答问题。再用正式印刷电路板练习,学生自己检验质量,小组互检,小组长写评议。由此,让学生熟练地掌握使用电烙铁焊接的基本功。
实训内容的综合训练。制作一台电子产品――收音机。学生对此制作过程抱有极大兴趣,但对于刚开始接触实训的学生来讲,它的线路还是比较复杂,确实有一定的难度,但对学生综合能力的训练是有益的。尤其是收音机的调试,需要耐心细致地查找线路、检测、排除故障,的确是一种很好的综合素质训练,既培养了独立思考、理论联系实际、分析问题、解决问题的能力,又培养了严谨的科学态度。制作完毕后,学生非常兴奋,拿着自己亲手做的收音机非常有成就感
3.实训后的考核。结合严格实训的内容严格考核,采取“A、B、C、D、”等级制评分办法,由学生根据训练内容自检、小组评议和教师检查实训产品综合评定成绩。考核标准如下:平时表现及考勤(20%);焊接训练(20%);实训成绩(40%);实训报告(20%)。
4.实训后的小结。一方面,实训结束后,教师填写《7S评分表》,其内容包括:实训题目、要求、实训过程等。填写《7S评分表》时,应改变以往单纯以分数为标准的评价方式,采用学生自评、互评、指导教师点评等方法,实现评价主体的多元化。这样,学生不仅能够了解自己实训中的不足,也为指导教师改进实训教学提供了依据。另外一方面,实训结束后要求学生整理好实训台,摆放好工具,严格按照7S的要求做好卫生保洁等其他问题。从而使职校培养的学生不仅能掌握良好的技能,而且能培养他们的职业素养。
电子电工实训作为中职学校实践教学中的一个重要环节,不但可以将理论与实践紧密地结合起来,而且还为学生今后的工作打下良好的基础,其在中职教学中的重要性是不言而喻的,但实训内容、实训方法、实训手段、实训形式等问题还有待进一步的探讨,以提高电子电工实训的质量和效果。
【参考文献】
关键词:通信工程;卓越工程师;项目化教学
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)17-0123-02
近年来,国内移动通信设备、接入网设备、交换设备和终端等通信及信息系统产品构成了较为完整的产业链,大型企业的各类MIS渐趋完善,初步实现MIS广泛应用和基于电子商务的新型营销模式,促使社会产生了对信息与通信工程人才的大量需求,既是通信工程专业发展的机遇,也是挑战。学术界针对项目化教学做了不少研究,美国德莱福斯提出了关于职业技术教育的经验迁移理论,德国ITB对该理论开展了深入研究,潘伽罗斯(德国汉堡理工大学教授)提出了基于人员、工具、产品、行动的工作过程框架,教学改革应有针对性,必须有的放矢,以该专业培养方案的培养要求为支撑,以该专业培养要求的实现矩阵为抓手实施改革。基于上述理论并将其应用到通信工程卓越工程师核心课程项目化教学改革,笔者希望通过专业核心课程链的建设,使学生成长为卓越工程师的过程遵循“沿着合理学习路径循序渐进地提高”的工程能力发展过程。
一、通信工程专业目前存在的问题
我校通信工程专业是湖南省级专业综合改革试点专业。在核心课程链的五门课程“数据通信与网络”、“移动终端开发”、“现代交换网与信令”和“通信线路工程与FTTX”、“移动通信与无线勘测优化”中取得了一定的成绩,如《现代交换网与信令》是首批双语示范课程,这五门课程还先后得到相应建设经费支持,先后建成符合实训要求的专业实验中心,但也存在着一定的问题和差距,表现在:
1.课程体系设计尚未完善。现行课程体系已经历了数次修订,但和培养一名真实的通信工程师所需课程体系相比还有一定距离。学生在认真学习上述5门课程后有能力考取公信度较高的工程师证书、国家工信部布线工程师证书、国际认证等,但是比起企业所需工程师在很多方面贴合度还不高。
2.教师教学理念有待加强。现有教师在授课过程中还存在较多的传统高等本科教育的习惯,推崇讲授知识,轻视培养学生能力或不具备能力培养的手段。部分教师有种错觉,学生只要通过背诵或者复述这些知识,便自然而然地具备了相应工程能力,因而不重视课程讲授路径;而实际上课程讲授路径比起传统教学目的即知识的传授更加重要,只有通过合理讲授路径所掌握的知识才是有效并具备相应工程能力的知识。
二、项目化教学改革的具体内容
通信工程核心课程的项目化教学改革之实施方法涵盖了专业调研、工作任务分析、专业课程分析、课程标准大纲编写、项目化实践教学教材编写及项目化之具体教学实施。做到授课与实操同步,探索式实践与自主学习互相结合;坚持这样一个原则,工程能力培养常抓不懈,所有教学环节应以项目化教学作为指导原则下运行,提升学生工程观念和实践工程能力。
1.调整专业核心课程。以“数据通信与网络”、“移动终端开发”、“现代交换网与信令”和“通信线路工程与FTTX”、“移动通信与无线勘测优化”这五门课程为主轴进行项目化教学改革,具体方法包括:课程体系的创造性整合应以工程岗位的任务为核心,教学标准应形成规范的设计程式,以毕业生未来的工程师岗位3~5年规划为目标,以项目目标为基础,开发工程能力标准;以工程能力为导向,开发出5门项目驱动的实训手册;以某一具体设计或施工目标为载体,设计好5门主干课程的项目驱动教学大纲;以技术发展为指针,建设反映新产品、新应用的项目化教材。循序渐进地发展学生工程能力,通过这5门核心课程形成有机链接,并以此为抓手建设工作过程和任务驱动型项目化课程,并引领整个课程体系的优化。
2.展开实训项目设计,形成项目化教材。通过实践摸索有效地解决以下关键问题:通信工程工程师典型岗位完整工作过程分析;通信工程专业核心课程讲授路径设计;通信工程专业核心课程实训项目设计。从通信网络系统的工程流程逻辑和通信网络系统的产品建构逻辑两个维度根据课程讲授路径形成项目化教材。
3.以调研结果确定工程师岗位。大力推行基于行业内各类企业的调研工作,针对本专业毕业生可能面向的不同的潜在就业单位,如通信运营商、机关国企单位、弱电集成公司等,按照销售、售前、售后工程师、硬件设计、软件设计、系统架构、客户服务工程师等岗位群分别开展调研,并以胜任工程师岗位为目标确定培养方向。
4.以典型产品设计项目活动,依据工程师职业认证和技术发展开发配套实验指导书。依据工程师面对的具体工作,设置阶段性实训项目。以承载工程能力的产品为依托(比如说课程中的C&C08程控交换机和数据通信系统、4G设计方案),依据已规划好的课程之体系标准,展开项目活动设计,把知识与工程技能通过精心设计的学习路径相融合。近几届学生的实验指导书已先后进行了三次大的修订,日趋贴合工程师岗位实践。
三、现阶段取得的教学改革成效
目前已形成全套教学文件(培养方案、课程大纲、实验大纲、实习计划等),带动了全体教师工程设计与产品开发能力的提高,具体表现在以下几个方面。
1.教学培养方案进一步完善。通信工程卓越工程项目核心课程项目化教学改革实施以来,制定了培养方案、课程大纲、实验大纲、实习计划及实践教学体系。在入校的前6学期夯实理论与实践基础,包括但不限于电路、模电、数电、通信原理、通信电子线路、信号与系统、数据结构、操作系统、各方向课程等基本知识与技能。第7学期起学生选择专业方向进行进一步的校企合作培养。
2.构建了与企业紧密结合的培养模式。通信工程专业本科阶段实行高校和企业联合培养方式,强调高校与企业的合作培养(合作企业包括但不限于深圳华为通信等公司)。前5个学期为公共基础和专业基础实施阶段,第2学期为校企联合培养第一步骤,第4学期为校企联合培养第二步骤,第5学期为校企联合培养第三步骤,第6、7学期为校企合作专业课程开设步骤,第8学期为校企联合培养第四步骤(毕业实习、毕业设计),该步骤在联合培养的定点企业实施。
3.充分发挥省级电工电子实践教学示范中心的作用,让学生从要我学转变为我要学。利用“湖南省电工电子示范实验中心”,尝试进行通信小产品研发和试制,对学生课程设计项目实施企业化管理和模拟项目运作,按PMP要求进行项目申请立项、论证、初步设计、详细设计、模块测试、单元测试、系统测试、联机测试、试运行等流程,使学生所学所思提早与企业化管理方式无缝对接,杜绝教学工作两张皮现象。提倡创新型学习和探索式学习,增设工程项目管理类课程,及早让学生接触到大型项目的复杂工程技术问题和企业中大型工程的项目管理、团队协调。
4.构建一套新的人才培养评价体系。这是对该教学改革科学评价的前提,这个评价体系的参与者应该是多元化的,包括高校、用人单位、学生及家长、行业协会。过去学校的人才评价体系唱独角戏而其他三方不参与或者很少参与,造成评价结果自说自话、无人关注且真实性不高,四方参与的新型人才培养评价体系极大地提高了评价的客观性有效性。
四、小结
正所谓纸上学来终觉浅,亲历亲为方觉深,让学生通过一种具体的产品技术平台如华为公司全系列产品线及工程实施规范,实现学生在做中学,逐步提升工程实施能力。还可采用国外原版英文教材与教师自编讲义双管齐下的方法,以适应通信行业全球一体化及参加国外认证考试的需要。实例证明,双语教学对于师生的科研及各方面能力的提高显著,接受双语教学的学生也积极阅读外文专业资料,申报创新、挑战杯项目并成功立项。
五、存在的问题和反思
1.师资队伍和专业建设存在的问题。师资队伍建设速度远远跟不上形势发展的需要,由于通信工程专业属热门专业,社会需求量巨大,湖南省内高校目前还没有通信工程博士点,故师资引进方面一直发展较慢。
2.应用型工科师资培养不易,成果难以量化。现有职称评聘体系主要考核指标为EI、CSCD科研论文,教师在应用型工科人才培养上倾注的心血在职称评聘上没有顺畅的回报途径;钻研工程师教育、工科项目化教学的心得,在薪酬待遇上、职称评聘上,只能体现在毕业生的就业收入上,而这是难以量化评分的,毕业生教师收入倒挂,优秀毕业生学会技术后工作1~2年后收入数倍超过教会他们技术的老师。
3.需大力建设实训基地。有些校外实习基地担心学生影响生产和担心学生的安全问题不愿接受学生实习,一定程度上影响了学生的生产实习和毕业实习。因此有必要加大实习基地的建设,本着“互利互惠”的原则和相关企业建立合作关系。同时要充分发挥校内实训基地的作用,加大对校内实训基地的投入,使学生能在校内完成必要的生产实习。
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