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1.電子技術課程設計的重點與要求
本課程的重點是電路設計,內容側重綜合應用所學知識,設計制作較為復雜的功能電路或小型電子系統。一般給出實驗任務和設計要求,通過電路方案設計、電路設計、電路安裝調試和指標測試、撰寫實驗報告等過程,培養學生綜合運用所學知識解決實際問題的能力,提高電路設計水平和實驗技能。在實踐中著重培養學生系統設計的綜合分析問題和解決問題的能力,培養學生創新實踐的能力。電子技術課程設計一般要求學生根據題目要求,通過查閱資料、調查研究等,獨立完成方案設計、元器件選擇、電路設計、仿真分析、電路的安裝調試及指標測試,并獨立寫出嚴謹的、文理通順的實驗報告。
具體地說,學生通過課程設計教學實踐,應達到以下基本要求:建立電子系統的概念,綜合運用電子技術課程中所學習到的理論知識完成一個電子系統的設計;掌握電子系統設計的基本方法,了解電子系統設計中的關鍵技術;進一步熟悉常用電子器件的類型和特性,掌握合理選用器件的原則;掌握查閱有關資料和使用器件手冊的基本方法;掌握用電子設計自動化軟件設計與仿真電路系統的基本方法;進一步熟悉電子儀器的正確使用方法;學會撰寫課程設計總結報告;培養嚴肅認真的工作作風和嚴謹的科學態度。
2.電子技術課程設計的教學過程
電子技術課程設計是在教師指導下,學生獨立完成課題,達到對學生理論與實踐相結合的綜合性訓練,要求本課程設計涵蓋模擬電路知識和數字電路知識,因此課程設計的選題要求包含數字電子技術和模擬電子技術。教學環節可以分為以下四個部分。
2.1課堂講授。
課程設計開始前,需要確定指導老師。由指導老師通過兩學時的教學,明確課程設計的要求,主要內容包括課程介紹、教學安排、成績評定方法等。在課堂教學環節中,指導老師介紹課題的基本情況與要求,要求學生從多個課題中選擇一個。
2.2設計與調試環節。
2.2.1前期準備、方案及電路設計。
前期準備包括選擇題目、查找資料、確定方案、電路設計、電路仿真等。在確定方案時要求學生認真閱讀教材,根據技術指標,進行方案分析、論證和計算,獨立完成設計。設計工作內容如下:題目分析、系統結構設計、具體電路設計。學生根據所選課題的任務、要求和條件進行總體方案的設計,通過論證與選擇,確定總體方案。此后是對方案中單元電路進行選擇和設計計算,稱為預設計階段,包括元器件的選用和電路參數的計算。最后畫出總體電路圖(原理圖和布線圖),此階段約占課程設計總學時的30%。
2.2.2在實驗室進行電路安裝、調試,指標測試等。
在安裝與調試這個階段,要求學生運用所學的知識進行安裝和調試,達到任務書的各項技術指標。預設計經指導教師審查通過后,學生即可購買所需元器件等材料,并在實驗箱上或試驗板上組裝電路。運用測試儀表調試電路、排除電路故障、調整元器件、修改電路(并制作相應電路板),使之達到設計指標要求。此階段往往是課程設計的重點與難點,所需時間約占總學時的50%。
2.3撰寫總結報告,總結交流與討論。
撰寫課程設計的總結報告是對學生寫科學論文和科研總結報告能力的訓練。學生寫報告,不僅要對設計、組裝、調試的內容進行全面總結,而且要把實踐內容上升到理論高度。總結報告應包括以下方面:系統任務與分析、方案選擇與可行性論證、單元電路的設計、參數計算及元器件選擇、元件清單和參考資料目錄。除此之外,還應對以下幾部分進行說明:設計進程記錄,設計方案說明、比較,實際電路圖,功能與指標測試結果,存在的問題及改進意見,等等。總結報告具體內容如下:課題名稱、內容摘要、設計內容及要求、比較和選擇設計的系統方案、畫出系統框圖、單元電路設計、參數計算和器件選擇。畫出完整的電路圖,并說明電路的工作原理。組裝調試的內容,包括使用的主要儀器和儀表;調試電路的方法和技巧;測試的數據和波形并與計算結果比較分析;調試中出現的故障、原因及排除方法。總結設計電路的特點和方案的優缺點,指出課題的核心及實用價值,列出系統需要的元器件清單,列出參考文獻,收獲、體會,并對本次設計提出建議。
2.4成績評定。
課程的實踐性不僅體現實際操作能力,而且體現獨立完成設計和分析的能力。因此,課程設計的考核分為以下部分:設計方案的正確性與合理性。設計成品:觀察實驗現象,是否達到技術要求。(安裝工藝水平、調試中分析解決問題的能力)實驗報告:實驗報告應具有設計題目、技術指標、實現方案、測試數據、出現的問題與解決方法、收獲體會等。課程設計答辯:考查學生實際掌握的能力和表達能力,設計過程中的學習態度、工作作風和科學精神及創新精神,等等。
3.電子技術課程設計的步驟
在“電子技術基礎”理論課程教學中,通常只介紹單元電路的設計。然而,一個實用的電子電路通常是由若干個單元電路組成的。通常將規模較小、功能單一的電子電路稱為單元電路。因此,一個電子系統的設計不僅包括單元電路的設計,還包括總體電路的系統設計(總體電路由哪些單元電路構成,以及單元電路之間如何連接,等等)。隨著微電子技術的發展,各種通用和專用的模擬和數字集成電路大量涌現,電子系統的設計除了單元電路的設計外,還包括集成電路的合理選用。電子電路的系統設計越來越重要,不過從教學訓練角度出發,課程設計仍應保留一定的單元電路內容。電子系統分為模擬型、數字型及兩者兼而有之的混合型三種。雖然模擬電路和數字電路設計的方法有所不同(尤其單元電路的設計),但總體電路的設計步驟是基本相同的。電子電路的一般設計方法與步驟包括:總體方案的設計與方案論證、單元電路的設計、單元電路間的連接方法、繪制總體電路草圖、關鍵電路試驗、EDA仿真、繪制正式的總體電路圖等。
Abstract: For higher professional colleges and universities, the engine bed electric control and PLC curriculum project needs the massive test installation. Because the funds are anxious, the majority quality colleges' and universities' test installation is very difficult to meet the needs. Therefore, uses the method which the PLC simulation software and the computer unify in solution curriculum project program debugging difficult problem, can receive the good effect.
關鍵詞: PLC仿真軟件;機床電氣控制與PLC課程;課程設計;程序調試
Key words: PLC simulation software; engine bed electric control and PLC curriculum; curriculum project; program debugging
中圖分類號:G42 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2011)02-0273-02
0引言
《機床電氣控制與PLC(可編程序控制器)應用技術》是職業技術院校機械類專業的一門十分重要的專業基礎課。由于這門課以解決實際生產中的具體問題為教學目的,能夠直接應用于生產實際,因此,在教學過程中課程設計部分就顯得尤為重要。我們在教學中實行理論教學與實際操作相結合的教學模式,課程設計以能力培養為主,綜合運用專業及基礎知識解決實際工程技術問題,增強學生的動手能力,使學生在學習理論的同時動手實踐,通過實際操作來分析和鞏固理論知識。應用PLC仿真軟件組織PLC的課程設計,可以更好的培養學生的PLC程序的調試能力,彌補教學資源緊張造成的課程設計單純以編程和答辯為主的教學狀態。
1課程設計存在問題
本課程的課程設計以PLC設計為主,題目以現代工程為背景,學生根據題目的應用背景及設計任務要求進行設計及調試。在設計過程中,程序編制完成以后,在程序調試時需要與真實PLC進行連線,觀察程序運行情況,然后反復修改程序,達到正確控制的目的。由于目前多數高職院校實驗教學設備緊張,幾個專業共用一個PLC實驗室,難免會出現在課程設計期間部分學生不能使用實驗設備進行課程設計的現象。因此,在沒有實驗室真實PLC設備的條件下,學生的程序必須另謀途徑進行調試。在這種情況下,如何尋找到PLC課程設計的突破口,來解決這一問題呢?通過教學實踐和探索,筆者認為利用PLC仿真軟件,結合機械系現有的計算機機房,可以輕松的解決這一問題,并取得顯著效果。
2CX-Simulator仿真軟件的特點
由于在教學過程中PLC部分以OMRON CPM系列 PLC的基本指令和應用為主,因此仿真軟件選取用與其相對應的CX-Simulator3.0仿真軟件,該軟件可以直接仿真OMRON公司生產的CS/CJ等系列PLC,但對CPM系列的PLC卻不支持,這與教學又發生沖突。由于CPM系列與CS/CJ系列PLC的梯形圖編程語言在很大程度上可以兼容,因此可選用其它途徑來進行使用。
3仿真PLC的編程和調試
OMRON仿真PLC的編程和調試是通過CX-Programmer3.0(CXP3.0)編程軟件和CX-Simulator仿真軟件一起進行的。具體仿真步驟如下:
3.1 創建程序及配置編程軟件首先啟動軟件CXP編程軟件,并新建一個項目,選擇要仿真的PLC的型號CPM2*(CPM1A)并編寫控制梯形圖程序。程序編好后,再改變PLC類型為CS/CJ類型。
3.2 激活并配置仿真控制器運行 CX-Simualtor1.9,出現一界面,上有兩個選項,前者Create a new PLC用于首次運行設定,后者 Open an existing PLC可用于再次運行。首次運行需要PLC進行設定,選擇Create anewPLC(PLC Setup Wizard。),設置LNGZ32向導將產生一個新PLC,點擊OK,將產生一個新文件夾,點擊下一步,選擇PLC CPU為CS1G CPU45,之后出現設置 PLC單元模塊型號的選項,其中:“00H CPU Unit (CS1G-CPU45)”是 CPU單元卡,“1FH Virtual Communications Unit”是虛擬通訊單元卡。
在 Unit Selection List選擇單元卡類型,選中后點擊 “
CX-Simulator連接界面。在Virtual選通訊協議 Controller Link,點 Connect連接,成功后 NETWORK指示燈變綠,記下缺省網絡地址 0、節點地址10以備用,點擊Close暫時關閉此畫面,如果執行File菜單下的Work CX-Simulator可重現 Connect(連接)與 Disconnect(斷開連接)的界面。再點擊如圖2所示界面的最左邊的運行按鈕,PLC便進入了運行監控狀態,這時 PLC面板上 RUN指示燈變綠,如圖 2所示。在調試 PLC程序時,如果發現梯形圖程序不能正確運行,就要檢查此按鈕或面板的 RUN狀態。至此,虛擬 PLC已完全進入運行狀態,學生可以開始調試 PLC程序了。
3.3 用 CXP連接 PLC仿真器PLC模擬器已成功運行后,打開要調試梯形圖程序,調試時,編程器 CXP3.0必須選擇與模擬器同樣的 PLC類型與 CPU類型,同時網絡類型選 Controller Link或 FinsGateway。點其右側的 Settings…,FINS目的地址填入模擬器連接后的地址 0、10并保存,以后打開此工程就不需再次設定。此時,若 PLC梯形圖已編輯好,就可以跟模擬器連接了,點擊快捷圖標“工作在線仿真(Ctrl-Shift-W)”,連接成功后,會自動出現下載對話框,可將程序下傳到 PLC,為開始調試程序作好準備。
3.4 模仿輸入跟 PLC相比,模擬器沒有真正 PLC的輸入端子,這可以用功能“設置”與“強置”設置狀態來實現。如模仿按下按鈕 0.0,對其鼠標右擊,先設置成 ON,再設置成 OFF,就相當于按下后又松開此按鈕,以此類推,學生就可根據手動控制整個過程的一些觸點狀態來接通或斷開程序進行調試。當程序執行結果不符合設計要求時,可以再次點擊 “工作在線仿真”快捷圖標,使程序離線并對程序進行修改,然后再下傳程序、運行程序、檢查運行結果或觀察具體程序執行情況,不斷循環上述步驟,進行程序調試,直至達到設計要求為止。在現實的工作環境中,PLC仿真軟件也在廣泛應用,由于仿真軟件不是真實 PLC,程序調試過程中不會真正操作現場設備,這有利于在實驗室沒有真實 PLC的情況下進行程序調試和對新人進行培訓。目前,部分公司正在利用PLC仿真軟件結合上位組態軟件,進行工廠生產仿真系統部分程序的開發。因此,讓學生早些接觸 PLC仿真軟件,無疑為以后步入相關工作打下基礎。總之,利用 PLC仿真軟件進行 PLC課程設計是可行的,能收到較好的效果。學生通過電腦上機,仿真實踐,可以很好地觀察和消化所學的理論知識,同時通過PLC仿真軟件實現人機交互,可以嘗試改變某些指令、程序,再觀察設計結果,能極大地調動學生的學習熱情,同時也解決了學校 PLC實驗設備緊張的問題。 實踐證明,通過仿真軟件組織課程設計的過程,使學生可以大大擴展自我學習的空間并在教學時間之外,使用自己的筆記本和臺式機電腦,通過對PLC仿真軟件的程序仿真,獨立學會更多的PLC的編程技術,為下一步進行畢業設計和畢業之后的實踐奠定良好的基礎。
參考文獻:
[1]程曙艷.短學期制下的PLC課程設計的探索[J].福建電腦,2006,(3).
關鍵詞: 數字電子技術課程設計 存在問題 改革建議
1.引言
數字電子技術課程設計是配合數字電子技術基礎課程與實驗教學的一個非常重要的教學環節。它能幫助學生鞏固數字電子技術的理論知識,提高學生電子電路的設計水平,增強學生綜合分析問題和解決問題的能力,培養學生的實驗技能和動手能力,強化學生的創新意識,發展學生的創新思維。
如今越來越注重學生的實踐動手能力,我們有必要對數字電子技術課程設計的教學進行改革,適應市場對人才的需求。
2.數字電子技術課程設計的現狀及存在問題
2.1重理論,輕實踐。
數字電子技術課程設計一般為期一周,學生在一周內很難完成查閱資料、選擇方案、設計電路、安裝調試及撰寫報告的任務。由于時間緊迫,所選課題受到限制,因此大多數學生只重視理論設計,而忽視實踐制作及調試,整個設計變得枯燥乏味,使得課程設計有名無實,不能真正提高學生的動手能力。
2.2選題盲目。
數字電子技術課程設計一般由指導教師擬定若干課題,學生從中選擇,由于選題時間有限,學生選題帶有一定的盲目性。另外,指導教師擬定的課題往往難度太大,內容太偏,使學生失去設計興趣,過于依賴教師,加重輔導教師的負擔。
2.3綜合職業能力認知度較低,積極性不高。
數字電子技術一般在大二第一學期開設,學生參與的實習實訓較少,大多數學生的工作崗位職業意識淡薄,綜合職業能力認知度較低,在學習過程中只注重數字電子技術理論知識的學習,理論學習與實踐脫節,使學生學習興趣降低,自我懷疑,造成在數字電子技術課程設計過程中積極性不高、動手能力較差。
2.4仿真軟件利用率較低。
目前,應用EDA軟件進行電子線路輔助設計已經成為一種潮流。Prote1具有功能強大、操作方便等諸多優點,是目前最為流行、使用最多的EDA軟件之一,在課程設計中學生完全可以利用EDA仿真軟件進行電路仿真,利用Prote1軟件設計印刷電路板,彌補自行設計電路的不足。由于很多學生對這些軟件了解不多,現代化的軟件利用率較低,與現代企業實際脫節。
3.關于數字電子技術課程設計改革的幾點建議
3.1合理制訂計劃。
合理的課程設計計劃對課程設計教學的實際效果起著很重要的作用。將數字電子技術課程設計的時間改為兩周,課程設計的內容在原來的基礎上增加設計制作印刷電路板及組裝調試。這樣,學生就有充裕的時間完成任務,充分發揮主動性,使課程設計的成果多種多樣。課程設計的計劃制訂擬定如下:
數字電子技術課程設計計劃表
3.2靈活選題,教師把關,貼近實際。
合理選題對課程設計完成的質量及學生的能力培養有很大的影響,選用實用性較強的課題能激發學生的興趣,提高課程設計質量,增強學生的成就感。目前,隨著電子技術的不斷發展,各種成熟的電子電路數不勝數,為適應這一發展趨勢,在平時的授課過程中,教師要為學生灌輸課程設計的必要性及要求,有意識地多介紹一些常見芯片的典型應用,多提一些趣味性較強、實用性較高的題目(如電子密碼鎖、循環流水燈等),激發學生的學習熱情,鼓勵學生自由選題,指導學生合理選題,選出感興趣的課題,這樣既可進一步調動學生設計的積極性,又可減輕輔導教師的負擔,還可避免以往課程設計中學生抄襲的現象。
3.3營造職業氛圍,樹立職業意識。
講解現代企業的運行模式、管理理念,產品的開發、生產流程,設計時按課題對學生進行分組、分工,權責明確,將一個個設計課題當成產品去做,努力培養學生的實驗技能和動手能力,啟發學生的創造意識及創新思維能力,積極營造職業氛圍,樹立學生的職業意識,幫助學生形成社會人的基本品格。
3.4充分利用現有的仿真軟件。
在授課過程中,介紹電子線路設計中的常用軟件,讓學生提前了解,在平時實驗時就學習使用,在課程設計時鼓勵學生用仿真軟件進行電路仿真,用繪圖軟件進行繪圖。
3.5合理制定評定體系。
合理的評定指標是激發學生的學習動力,對于數字電子技術課程設計可采用以下方案評定:
3.5.1審閱課程設計報告,報告占總評成績的40%,報告要求條理清楚,格式規范,圖表完備,技術用語正確等。
3.5.2現場實物測試并提問,其中指標完成占30%,外觀占5%,焊點質量及布線占5%,該項占總評成績的40%。
3.5.3集體答辯,根據組員分工情況集體答辯,該項占總評成績的20%。
3.5.4總結分析設計、調試中出現的問題,就課題中出現的問題進行綜合分析,評選出優秀作品,予以獎勵。
4.結語
課程設計是數字電子技術課的一個重要實踐環節,如何提高學生的創新能力、切實加強學生動手能力的培養是各高校普遍重視的問題。制訂合理的設計計劃、合理選題及應用先進的軟件進行輔助設計等,可以激發學生對課程設計的濃厚興趣,使學生的創造力和綜合技能得到提高,為將來的畢業設計及工作打好基礎。
參考文獻:
[1]夏茂忠.電子技術綜合與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.
(福建工程學院 信息科學與工程學院,福建 福州 350108)
摘 要:要真正提高《微機原理及接口技術》課程的教學效果,必須改變原來的課程教學和課程設計兩個體系.《微機原理及接口技術》課程“設計導向型”教學模式,即將理論課、實驗課和課程設計有機融合在一起,將課程教學內容與實際應用系統的設計進行優化和整合,引導學生從簡單的基礎知識逐步過渡到復雜接口設計及程序設計,學生在學習過程中,自然就逐步熟悉了單片機應用系統的開發流程,不僅培養了學生的動手能力與鉆研精神,還可以積累一定的創新與實踐經驗,這對于電子信息類專業本科學生,具有非常重要的意義.
關鍵詞 :微機原理及接口技術;設計導向型;教學模式
中圖分類號:G642 文獻標識碼:A 文章編號:1673-260X(2015)01-0215-02
1 設計導向型教學模式的意義
單片機主要應用于測控領域,在工業自動檢測系統、數據采集系統、家電控制、智能儀器儀表等諸多領域都有廣泛的用途.《微機原理及接口技術》課程是電子信息類專業的重要專業課程.是一門軟硬件技術結合緊密,理論性和實踐性都很強的課程,本質上是基礎一門應用型的工程技術課程.該課程已在我院電子信息類專業開辦多年,積累了一定的教學和實踐經驗,我們將理論課、實驗課和應用設計統一起來,將單片機本身各功能模塊的原理性分析與實驗板電路的硬件設計及程序設計進行了較好的結合,從應用的角度與實際的應用系統很好地融合,顛覆傳統的教學方法.
2 設計導向型教學模式的實施過程
2.1 激發學習興趣的同時立下規矩
在第1次課中,我們會對單片機的有關概念以及它的用途做一個全面詳實的介紹,除了簡要列舉圖文并茂的應用案例外,還把歷年學生的設計優秀作品帶進教室,介紹它們的功能及操作使用,通過形象生動的演示介紹,讓學生真切地感受到單片機系統無所不在,與學習生活很貼近,第1次課就創建一個“單片機系統不僅有用而且有趣”的場景,激發學生的學習興趣.在培養學生興趣的同時,對這門課的學習方法和態度提出要求,在課堂,要求學生準時到堂、專注聽課、勤做筆記、積極互動、大膽提問;在課外,應廣泛閱讀、扎實溫習、認真練習、多做實踐、討論請教.并且告知學生考核成績由期末考試,平時學習、作業、測驗、實驗及實驗考核構成及每部分所占比例.這樣,在第1次課激發學習興趣的同時就立下規矩,對學生學習過程的評價有法可依,讓學生有一定的敬畏之心,自覺主動的投入到該課程的學習過程中.
2.2 理論課、實驗課和課程設計的有機統一
課程的學習是一個循序漸進的過程,我們在教學上是通過實驗電路板將各部分有機地串接起來,課程設計也是借助它的電路完成控制程序的設計.該實驗板是由本課題組成員自行開發制作的實驗設備,特點是:體積小,攜帶方便,在實驗、課程設計等各實踐環節中,學生人手一機,可以在課余時間完成擴展的實驗與系統設計,效果與開放性實驗是相同的.以該實驗板作為教學案例,我們編寫了實驗板測試程序,作為實驗板功能檢測與程序示例提供給學生閱讀使用,對每個模塊、每條指令功能都進行了注釋,極大的方便了學生的閱讀理解.在介紹有關章節的理論知識時,我們就會以實驗板相應部分的接口電路作為例子進行硬件電路的分析并介紹測試程序的有關模塊,這樣學生就會對一個完整應用系統的硬件和軟件如何設計有深刻的理解.實驗是設計應用系統學習過程中必不可少的重要實踐環節,通過實驗,使學生掌握單片機開發工具的使用、程序設計與調試的方法;掌握常用接口電路與單片機的連接方法;培養學生的設計能力、操作等能力,從而為兩周的課程設計打下堅實的基礎.在第1次課我們就會把有關的學習資料,包括單片機開發工具、Keil軟件的使用、測試程序、實驗板原理圖等提供給學生,要求他們逐步的去理解并掌握如何使用.針對該課程,我們共安排了7次實驗,實驗內容具有設計性、綜合性、創新性的“三性”特征,內容由易到難、循序漸進,每一次的實驗都包括三部分:首先是與知識點配合的基本實驗;其次是使用測試程序,在閱讀理解的基礎上編程運行以實現規定的功能或者通過修改參數運行程序以觀察現象并分析;再有是擴展性實驗部分,通過這樣的過程使學生在知識和能力等諸方面得到全面提高.要求學生每次實驗應做好預習工作,在理解知識點、消化實例的基礎上去編寫程序,撰寫預習報告.實驗進行過程中對出現的問題及時有效地幫助學生分析、解決問題,保證了學生實驗的順利完成,并要求學生做詳實的記錄,在每個實驗子項預備內容后預留的空檔位置記錄實驗現象、出現問題、解決辦法、實驗效果,本項實驗結論及分析,撰寫實驗總結,當堂上交實驗報告.兩節課實驗內容是相當的充實,許多標準化的程序模塊就可以被課程設計直接利用或具有重要的參考價值.經過一個學期有效的訓練,為應用系統的設計打下了堅實的基礎,兩周的課程設計就可以輕松應對.
2.3 應用系統的設計貫穿課程的始終
2.3.1 課程設計題目的擬定
課程設計的目標是通過小型微機應用產品的設計與調試過程,運用《微機原理及接口技術》課程所學的基本知識,在設計中加以應用,進而得到理解、鞏固和提高,學習掌握分析與解決實際問題的方法與手段,提高設計、編程與調試的實際動手能力,作為工程技術工作的一次基本訓練.針對課程設計的目標,在課程開始之初,依據學生認知特點,以能力培養為出發點,充分分析電子信息類專業應用技術能力的具體要求,科學合理地進行設計課題的規劃,擬定切實可行的設計課題.課題既要將教學內容與實踐結合在一起,又要能夠激發學生的學習興趣,符合學生能力水平及實驗室設計條件的課題,典型課題如多路溫度巡檢儀、簡易音樂播放器、可編程控制器、小區樓道開門控制系統、解題鬧鐘等等,課題在每個學期都會進行更新,課題新穎有趣,融合了微機接口技術的各部分的內容,包括中斷系統、定時計數器、鍵盤接口、顯示器接口、A/D接口等等.過往的課題的設計資料可以提供給學生閱讀,讓他們領悟應用系統設計的思想和方法.兩周的設計是對學生掌握這門課程綜合知識的考量,更是對他們應用知識駕馭設計系統的能力的檢驗.在課程學習的早期就告知學生課程設計的題目及內容,讓學生學習有個目標,可以提高學生的學習興趣和積極性.由于學生的水平能力各不相同,我們對所要設計的內容進行分解,分為基本的設計要求和功能選做擴展兩部分,那么在兩周的設計中我們要求學生應先完成基本要求,對大部分學生而言都能做到,增強了學生的學習熱情和信心.在完成基本設計的基礎上,有能力的學生再去選做功能擴展部分,給學生較大的發揮空間,激發學生的創新思維、創造力和成就感.這樣讓各個層次的學生從設計中都能夠得到鍛煉,學到設計、編程、調試的方法并在原有的基礎上都能夠得到提高.
2.3.2 設計過程的掌控
設計任務是貫穿了課程學習的始終,學生從學期初就要了解單片機應用系統的研制步驟和方法,從分析系統入手,需經過總體設計-硬件系統-軟件系統-仿真調試-固化程序等整個流程,在一個學期的學習過程的同時學生有充足的時間去了解該設計的內容與功能,查閱資料,并在每個學習階段去思考有關的功能如何實現.如硬件電路的設計在平時就可以逐步進行的,在期初介紹完片內硬件結構就可以讓學生先設計最小系統、指示燈電路、報警電路,輸入輸出外設接口電路講授后就可以設計顯示接口電路和鍵盤接口接口電路等,最終焊接電路板并調試完成.兩周的設計開始時我們會對課題進行更為具體詳實的布置,目的是讓學生在老師的引導下掌握規范化、標準化、可擴展化的設計思想與方法,尤其是軟件系統的設計,讓學生再次明確任務并介紹總體方案設計,引入分模塊設計和進程碼的概念,引導學生對任務進行分解,從易到難,并通過進程碼把各個功能模塊有機地串接在一起,最后才是程序綜合聯調和軟、硬件的綜合調試及功能完善、擴展.同時,在學生設計的過程中,要不斷地給予指導.要充分肯定每一位學生的努力和取得的成績,學生在剛開始設計的時候必然會很茫然,這時,教師一定要做好指導工作,避免學生在一開始工作時受到挫折,不利于項目的順利進展.在兩周的設計中,鼓勵學生進行討論,交換對某個功能實現的想法,以強幫弱,多鼓勵基礎薄弱的學生,給他們設計的信心,一點一滴讓他們了解設計的思想,逐個模塊地去理解掌握,最后大多數也都通過了驗收和答辯,較好的完成了課程設計的任務.答辯也是課程設計不可或缺的重要環節,答辯時,要求學生能夠流暢的敘述系統的功能、操作使用、設計思想等,并對老師提出的問題解釋說明,通過答辯可以對學生的能力層次、設計狀況了如指掌,同時還能夠提高學生的表達能力、鍛煉心理素質.
3 設計導向型教學模式的效果
設計導向型教學模式的重要思想就是將單片機理論課、實驗課和應用設計有機融合在一起,理論知識與應用系統的開發設計、調試緊密結合起來,以模塊化的方式組織課堂教學.這種將理論和實踐融合在一起,增強學生的學習興趣,激發學生的學習潛能,真正實現應用類課程“學以致用”的教學理念.
3.1 提高學習效率
項目導向型教學模式實施時,教師在課程教學之初便告知學生將要完成的設計任務,因而學習的目的性強、效率高.而傳統教學中,教師在課堂上講,學生被動學習,是一種典型的“填鴨式”教學.相比之下,項目導向型教學極大地提高了學生學習的效率,具有無可比擬的優越性.
3.2 培養創新精神
為完成設計,需要從各種途徑獲得與項目有關的信息和資源,尋找解決問題的方法并最終制定項目實施方案.在這個過程中,學生積極主動學習,不受傳統課堂框架的束縛,相互討論,集思廣益,新思想,新觀念,新方法不斷涌現,學生創新能力不斷增強,
課題內容設計合理與否,將直接影響到課程設計的綜合訓練效果。在具體課題內容設計時,應注意以下幾點:
選擇具有實用性和趣味性的課題從學生的實際水平出發,幫助學生選擇適合自己的題目,使題目與理論知識密切相關,又具有較強的趣味性和實用性,與生產實際相結合。例如,要求學生組裝一整的收音機、家居生活中能用到的聲光控開關、門窗防盜報警器等。又如我們選用的《音樂彩燈控制器設計》、《多功能數字鐘的電路設計》、《交通燈控制邏輯電路設計》等課題,學生做起來積極性很高。更重要的是通過這一過程,學生運用專業技能解決實際問題的綜合能力得到了提高。
選擇能綜合應用理論知識的課題要求學生綜合運用本課程的基本理論和知識,獨立完成一項實際課題。通過查閱資料、線路設計、選擇元器件、電路安裝調試,使學生所學的基本理論和知識充分運用于解決實際問題。例如電子脈搏計這一課題,要應用到傳感器、放大電路、有源濾波電路、整形電路以及數字電路中的各種門電路、觸發器、計數器及譯碼、驅動顯示電路。又如數字鐘電路設計這一課題,數字鐘是一個典型的數字電路系統,選此作為設計題目,可使學生將學過的比較零散的數字電路知識有機地、系統地聯系起來用于實際,培養綜合分析、設計電路的能力。還可選用有源濾波器的設計題目,使學生進一步加深領會運算放大器在信號處理電路中的應用,選用交流寬帶放大器的設計,使學生對放大電路的三種不同組態的特點、應用場合以及電路的設計方法得到練習,并通過這個對基本放大電路的放大倍數、輸入電阻、輸出電阻、頻帶寬度以及引入負反饋對放大器性能的改善得到進一步的理解,同時提高學生理論聯系實際的能力。
課題內容要注重集成電路和新技術、新產品的應用當今時代電子技術飛躍發展,新技術、新產品層出不窮,課程設計可以彌補教材的滯后性。在電路設計中,應盡量采用集成電路,特別是集成運算放大器和某些專用芯片(如模擬乘法器、鎖相環)作為電路的重要構件,體現出現代電子電路的設計是各種集成電路構件的組合的先進設計理念,尤其是將模擬電路、數字電路與微處理器相結合,以數字電路為主,軟硬件結合,以硬件電路設計為主,符合現代電子電路結構的發展方向。例如我們原來經常選定分立元件OTL和OCL功放電路設計課題,隨著目前大量的集成功放芯片的上市,我們就把這些課題內容并入《集成電路音響放大器》、《音頻信號發生器》等課題中。又如在數字脈搏計課題中,介紹了鎖相倍頻的新概念,同時介紹了集成電路CC4046和C14526構成的鎖相倍頻電路。通過這些課題設計將一些集成電路的工作原理以及使用方法介紹給學生,并在實踐中得到練習,使所學的理論知識更加豐富。
選擇適應專業需要,結合專業特點的課題為了拓寬學生的知識領域,使學生對專業有所認識和了解,提高學生對專業的興趣和學習的積極性,在課程設計中引入了一些結合專業特點的課題。例如數字轉速測試系統與頻率計設計,由于轉速測量在工業控制領域和人們的日常生活中經常遇到,在工廠里測電機每分鐘的轉速,自行車里程測速計,心率計以及汽車時速的測量等都屬于這一范疇。又如PWM(電動機調速系統),由于該系統在工業控制的調速系統中得到廣泛地應用,同時,又由于該系統由脈寬調制器和脈沖放大器兩大部分組成,而脈寬調制器又包括鋸齒波發生器和電壓比較器,密切地聯系了電子技術課程的基本內容。這些課題對掌握基礎知識,開闊學生的視野,增強對專業課的認識,提高學習的積極性都能起到較大的作用。
注意選擇和后續專業課有關的課題為對電子技術課程的進一步提高和為后續課程打下一定基礎,可考慮選擇一些模擬電路和數字電路綜合性的課題,以使學生對電子技術有一個全面的、綜合的認識,對后續專業課有一定了解,為后面的學習打好基礎。例如《調速系統的給定積分器》課題。
課程設計的組織實施
以人為本,因材施教教師只在大思路上作一定的引導,對具體方案不做過多干預,只起組織、引導、檢查、把關和解決一些疑難問題的作用,放手讓學生大膽實踐,以充分發揮學生的主動性和創造性。我們的改進做法是:在注重結論正確的同時,強調整個設計方案實施的全過程,即使得出的結論不盡如人意,甚至是錯的,只要學生能找出其中的原因并提出相應的改進措施,仍然可獲得較好的成績;相反,如果結論是抄襲得來的,即便是正確的,設計成績也按不及格處理。如電子脈搏計的設計課題,只給出設計方案的原理框圖,講明基本原理、總體構思和適當的設計提要,在設計任務書中給出原始數據及主要技術要求,而具體的原理圖及元件的參數,集成電路的選擇,電路的安裝調試等工作則要求學生獨立完成,這樣做可培養學生的自學和獨立解決問題的能力,學生的收獲更大。
虛實結合,重在“真品”(1)采用機輔分析。電子設計自動化(EDA)技術是以計算機為工作平臺,對電子電路或系統進行自動分析和設計的計算機輔助技術,它的應用使得電路功能、參數的分析和設計都可以脫離具體對象,在構筑于計算機平臺上的虛擬環境中通過仿真處理而自動實現。EDA技術已成為現代電子工程開發與應用領域的支撐技術,在電子行業,Miltisim、Protel等電子仿真軟件,已成為電子工程設計的必備工具。學習和掌握應用計算機對電子電路的分析是目前和今后發展的必然趨勢,將其應用到課程設計領域也是教學改革的方向。一是應用Miltisim設計電路仿真。在學生根據設計課題擬定初步方案后,要求他們先在電路仿真與分析軟件Milltisim平臺上對于所設計的電路進行仿真,觀察電路功能是否滿足設計要求,分析主要元器件參數對電路指標的影響,初步了解電路靜態和動態的工作情況,在Milltisim平臺上調試電路使之達到技術指標,為電路的實調做準備。二是應用ProtelForWindows設計印刷電路板。在Milltisim仿真后,給學生介紹印刷電路板的自動化設計軟件ProtelForWindows和設計印刷電路板的基本工程知識,要求學生應用ProtelForWindows設計軟件繪制本組設計的電路原理圖并設計出印刷電路板圖。通過幾年課程設計的實踐,對有源濾波器、交流寬帶放大器、數字溫度計、數字鐘、交通燈控制器等設計課題采用MilltisimEDA軟件與虛擬樣機,指導學生進行電子技術課程設計,取得了較好的教學效果。(2)結合傳統設計。近年來,全國各高校都開設了EDA技術的教學和實踐課程。對機電類專業的學生而言,電子技術課程設計是學生在學完電子技術理論課程后進行的一次綜合性訓練,其目的是培養學生綜合運用所學理論知識的能力、獨立設計電子產品的能力和對電子產品實際安裝、調試的能力。如果學生沒有從原理圖設計開始一直做到樣機調試成功,經歷整個電子產品的設計、開發過程,又如何能提高電子技術課程設計的作用?所以要將傳統課程設計與EDA技術的訓練相結合,比較電路實測的性能和計算機的仿真結果,以認識計算機仿真在電路設計中所起的作用,使學生對EDA技術的了解不只是停留在軟件系統的操作上,而是對該技術在電子設計中所起的作用有一個整體的認識,能對學生綜合能力的培養有所幫助。
形成組合,團結協作在組隊方面,采取電子設計競賽的組織方式,2~3人為一組,要求學生不僅要共同討論設計課題和選擇設計方案,還必須落實自己具體的設計任務,如計算機輔助分析、硬件電路的制作、調試、資料的查閱、整理和總結等,有分工有合作,以培養學生的團隊精神。
(北京林業大學 信息學院,北京 100083)
摘要:結合高等教育心理學中的學習遷移理論,對數據結構課程設計的教學進行了思考與教學實踐。文章針對數據結構課程設計的教學目標制定、設計題目設計、考核方式等各個環節的特點與問題,闡述了學習遷移理論對數據結構課程設計的指導作用;在此基礎上給出了所制定的課程設計題目及一些有代表性的學生作品欣賞;對課程設計與課程實驗的區別進行了論述。對今后數據結構課程設計教學具有很好的參考和借鑒價值。
關鍵詞 :學習遷移;課程設計;題目設計;作品欣賞
基金項目:北京林業大學2011年“虛擬現實技術”精品課程建設項目;2014年北京林業大學微課建設項目“計算機動畫原理與技術”。
第一作者簡介:楊猛,男,講師,研究方向為計算機應用技術,yangmeng@bjfu.edu.cn。
0 引言
數據結構[1]是北京林業大學信息學院的計算機科學與技術、數字媒體藝術、信息管理與信息系統等專業的一門重要專業基礎課,也是必修課。它的總學時為64學時,其中理論授課48學時,實驗16學時,課程設計(實習)一周,通常安排在第3學期或者第4學期開課。數據結構也是軟件開發與設計、計算機算法研究與實現等課程的基礎,其主要內容包括線性表、棧和隊列、串、數組和廣義表、樹、圖、查找算法和排序算法等。數據結構課程設計通常是在數據結構的授課環節以及實驗環節之后,單獨安排學生用大約一周的時間來完成一個較大的作業,以提高學生的思維能力,促進學生的綜合應用能力和專業素質的提高。
學習遷移一般是指學習者已有的知識經驗、技能等對另一種學習的影響。學習遷移是知識學習過程中普遍存在的。由數據結構課程實驗到課程設計,是對數據結構基礎知識到綜合能力的一種自然過渡,這個過渡即為學習遷移。學生在課程學習過程中,如果能夠很好地應用學習遷移,將有利于完善知識結構,收到舉一反三、觸類旁通的良好學習效果。可見,從數據結構基礎知識到數據結構課程設計能力培養,是一種學習遷移的過程。因而,在課程設計的教學實施過程中,學習遷移理論對提高教師的授課質量和學生的學習效果起著非常重要的作用。
筆者對學習遷移基本理論進行了分析,并結合其在數據結構課程設計的實際教學實施過程中的體現,闡述了如何有效應用學習遷移理論來提高授課質量和學生的學習效率。
1 學習遷移基本理論
學習遷移是指一種學習中學得的經驗對另一種學習的影響。遷移的基本過程是一個概括出新舊學習本質特征的過程。它是學習者運用已有的認知經驗和技能,在對新的學習內容進行分析概括的基礎上實現的。學習遷移有順向和逆向兩種,先前學習對后來學習的影響稱為順向遷移,反之則為逆向遷移。不論順向遷移還是逆向遷移,都有正負之分。正遷移指一種學習對另一種學習起促進作用,反之起阻礙作用則為負遷移。按照遷移的方向來劃分,可以分為水平遷移和垂直遷移。水平遷移指已習得的概念、規則或解決問題的方法等在同一抽象概括層次的新情境中的運用;垂直遷移指低級概念和規則向高級概念和規則的遷移。學習遷移理論主要包括以下幾種[2]。
(1)形式訓練理論。該學說以官能心理學為理論依據,認為通過一定的訓練,可以發展心的官能,從而將其轉移到其他學習上去。
(2)相同要素理論。該理論認為原先的學習能夠遷移到新的學習中去的前提條件是兩種學習情境有相同的要素。并且相同要素越多,遷移的程度越高。
(3)泛化理論。泛化理論是指將在一種情境中得到的經驗進行“泛化”并運用到另一種情境中去。因此在教學過程中,為使學生能夠掌握學習遷移,應該讓學生學會思考泛化。
(4)轉化理論。支持該理論的心理學家認為學習遷移實際上是一個關系轉化的問題。產生遷移的原因,是由于兩者之間存在著相同的關系。我們平時強調通過理解而不是機械記憶來學習是因為理解可以轉化到各種情境中去,減少知識的錯誤運用。
(5)學習定勢理論。該理論指出遷移取決于通過練習而獲得的定勢或學習能力。通過練習某一種學習問題,可以幫助解決另一種不同的問題。
(6)認知遷移理論。該理論認為遷移的可能性取決于在記憶搜尋過程中遇到相關信息或技能的可能性。所以,如何增加學生在面臨實際問題時提取所學知識的可能性尤為重要。提取的可能性與交互聯結的數量直接有關,所以任何增加交互聯結網絡的“豐富性”的教育方法,對增加遷移的可能性均是有利的。
2 基于學習遷移理論指導的數據結構課程設計
依據前面對學習遷移基本理論的分析,以下將結合數據結構課程設計在教學目標、教學內容與基本要求、題目設計、考核方式以及學生作品欣賞等各個環節的特點與問題,闡述學習遷移理論對數據結構課程設計的指導作用。
2.1 課程設計教學目標
2.1.1 教學目標
學習數據結構是為了將實際問題中所涉及的對象在計算機中表示出來并對它們進行處理。根據形式訓練理論的觀點,學習技能的掌握是經過反復訓練達到的,學生對知識的理解程度和技能的熟練程度越高,正遷移的可能性越大。因此實踐教學環節非常重要。通過課程設計,一方面,使學生學會綜合分析研究計算機加工的數據結構的特性,以便為應用涉及的數據選擇適當的邏輯結構、存儲結構及相應的算法,并初步了解對算法的時間分析和空間分析技術;另一方面,通過課程設計中的算法設計和上機實踐的訓練,培養學生全面的數據抽象能力、綜合的程序設計能力等。通過此次課程設計主要達到如下目的。
(1)了解并掌握數據結構與算法的設計方法,掌握數組、鏈表、隊列、堆棧、樹、圖、查找、排序等基本數據結構,具備初步的獨立分析和設計能力。
(2)初步掌握軟件開發過程[3]的問題分析、系統設計、程序編碼、測試等基本方法和技能。
(3)提高獨立分析和解決問題的能力。
(4)訓練用系統的觀點和軟件開發一般規范進行軟件開發,培養軟件工作者所應具備的科學的工作方法和作風。
2.1.2 教學實驗中的遷移
教學實驗[4]側重于幫助學生詳細理解相應章節的知識點,具有針對性強、目的明確等特點。同時幫助學生樹立起動手編程的信心,逐步提高學生對該章節所涉及算法的理解與動手能力。這是由基礎理論知識到編程實踐的一種遷移,是正遷移。我們以實驗1(基于線性表的學生信息管理)為例,該實驗要求學生重點掌握線性表的定義與線性表的基本操作,如建立、查找、插入和刪除等。其實驗內容詳細地介紹了需要實現的每一個功能。同時,為了使動手能力差、基礎薄弱的學生也能快速地掌握編程技術,教學實驗通常會給出一些代碼不完整的參考程序供他們參考,只需添加需要實驗的線性表功能的代碼即可。這樣,使學生能夠對前面學習過的理論知識的理解更加清晰、深刻,有利于學生扎實地掌握理論知識。可見,這是后面編程實踐所獲得的經驗對前面所學理論知識的一種遷移,是逆遷移。按照泛化理論,我們需要把一種情境中得到的經驗進行“泛化”并運用到另一種情境中去,應該讓學生學會思考泛化。為此,為了滿足編程能力強的學生的需求,實驗要求中除了必做題目外,還安排了選作內容供他們選擇實現,充分調動不同能力的學生的編程積極性。
與教學實驗不同,數據結構課程設計強調的是學生綜合運用知識點與基礎算法,設計出較為復雜的用來解決實際問題的算法。題目要求往往只是提出對課程設計題目的描述,而非一條一條的具體功能,這就要求學生具有一定的分析問題的能力和學習遷移的能力,綜合運用所學知識解決題目中所描述的問題。所以,課程設計強調培養學生綜合運用知識來分析問題、解決問題的能力,這也是泛化理論的體現。
總之,課程設計的目標[5]是使學生能將數據結構課程中所學的基本知識融會貫通,綜合運用所學的知識解決相關的實際問題,能夠把所學知識(包括算法和結構)在計算機上用編程語言加以實現,并且能夠根據實際需求創建自己的數據結構和實現自己的算法。而學習遷移是實現這一目標的有效途徑。只有在掌握好基礎理論知識的基礎上學會遷移,才能更好地解決問題、達成目標。
2.2 課程設計的內容及基本要求
合理安排課程設計的內容才能充分發揮其遷移的功效。從學習遷移的角度來說,合理安排課程設計的內容的標準就是使課程設計內容與課堂教學內容具有一定的關聯性和一致性,這有助于學生在做課程設計的過程中鞏固課堂所學知識,加深對知識的理解,重構教學內容的結構,為知識遷移提供很好的支撐。
課程設計的內容既要遵循基本的授課內容,又要從一定的高度上對基本內容進行抽象與發展,使之能夠真實、準確地反映出由基礎知識到綜合運用能力的遷移過程。因而本文中課程設計的內容主要包括:①設計準備:理解實習任務,明確相關算法,搜集可用資源,熟悉實習環境。②方案設計:完成設計目標、設計路線的確定,并進行模塊設計和任務分工。③代碼編寫:各模塊代碼編寫、模塊測試。④代碼測試:模塊組裝、整體測試。⑤設計報告:完成設計文檔,制作設計報告。
為了保證綜合、靈活運用基礎知識的遷移效果,課程設計有如下基本要求:首先,學生應該獨立思考、獨立完成。在課程設計過程中各任務的設計和調試要求小組獨立完成,遇到問題可以討論,但不可以拷貝。其次,要做好上機準備。每次上機前,要事先編制好準備調試的程序,認真想好調試步驟和有關環境的設置方法,準備好有關的文件。再次,按照課程設計的具體要求建立功能模塊,每個模塊要求按照以下幾個內容認真完成,包括需求分析、概要設計、詳細設計、調試分析、課程設計總結。最后,課程設計結束后需要對課程設計結果進行檢查和演示,并提交程序源代碼和文檔文件、課程設計報告等內容。
課程設計過程中的編程環節是從程序設計語言課程到數據結構課程的另外一種重要的知識遷移,需要用面向程序或者面向對象的思想來完成數據結構中線性表等基本的結構定義以及操作。本文中課程設計需要重點注意的事項有:①注意備份源文件;②不要輕易刪除代碼,如需要修改,最好用注釋方法來代替刪除;③熟悉常用的調試技巧。
2.3 課程設計題目設計
為了促進學生正遷移學習,教師要科學合理地設計課設的題目,要建立在學生主動、適度、適量、適時且形式多樣化的基礎上, 引導學生綜合利用所學知識和經驗,深入思考分析問題,學以致用。按照形式訓練理論,我們需要通過一定的訓練進而發展學生心的官能,從而將其前面所學知識轉移到其他學習上去。為此,通過教學實驗內容的訓練,我們已經訓練了學生在基礎理論與基礎編程中的能力,這些經驗為先前知識的轉移打下了堅實的基礎。按照泛化理論,我們將在一種情境中得到的經驗進行“泛化”并運用到另一種情境中去,需要讓學生學會思考泛化。為此,與教學實驗的細化要求不同,我們所設計的課程設計題目主要是給出題目要求的概括性描述,之后是一些要求與提示,還會有一些對題目中個別語句的解釋,但不會給出參考的代碼,全憑學生自己的知識組成以及算法設計來完成題目要求。我們從泛化理論出發,2011級數字媒體藝術專業的課程設計共8個題目,其中題目1~7具體給出所做題目的描述,同時為了發揮學生的學習積極性,允許學生自擬題目,給學生一定的自由發揮的空間,但是需要教師對自擬題目的難度以及實驗小組的組成進行一定的把關。
2.4 課程設計成績評定體系
課程設計成績評定體系是對學習遷移理論在課程設計中應用的成果的一個重要體現,因而需要我們更客觀、更公平地評價學生的實習成果。為了避免片面的評價,本文中課程設計將綜合考慮小組成員各自完成的任務與工作態度情況、機房中源代碼系統與PPT的演示與答辯情況、課程設計報告書的質量等,請三位老師分別對上述項目分別打分,最終按照一定的權值進行綜合求和。為了體現編程實踐、報告在課程設計最終目標中的知識遷移效果,規定源代碼演示未通過、未提交報告等情況記為不及格。
3 學習遷移效果展示
學生最終的作品是學習遷移理論應用于課程設計成果的具體體現。課程設計過程中,每個小組對各自的題目進行了深入研究,從基礎知識向深度、廣度上進行探索與綜合,經過團隊協作,完成了各自作品。我們選取了3個具有代表性的作品向大家展示。圖1展示了某小組學生完成的手機通訊錄系統界面,該系統具有大多數其他手機通訊錄系統所不具備的動態常用聯系人標定功能。圖2展示了某小組學生完成的貪吃蛇游戲。該游戲通過MFC設計界面,通過鏈表組織貪吃蛇的結構,完成了貪吃蛇游戲的功能,但沒有處理蛇碰壁的情況。圖3展示了某小組學生完成的電梯模擬系統。該題目是學生自選題目,該系統可以自動模擬電梯的不同運行情況,同時考慮了用戶請求的優先級問題。自選題目使學生充分發揮自己的主觀能動性,更好地將理論知識遷移到綜合設計能力上來。
4 課程設計分析
本次課程設計以學習遷移理論為指導,為了調動學生的積極性,并適合不同學生的風格和能力,這次課程設計共出了7個指定題目供學生選擇,如果學生有自己的想法,也可以自擬題目,充分發揮學生的主觀能動性,同時要求學生以軟件工程的要求來實現這次課程設計,從需求分析到概要設計,再到詳細設計,最終是調試分析。
從學生最終的作品來看,選擇《手機通訊錄功能模擬》的學生比較多,其次是《文章編輯系統》,其他題目選擇的人數較少,《教學計劃編制問題》無人選擇。這主要是因為《手機通訊錄功能模擬》題目與實驗1有很多相似之處,只要對實驗1做合理的改動以及擴充,即可完成手機通訊錄的功能。從學生課題完成情況看,絕大多數學生完成了課程設計的基本功能要求,一部分學生還綜合考慮了用戶界面、程序健壯性等因素,課題完成質量較高。數據結構課程設計是在所學基礎知識之上,對數據結構的深層次應用,既引導學生深入熟悉編程技巧,又加深對課程知識的理解,這體現了學習遷移的過程。實踐證明,這在一定程度上激發了學生的積極性,有效提高了學生的編程能力,使得部分以前不怎么會編程的學生體會到了編程的樂趣。不過,還有一些學生并沒有找到自己編程的方法,對數據結構的基本概念不是很清晰。這一方面與學生自身的編程基礎較為薄弱有關,另一方面也是需要教師在指導過程中進一步加強基礎知識與編程環境之間的聯系,引導學生積極主動掌握學習遷移,并且能夠針對實驗中出現的問題及時進行一些專門講解。實際情況表明,這次課程設計不但使得學生可以充分了解算法設計,而且能使學生了解軟件工程的設計過程,為后續課程的進行提供一個好的開始。同時鍛煉了學生的學習遷移能力,對后續學習是非常有利的。
5 結語
數據結構課程設計是綜合運用所學的數據結構理論知識與實驗實踐能力來增強與提高獨立分析問題、解決問題的有效手段,如何幫助學生快速、準確地理解并掌握課程的理論知識,是課程設計的目的之一。而學習遷移理論正是這樣一種研究先驗知識與后續知識之間轉換關系的理論,這給數據結構課程尤其是課程設計環節帶來了有力的指導。正因為如此,我們將學習遷移理論應用于數據結構課程設計。實驗結果表明,這次課程設計比較成功,取得了較好的效果,基本達到了增強數據結構理論與提高編程能力的目的。
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關鍵詞:電子電路 實踐教學 能力培養
電子線路類課程是電子、通信類專業的重要技術基礎課,此類課程要求理論與實踐結合,通過該類課程的學習,讓學生不僅掌握必要的電子線路相關知識,同時提高學生的實踐能力。學生對課程掌握的程度將影響到其后續的專業課程學習及電子設計應用能力。如何提高學生的學習效果,加強學生的實踐能力培養是此類課程實踐教學需要探討和研究的問題。
1 實踐教學課程內容的設計及要求
教師要設計好題目,設計題目的時候要選擇那些有意思的,有實用價值的難度又不太大的來讓同學們做。學生們可以根據自己的實際情況,比如說能力,興趣來選擇自己擅長或者喜歡的題目。可以每個人選擇一個題目,如果實在做不來的話,可以一組選擇一個題目來做。教師要根據自己設計的題目,對同學們講解說明,需要用到那些以前沒有講過的原理,要讓同學加以熟悉和了解。在同學設計完成題目的過程中,教師要幫助他們指導他們解題方法是否正確。學生們要在教師的指導下,完成題目設計,之后教師要對同學們題目的設計進行點評,然后讓學生們進行仿真、電路板的制作和調試。在進行調試的時候,如果出現故障,教師要及時的幫助同學們進行解決,直到把所有的電路問題都解決掉。之后完成題目,學生們要對這次設計題目的過程進行總結,依據格式寫成說明書的形式。
2 拓寬思路,進一步提高學生實踐動手能力
實驗課和課程設計均為電子線路類課程的必備教學環節,但在具體實施時經常會出現一些問題,沒有達到充分鍛煉學生的電路設計能力和加深對課程內容掌握的目的。如實驗課中,學生只能完成一些典型的實驗,訓練程度不夠。常規的課程設計內容包括:課程設計的布置;方案的選擇、論證、元器件的購買;電路板的設計及印制;電路的安裝及焊接調試;撰寫設計報告等。因為時間緊張,絕大部分同學不能很好完成,所以采取了以下辦法:調整教學計劃,將課程設計以畢業設計模式進行管理。為保證課程設計得到貫徹和實施,從教學大綱改革入手,使得實踐教學改革有章可循、有的放矢,在新版教學大綱中,增加實踐教學的分值比重,把學生獨立完成的仿真電路設計歸納到大綱,對課程設計的時間安排、設計任務、報告格式及評定標準給出基本要求。
3 培養學生自主學習能力
通過自主學習的過程,學生們對本學科有了自己的認識,形成了自主學習的能力。因為我們要鍛煉學生自主學習的能力,所以我們在計算成績的時候,要加強對平時學習能力的考察,弱化期末成績在成績中所占的比重,促進學生更積極主動地學習。對于比較重要的章節,學生要寫成小結之后進行評價,對于問題和任務小組的集體評價會加入總成績。經過自主學習的模式,學生更喜歡上了自主學習,探索式的發現問題,解決問題,這同時也是一種良好的教學模式。通過改革這種教學模式,讓學生自主學習對培養他們的能力有很重要的意義,可以采取的方法有啟發式、導入式等。
4 在教學過程中注重定性分析
在實際的教學過程中,教師不要只管教授嚴謹的科學理論知識,更應該注重的是系統觀念的培養,工程的觀念和創新意識等,探索出一套科學的學習科學的方法。比如說在講解RC串并聯選頻網絡的選頻特性的時候,就可以先分析這個網絡對高頻信號與低頻信號的相移,這樣可以確定有一頻率信號通過的時候它的相移是零,之后可以根據這個特性,然后與放大電路相配合,在振蕩相位平衡的條件下,進行定量推導,但只給出解題思路和答案就可以了,之后讓同學們自行解題。
對于有些難度比較大的內容,教師可采取各個擊破的方法,也可采取化大為小的方法,化繁為簡,易于同學們理解。比如說在學習中負反饋的組態比較難于理解,它要根據反饋性質、方式和取樣方式來進行判斷,可是任何一種判斷都有很多的判斷方法,如果把這些判斷方法一股腦地告訴學生的話,學生們很難接受,所以,教師要分開講,講一種判斷方法,讓同學加以訓練,進行理解,這樣讓同學們循序漸進地接受,化繁為簡,化難為易。
電子類課程是當今自動化控制的基本手段,技術的發展日新月異,不斷出現新的知識,這時候教師要根據新的情況增添和刪改。講授的時候從器件、電路產生背景和需求入手,然后講解其結構、作用、電路的分析,將重點放在集成元件的電路分析。可以利用現代化教學手段,采用多媒體、實驗仿真和實際操作結合的方法,對學生實施情景教學,學生可以在電腦上進行課程實驗的調試與測量,使學生對所學知識產生興趣,很快進入學習狀態。為了能讓學生真正參與到教學活動中,采用討論課、練習課、提問課等形式,激發學生興趣,培養學生創新精神。采用啟發式、仿真環節、邊講邊練、理論與實踐等穿插的教學方法。總結一些有助于學生形象化思維和記憶的竅門、比喻,使學生和教師達到互動,調動大家學習的積極性。
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1.將虛擬仿真引入課堂,進行演示實驗,提高課堂教學效率
過去主要是理論課教學,過于注重原理分析、公式推導,學生聽起來枯燥無味,難于理解。為了提高教學效率,需要配合演示實驗。但準備演示實驗,需要花費較多時間;將多種儀器搬到教室,使用不便;演示操作過程,會占用過多時間,影響教學進度。
現在我們將仿真軟件的虛擬實驗功能引進課堂,在講解理論的同時,利用多媒體同步演示,顯示實驗結果,使一些抽象的概念形象化、直觀化、簡單化,彌補了理論上的抽象性。下面是我們具體應用仿真軟件來仿真的兩個實例。
在模擬電路中講授三極管共發射極放大電路時,三極管具有放大和反相的作用,學生理解起來非常困難。我們利用EWB仿真軟件來仿真電路的實際效果。學生先有了感性認識后,理論的講解聽起來就更輕松了,其仿真圖形如圖1所示。從圖形中可以看出,輸入信號的正半周,在輸出端放大的同時,還存在著失真。
在模擬電路中講授振蕩電路的起振時,通過電路的正反饋作用,輸出信號就會逐漸由小變大,當振蕩幅度增大到一定的程度后,由于三極管的限幅作用,最后使得輸出的波形穩定。學生很難理解,用現有的儀器根本就不能顯示出起振的波形來,現在利用Protel仿真顯示出波形(圖2),振蕩器起振的過程非常直觀,還能看出這種振蕩電路的波形存在較大的失真,但振蕩波形較穩定。如果對波形失真要求較高,則需要采用改進型號振蕩電路,即克拉潑或者西勒振蕩電路。這種教學模式生動活潑,學生自始至終保持著極高的學習興趣,加深了理解和記憶,有效地提高了課堂教學效率。
2.開設仿真實驗,改革實驗教學方法,提高實驗教學質量
電子技術課是一門實踐性很強的課程,理論學習必須緊密地與實踐結合起來。以往,實踐環節主要是上實驗課,實驗內容多為驗證性實驗,設計性、綜合性實驗較少。
我們的做法:在學習模擬電子技術的過程中,抽幾節課講解仿真軟件的使用方法。在電子技術實驗課之前,學生必須先將電路進行仿真,得到實驗結果以后,再進行實際的安裝、焊接、調試。學生做實驗的興趣提高,信心加強,實驗教學質量大大提高,特別是在設計性實驗中,可以隨時修改元件參數,并能馬上獲得仿真結果,直到滿足電路設計要求。學生可提出各種設計方案,從而大大提高了分析問題、解決問題的能力,激發了他們的創新意識,也大大提高了學生電子電路的設計水平。這樣很好地解決了原來設計電路的缺陷:先設計出電路,買回元件后,在面包板或印制電路板上安裝調試,需要連接很多的電位器,當調試好以后,必須重新買元件,重新安裝調試,將損耗浪費大量的電子元器件。
3.虛擬仿真在課程設計實踐環節中的應用
對于課程設計,我們的做法:將模擬電子技術的內容分成幾個單元,每一個單元搞一個課程設計。第一次在老師的帶領下,講電路設計的步驟,完成課程設計。上完下一個單元電路以后,老師布置一個課程設計題目,學生自己查找資料,自己設計好電路以后,交給老師檢查,在檢查學生設計方案時,要求學生陳述自己的設計思路,學生在講述的過程中就會進行再次思維。這種虛實結合的方法,既發揮了虛擬實驗高效、經濟的長處,又培養了學生電子制作的能力、分析問題和解決問題的能力。
4.虛擬實驗應注意的問題
全國大學生電子設計競賽是教育部倡導的大學生學科競賽之一,是面向大學生的群眾性科技活動,目的在于推動信息與電子類學科課程體系和課程內容的改革,有助于高等學校實施素質教育,培養大學生的實踐創新意識與基本能力、團隊協作的人文精神和理論聯系實際的學風;有助于學生工程實踐素質的培養;有助于提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力;有助于吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動,為優秀人才的脫穎而出創造條件[5-7]。從1994年開賽至今,全國大學生電子設計競賽從某些方面有效地推動了各高校的教學改革和人才培養。電子設計競賽要求參賽學生完成從選題、收集技術資料、設計方案論證、軟硬件設計、元器件選擇、組裝制作、調試測試、排除故障、做出樣品到撰寫設計報告的設計制作全過程,并且要求組隊參賽,因此隊員需要有很好的協調能力,合理地進行分工與合作。總之,電子設計大賽對于學生的理論聯系實際能力、實踐動手能力、軟硬件綜合應用能力、文檔書寫能力及品質意志、團結協作精神等都是一個很好的訓練,而這正與我們的硬件課程設計教學目標不謀而合。經過分析論證,我們提出引入國際著名半導體器件公司的技術平臺與設計支持,以電子設計競賽的方式來實施硬件課程設計的教學改革思路。
競賽式課程設計教學的實施
課程實施形式為集中講座與開放實驗相結合。集中講座4~8學時,內容包括硬件系統設計方法及過程介紹、規范、工具、報告文檔整理等,引導學生建立系統產品開發的總體概念,明確項目開發的過程及各階段時間節點要求、文檔規范性要求與開發作品的功能與性能要求,使學生明確努力的方向。考慮學生還有其他課程的學習,開放實驗時間約為15周。學生在規定時間內完成設計內容,并以報告和實物運行參加課程考核。整個過程著眼于學、思、知、行的有機結合。具體實施過程及各步驟所需時間如圖1所示。由于課程設計是學生在學校階段必修的實踐性教學環節,因此設計題目應充分考慮不同層次學生的特點,同時兼顧設計內容的實用性、先進性。我們通過設置指定項目與自選項目、基本內容要求與發揮部分要求,使學生可以根據自己的實際情況,逐步完成項目要求并進行改善與提高,使學生夠得著又不斷超越。
首先學生根據所選題目,通過各種途徑、各種方法、各種手段去圖書館或網絡查找相關資料,結合所學理論知識,對選題進行認真分析;同時還須針對所撥經費數額進行元器件的市場調研,在此基礎上提出切實可行的設計方案并進行方案論證,包括實現方法研究、技術水平分析、理論計算推導和分析設計仿真等幾個方面。然后教師對每個組的設計方案進行分析、評價,引導學生發現設計方案的缺陷和不足,明確后期工作計劃與努力方向,同時督促學生在規定時間內備齊所需器件。這期間教師既要避免包辦代替,也要避免撒手不管,做到既能鼓勵學生獨立思考問題、解決問題,培養學生的獨立性,同時又在學生遇到難于解決的問題時不至于感到孤立無援、束手無策以至于放棄。
在課程設計的末尾階段,專門設置2周的集中時間,使學生能進入實驗室進行課程設計項目的實現、調試與性能指標的測試。這個階段是課程設計中非常重要的環節,它能促使學生直接面對實際工程項目與產品開發中的困難,領會科研與產品研發的挫折、壓力與成功,并在實戰中獲取更多的實踐經驗與體會。
學生完成整個選題后,各個小組將在課程中展示實際成果,接受包括指導教師在內的驗收教師組的評價、質詢,并進行答辯。這個環節主要是考查學生基礎知識、基本技能與方法的掌握程度,項目計劃組織、工程實現、總結表達能力,觀察學生實踐過程中在構思、方法、設計等方面的閃光點。這是學生專業技術能力形成和提高的重要階段,也是一個畫龍點睛的過程。
我們的教學不僅僅要“授之以魚”,更強調“授之以漁”,強調創新能力的培養與全面素質的提高,促使學生能夠向更高目標沖刺[8-10]。為了保護并鼓勵學生的創新欲望與主動學習、主動實踐的興趣,我們在這種競賽式課程設計教學中采用了2種評價體制并行的策略。一方面,針對電子設計競賽,參照全國電子設計大賽施行方式,主要“強調項目以團隊為單位的實現結果”,通過比較各組基本與發揮部分的功能與性能,評出獎項等級,對學生的創新與才華給以充分肯定;另一方面,針對課程設計教學環節的課程成績,采用“結果與過程并重”的考核方式,針對所有學生實行個人評分。這樣對于那些在項目中出現了錯誤,導致最后實現不夠成功的學生,仍然可以根據其過程中的努力,給予正確的、與學生努力相應的評價分數等級。這種將學生的過程考核與小組的最后實現結果進行綜合考核的評價體制,既保護了學生的創新精神,又強調了學生的個人努力與小組項目結果的協調發展,培養了學生將個人的成就榮譽與集體的成就榮譽相結合的良好的職業道德與職業行為習慣,同時也鍛煉了學生的溝通能力與團隊協作能力。
實踐效果