水聲工程專業(yè)電子電路課程設(shè)計教學(xué)模式研究

張淑娟 殷敬偉 周 天 吳英姿

1.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程國家級實驗教學(xué)示范中心 黑龍江哈爾濱 150001 2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001

水聲工程是以海洋探測、海洋開發(fā)和國防建設(shè)為主要應(yīng)用背景，涉及聲吶系統(tǒng)設(shè)計、水聲學(xué)、信號處理技術(shù)、電工電子技術(shù)、軟件開發(fā)與應(yīng)用等多個技術(shù)領(lǐng)域的工程技術(shù)學(xué)科。該專業(yè)具有4個相對穩(wěn)定、特色突出、優(yōu)勢明顯的研究方向，即聲吶總體技術(shù)、水聲信號處理、傳感器及聲系統(tǒng)、計量與測試技術(shù)，而無論哪個研究方向，都離不開電子電路以實現(xiàn)信息采集、檢測、處理以及系統(tǒng)控制等核心功能。

電子電路課程設(shè)計是水聲工程專業(yè)中最為重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，重在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科研能力。學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)，可以進一步加深對模擬電子線路、數(shù)字電子技術(shù)、單片機等前續(xù)電類課程理論知識的理解，結(jié)合所學(xué)聲學(xué)類課程知識增進對聲吶系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的宏觀認識，建立理論聯(lián)系實際的思想體系，同時還能提高系統(tǒng)設(shè)計能力和發(fā)現(xiàn)、分析、解決實際工程問題的能力[1]。如何科學(xué)地設(shè)置教學(xué)內(nèi)容，合理地選擇適合水聲工程專業(yè)的特色教學(xué)模式，從而達到良好的教學(xué)效果，是該課程亟須解決和有待研究的重要課題。

1　影響水聲工程專業(yè)電子電路課程設(shè)計教學(xué)效果的因素

水聲工程學(xué)科專業(yè)性強，為了突出專業(yè)特色、培養(yǎng)符合水聲工程領(lǐng)域迫切需求的復(fù)合型專業(yè)人才，所有的課程設(shè)置及教學(xué)內(nèi)容安排均在不斷探索和創(chuàng)新，前期開設(shè)的電子電路課程設(shè)計雖然已經(jīng)取得了階段性成果，但是與國外開設(shè)同類課程的著名大學(xué)相比，還存在一些差距。具體體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1　課程缺少體系化系統(tǒng)設(shè)計　僅開展分散的模塊化設(shè)計訓(xùn)練無法使學(xué)生建立宏觀專業(yè)思維能力

聲吶是利用聲波進行水中探測、定位和通信的電子設(shè)備。聲吶裝置一般由聲學(xué)換能器、電子系統(tǒng)、輔助設(shè)備三部分組成[2]，其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不能單獨作為課程設(shè)計的題目，所以多年來，課程設(shè)計大多選題都僅局限于常規(guī)的電子電路設(shè)計類題目，忽略了與聲吶系統(tǒng)的聯(lián)系，脫離了專業(yè)背景[3]，設(shè)計選題如煙霧報警器、簡易直流穩(wěn)壓電源、交直流放大器、函數(shù)信號發(fā)生器、定時器、交通燈等，這些題目與水聲工程專業(yè)聯(lián)系較少，無法體現(xiàn)專業(yè)特色，即便個別選題是聲吶系統(tǒng)中的一部分，學(xué)生也不能將其很好地與聲吶系統(tǒng)相結(jié)合，致使學(xué)生難以建立聲吶系統(tǒng)設(shè)計的宏觀思維。

1.2　教學(xué)過程中學(xué)生大多處于被動狀態(tài)　主觀能動性難以充分發(fā)揮

以往，課程設(shè)計采用在規(guī)定的時間、地點，以班級為單位由教師指導(dǎo)完成規(guī)定的實驗內(nèi)容，這種教學(xué)模式限制了學(xué)生主觀能動性的發(fā)揮，束縛了學(xué)生的思維，導(dǎo)致學(xué)生缺乏獨立進行實驗研究和學(xué)習(xí)的能力，難以激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，更無法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

1.3　課程考核方式和考核標準單一　不易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情

學(xué)生作品驗收是對學(xué)生理論知識運用能力以及課程設(shè)計成果水平的評判環(huán)節(jié)，合理的評價機制對調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情具有重要的意義。目前，學(xué)生課程設(shè)計的成績高低大多由作品的最終優(yōu)劣決定，這一考核、評價標準有待完善。首先，不同電子元器件間存在一定差異，會導(dǎo)致最終成果性能間存在差異；其次，同一成果的設(shè)計、實現(xiàn)方案也存在不同；再次，在設(shè)計實現(xiàn)過程中學(xué)生分析、解決問題的過程也不盡相同。因此，單獨憑借最終設(shè)計成果的優(yōu)劣來確定學(xué)生的最后成績，在全面考核學(xué)生方面存在一定的誤判概率，缺少完備性，這樣的考核機制沒有將學(xué)生分析問題、解決問題的能力納入考核范圍，從而會影響部分學(xué)生的積極性。

2　電子電路課程設(shè)計的建設(shè)目標及舉措

2.1　依托學(xué)院科研背景　建設(shè)適用于教學(xué)的模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺

在進行課程設(shè)計時，要求學(xué)生獨立設(shè)計并實現(xiàn)一套復(fù)雜的聲吶系統(tǒng)具有較大的難度，但完成聲吶系統(tǒng)分機功能還是可以實現(xiàn)的。因此，實驗中心提出依據(jù)水聲工程學(xué)院的科研背景搭建一套模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺的教學(xué)思路[4]，該平臺設(shè)計包括收/發(fā)換能器、功率放大器、基礎(chǔ)底板、數(shù)據(jù)采集器等基礎(chǔ)功能模塊以及外部擴展功能電路模塊，具體以430單片機為核心的基礎(chǔ)底板和與課程設(shè)計內(nèi)容相關(guān)的外部擴展功能電路模塊組成，各模塊間采用標準的PI(Parallel Interface)接口連接方式，各模塊既能單獨使用完成一定的功能，又可與實驗室現(xiàn)有數(shù)字電路實驗箱進行連接開展特定的實驗研究[5]。這樣既降低了實驗平臺開發(fā)成本，又實現(xiàn)了現(xiàn)有實驗設(shè)備的二次開發(fā)利用。模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺的構(gòu)成如圖1所示，采用這種模塊化組合模式，便于系統(tǒng)更新、完善和擴展應(yīng)用。

圖1　模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺構(gòu)成框圖

任課教師的任務(wù)是基于模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺設(shè)計、創(chuàng)建難度適中的課程設(shè)計題庫。表1為采用模塊化聲吶系統(tǒng)設(shè)計平臺開展教學(xué)工作前后課程設(shè)計題目的對比，通過對比可以看出，平臺搭建之后課程設(shè)計的選題與水聲工程專業(yè)理論的相關(guān)度大幅度提高，水聲工程專業(yè)的相關(guān)理論得到了具體而深入的學(xué)習(xí)與應(yīng)用。

表1 平臺構(gòu)建前后課程設(shè)計題目對比

課程設(shè)計選題改革后，學(xué)生都能夠在聲吶系統(tǒng)設(shè)計體系的宏觀背景與思維模式下開展所選題目的實際設(shè)計與實現(xiàn)，在提高學(xué)生電路設(shè)計能力和解決實際問題能力的同時，培養(yǎng)了學(xué)生本專業(yè)的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

2.2　教師指導(dǎo)方式由“填鴨式”向“任務(wù)驅(qū)動式”轉(zhuǎn)變　學(xué)生學(xué)習(xí)方式由“學(xué)會”向“會學(xué)”轉(zhuǎn)變

在課程設(shè)計指導(dǎo)過程中，教師的作用還包括激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與激情，以培養(yǎng)團隊意識及合作體驗，讓學(xué)生主動完成由“學(xué)會”向“會學(xué)”的轉(zhuǎn)變。改變過去教師全程指導(dǎo)，有問必答，甚至直接給出參考電路的指導(dǎo)方式，教學(xué)方式由“填鴨式”向“任務(wù)驅(qū)動式”轉(zhuǎn)變。教師在給出設(shè)計指標和要求后，將學(xué)生分成若干小組，每個小組在明確設(shè)計要求后查閱文獻資料，提出具體設(shè)計方案并選定合適的電子元器件。在整個設(shè)計過程中，教師可以提供建議性參考資料，指出學(xué)生考慮欠佳的設(shè)計并引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)合理設(shè)計，但不給出具體的設(shè)計方案，更不能具體給出設(shè)計原理圖。在整個課程設(shè)計期間，教師每周留出充足的答疑時間，回答學(xué)生提出的問題或啟發(fā)學(xué)生提出問題，直至課程設(shè)計結(jié)束。

2.3　改革課程考核方式　降低考核成績誤判率激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

傳統(tǒng)的考核方式是由教師確定學(xué)生的課程成績，對于理論課考試，這一考核方式是適用的，但是對于實驗類課程，這一考核方式就顯得有些不適用。因為學(xué)生選的課程設(shè)計題目不同，難以采用統(tǒng)一的固定評價標準進行分數(shù)評定，因此有必要提出一種科學(xué)的又能夠讓學(xué)生認可的考核方式?；诖耍瑢嶒炛行膭?chuàng)新性地提出教師學(xué)生聯(lián)合打分的考核制度，具體做法是：由教師和學(xué)生組成評審小組，改變傳統(tǒng)由教師單獨打分的模式，學(xué)生和教師根據(jù)基本的評分標準共同為每個團隊評分?；镜脑u分標準涉及系統(tǒng)設(shè)計思想、電路方案論證、電路焊接調(diào)試、參數(shù)測量、測量結(jié)果與概算參數(shù)的比較及分析、PPT展示、現(xiàn)場答辯效果、問題的解決過程及結(jié)果、實驗報告的撰寫、團隊合作情況等，考核成績以A，B，C，D四個等級劃分。教學(xué)實踐表明，通過調(diào)整考核方式，大大增加了學(xué)生學(xué)習(xí)、創(chuàng)新的興趣與熱情，取得了很好的教學(xué)效果。

3　結(jié)語

電子電路課程設(shè)計是水聲工程專業(yè)必不可少的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在專業(yè)建設(shè)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。對該課程進行的上述教學(xué)模式改革實踐取得了良好的效果，按照改革后的教學(xué)模式，電子電路課程設(shè)計不但能夠鞏固學(xué)生已學(xué)電類、信號類理論課程知識，加深學(xué)生對課堂抽象概念的理解，而且提高了學(xué)生的設(shè)計能力和創(chuàng)新能力，并使學(xué)生對水聲工程專業(yè)的認識更加明確和具體，這些均有利于培養(yǎng)出理論基礎(chǔ)扎實、實際工作能力強的高素質(zhì)水聲工程專業(yè)人才。

[1]郝憲鋒,劉復(fù)玉,李林.電路分析實驗教學(xué)的改革與探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2016(19):61-63.

[2]劉伯勝,雷家煜.水聲學(xué)原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,1993.

[3]白銳,孫麗穎,趙越嶺.自動化專業(yè)實驗教學(xué)的設(shè)計與研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2016(255):18-20.

[4]李林,陳璨,劉復(fù)玉.模塊化電子技術(shù)課程設(shè)計實驗平臺研制[J].實驗技術(shù)與管理,2015,32(12):103-106.

[5]粟濤,龐志勇,陳暉.“數(shù)字集成電路設(shè)計”課程教學(xué)內(nèi)容的探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2016,38(4):30-32.