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科教融合的家电智能化开放实验设计

2023-11-22 54 上传者：管理员

摘要：为了培养本科生的动手实践技能，引导学生积极参与科研活动，建设一个高质量的开放实验教学平台是十分必要的。本文设计了一个家电智能化科研的实验平台。平台含有多层次的实验内容，可服务于线上线下混合教学和开放性实验教学。该实验平台对激发学生的学习潜力和促进专业能力的个性化发展有一定的积极作用。

关键词：
专业能力
实验平台
家电
家电智能化
案例式教学
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1、引言

近年来，由于全球贸易紧张局势的持续影响，高校毕业生的就业前景日益艰难。此外，由于社会发展需要，企业对高校毕业生的工作能力也提出了更高的要求。企业不仅仅要求他们掌握理论知识，还要求他们具备实践技能、应用能力、复合素质和创新精神。因此，学生必须不断努力，通过多种渠道提升自己的能力，以适应日新月异的社会环境。

在高校里，理工类专业的实践能力培养基本是在实验室完成的。实验活动是专业能力培养的重要环节。然而，传统的实验教学往往只能满足学生的基础知识学习，教师一般提供步骤化的实验教学计划，要求学生按照计划来完成，缺乏主动性，且实验时间一般都比较紧张，无法充分利用课堂时间解决实际问题，从而无法深入研究更复杂的知识，缺少与当堂实验紧密结合的实验应用与实验扩展[1,2]。显然，单一的常规教学模式已经难以适应新时代的要求，不能很好地提升和培养学生的学习创新能力。为了弥补传统实验教学的不足，开放性实验教学应运而生。相较于传统实验教学存在教学时间、场所、指导教师限制等问题，开放性实验教学有着极大的重要性和必要性[3]，可以作为传统实验教学的补充扩展。本文提出了一个基于科教融合的家电智能化开放实验方案，激发学生的学习潜力和专业能力个性化发展，实现应用型人才的培养目标。

2、实验平台和内容设计

2.1 实验教学平台设计

根据科研项目的研发经验，实验教学平台设计选取目前市面上产品设计占有率较高的单片机控制器和常用的基础外围器件作为实验资源，其设计框图如图1所示。

图1 实验平台设计框图

实验平台选取项目常用的中微Cmsemicon单片机79FT738为控制核心。芯片使用8位RISC(Reduced Instruction Set Computer）内核，内置FLASH、SRAM(Static Random-Access Memory)和EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，具有通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)、模数转换器(Analog-to-digital converter,ADC)、触摸等功能。芯片基于低功耗设计优势，广泛应用于家电产品等。基础的外围器件选取小家电产品常用的设备，如电位器、触摸、按键、温度传感器、电磁铁、数码管、继电器、直流电机和物联网wifi(Wireless Fidelity)模块等。设计的实验平台针对性强，功能丰富，扩展性强，可开展多层次的智能小家电产品训练项目。

2.2 实验内容设计

在实验内容设计的时候，改变原来的按照知识体系结构去组织教学内容的顺序。例如工程师是如何学习开发项目的，就按照怎样的顺序来安排实验内容[4]。通过科学的实验内容安排，可以让学生在学习中实践项目，培养他们分析解决问题的能力，让他们充分发挥自身的学习主体作用，从而提升学生的综合素质，通过科教融合实现应用型人才的培养目标。实验内容设计如表1所示。

表1 实验内容设计

入门篇和基础篇的内容主要是面向低年级的学生，或者是基础不牢固的学生。此内容是后面应用篇的基础，学习的方式主要以线上自学为主，讨论为辅。主要内容包括家电智能化的发展现状和企业的人才需求；介绍单片机微控制器的开发环境使用，项目工程的建立、仿真器配置和编译仿真下载等；介绍单片机微控制器的基础理论和相关外设的程序设计，如基本输入输出的配置、嵌入式系统中断概念和使用、定时器配置和时标的使用、模数转换器ADC和NTC(Negative Temperature Coefficient)温度传感器的使用、触摸按键原理和向导参数配置、串行通信UART接口的配置等。

物联网平台篇主要是学习和认识物联网平台。涂鸦物联网智能化平台是一个面向全球提供智连万物的商业化大型云平台。平台打造互联互通的通信协议标准，可以连接众多品牌，实现功能多样化的领先业界技术平台。主要学习内容包括智能产品的创建、管理产品的功能定义、多语言管理配置、wifi通信模组协议分析调试和应用程序面板设计等，以实现家电产品的快速智能化。此部分内容适用于有单片机应用开发基础的同学。

应用篇是开放实验的核心内容。不同层次的学学可通过自主选择学习前面的内容，掌握产品开发的相关基础，然后根据自己的兴趣和学习能力，自主选择应用篇的产品案例进行综合性的研究和训练。用来实验的产品案例主要精选一些有代表性、趣味性比较高的产品让学生自主完成，每个案例的主要内容包括产品的需求和设计要点等技术指标，让学生清楚需要完成的任务和最终的效果。具体产品案例介绍如下。

2.2.1 带温度补偿的多士炉

(1）主要技术要点：单片机、按键、温度补偿、计时、电位器和电磁铁。根据档位和按键功能的组合，结合温度补偿原理，实现多功能的多士炉产品程序。（2）难点：温度补偿，通过非初始化数据变量不被零初始化和电容储电特性记录多士炉的连续通电次数，实现温度补偿的效果。（3）难度系数：容易，适合低年级或没有设计基础的学生。

2.2.2 智能彩灯

(1）主要技术要点：单片机、触摸控制、红绿蓝三色灯、wifi远程智能控制。（2）难点：远程智能控制，通过物联网平台实现产品的快速智能化；通过脉冲宽度调制技术(Pulse Width Modulation,PWM)调节灯的亮度和颜色。（3）难度系数：中等，适合低年级有基础的学生。

2.2.3 智能多功能锅

(1）主要技术要点：单片机、触摸控制、数码管显示、继电器和温度感应精准控温、wifi远程智能控制。（2）难点：温度感应精准控温，应用查找算法，实现产品功能不同温度的精准控制，并实现远程控制智能化。（3）难度系数：中等，适合高年级有基础的学生。

2.2.4 智能空气循环风扇

(1）主要技术要点：单片机、温度感应、计时、触摸控制、数码管显示、电机控制、wifi远程智能控制或语音控制。（2）难点：电机转速控制，通过PWM技术实现直流电机的精准调速控制，并实现远程控制智能化。（3）难度系数：较难，适合高年级有基础的学生。

2.2.5 智能刀筷消毒机

(1）主要技术要点：单片机、温度感应、计时、触摸控制、数码管显示、电机控制、紫外线灯、半导体发热陶瓷、wifi远程智能控制。（2）难点：多个知识点的混合应用，实现功能逻辑较复杂的智能化产品；需要处理多任务功能的程序设计框架。（3）难度系数：较难，适合高年级有基础的学生。

2.2.6 企业产品实践

深度参与和企业合作的在研产品项目的开发研究。主要是面向那些基础比较好，实践动手能力比较强的优秀学生，确保能保质保量完成产品的设计。对完成得比较好的学生吸收成为家电智能化科研团队的项目成员。

开放实验设计的内容可以为不同水平的学生提供能力匹配的产品案例进行学习研究，从而激发他们的学习兴趣和科研热情。鼓励优秀学生参与实际的产品开发，从而培养他们的科学思维、实践能力、创新意识、综合分析问题能力和团队协作精神。

3、实验过程采取的措施

开放实验面向的学生是全校性的选修课程。一起上课的学生年级和专业可能都不一样，学生综合能力也各不相同，差异性比较大。而且开放实验内容一般为设计综合类型，导致课程内容难度的安排比较麻烦。因此，实验教学过程采用线上+线下的混合式教学模式以及科教融合的方式，兼顾不同知识结构层次的学生，扩大实验受益面。

3.1 线上与线下混合式教学

根据实验内容的设计，线上和线下的学习过程安排如图2所示。

图2 线上和线下的学习过程安排

线上和线下的过程安排主要有以下环节。首先是教师在《超星泛雅学习线上平台》建立和更新课程资源。包括建立实验指导书和知识点讲解视频，线下教师根据科研项目遴选好的案例不断更新线上内容。选课后，教师布置课程知识点和难点，选课学生根据自身基础，在线上自主学习课程内容。其中入门篇和基础篇属于选修内容，已经有相关知识基础的学生可以直接跳过，对于没有基础的低年级学生，可以通过实验指导书和视频等内容学习。在自主学习过程中，遇到问题可以在课程线上平台发表相关的讨论话题。线下教学课堂时，教师根据学生遇到的问题，进行有针对性的讲解分析讨论。这样可以在线下课堂有更多的时间对产品案例进行剖析讲解，不用过多地讲解一些基础性的知识点。多出来的时间和学生在线下进行产品案例的设计研究，也符合开放实验设计研究性的宗旨。课程结束前，学生通过线上平台发表作品的思路和实现过程，线下进行设计答辩和演示，最后教师对作品进行评价和改进反馈。

通过线上和线下的紧密结合，利用线上平台可以记录学生的学习记录、问题反馈和作品设计过程，通过不断的积累，后续选修的学生可以了解以往学生的问题记录和作品内容，在此基础上更快熟悉实验内容和开展更加深层次的设计研究。通过这种线上和线下混合的教学模式，大大地提高了教学效率，并兼顾了不同学习基础的学习。

3.2 科教融合提升实践经验

实验内容的设计来源于科研项目，实践过程按照工程师的学习成长路径，与生产实践相对接，实现“教、学、做”紧密结合[5]。

首先，根据学生基础，因材施教，选取与能力匹配的项目开展实验。其次，每学期会举行至少一次与科研团队成员的见面会。通过科研学术活动唤起学术的好奇心，同时增强求知欲，发挥学生的主观能动性[6]。最后，鼓励那些优秀的学生加入家电智能化科研团队。对于那些有兴趣参与到科研团队的学生，团队会分配有经验的团队成员进行一对一的辅导跟进学习，减少师生代沟等带来的沟通问题，及时解决遇到的问题和实时掌握学习进展。因此，通过科教融合，可以更好地把学生培养成具备真技能的研发工程师，更好地服务高校应用型人才培养目标。

4、教学成效

家电智能化开放实验从2020年开设至今，基于科教融合和线上+线下混合式教学，取得了一定的教学成效。选课学生受益面广泛，面向机电、电子信息、计算机等专业200多名学生开放，线上访问量近17万次。毕业设计与家电智能化课题相关人数40多人。通过开放实验项目参与学科竞赛和创新创业训练项目30多人次。继续参与科研项目团队人数近20人。学生总体取得了比较好的学习成绩，具体数据如表2所示。

表2 学生学习成绩情况

实践结果表明，家电智能化开放实验培养了一批经验丰富的优秀学生。通过参与科教融合项目的锻炼，学生可以把相关的专业知识参与到专业学科竞赛、创新创业设计大赛等活动，获得广东省大学生合泰杯单片机应用设计竞赛1项二等奖和2项三等奖，3个项目获得校级创新创业项目立项，并且吸收了一批学生参与到教师的科研活动，实现了以研促赛，以赛促学，以学促研的良性循环。最后，在严峻的就业环境下出类拔萃，为企业输送一批能干事、干好活的优秀项目研发工程师。

5、结论

通过开放实验，可以更好地培养学生的实践能力和科学研究精神，从而有效提升综合素质。本文以家电智能化为例，基于科教融合，通过线上+线下混合教学模式，实现了开放性实验教学与科研实践的深度融合，使得学习内容更加丰富，并且可以帮助学生更好地理解知识，提高他们的科学思维、实践动手能力、创新精神、分析问题的能力和团队协作的精神。

参考文献:

[1]王婷,冯金山,李屹坤,宋婷,许幸芬.基于OBE教育理念的项目驱动式开放实验教学实践.大学物理实验,2022,35(04):127-130

[2]刁统山,张绍杰,臧家义,张金烽,王晓芳.科教融合改革电机学课程实验教学.中国现代教育装备,2022(19):134-136,161

[3]刘兴,陈京晶,罗绪强,罗光杰,张伟.高校实验室开放性实验教学模式的探索.山东化工,2020,49(01):185-186,188

[4]刘伟,吕燚.面向工作过程的物联网与传感技术教改探讨.福建电脑,2019,35(03):129-130

[5]丁智学,沙玟良.师范教育产教融合路径优化策略研究.河南农业,2022(06):15-16

[6]邹焕,李辉,徐利梅,谢晓梅,任玉琢.基于“科教融合”的新工程教育教学改革初探.第三届全国高等学校航空航天类专业教育教学研讨会.成都,中国,2022:455-458

基金资助:电子科技大学中山学院2020年校级质量工程建设项目之《智能产品创新设计与实践中心》专项课程资源建设“智能家电设计与实践”(No.CXKC202007)资助;

文章来源:刘伟,吕燚.科教融合的家电智能化开放实验设计[J].福建电脑,2023,39(11):107-110.