剖析类型大作业在电工电子技术课程中的应用研究与实践

摘  要：针对电工电子技术课程工程能力培养方式和考核方法，设计实现一种新颖的对真实遥控四旋翼飞控板进行剖析的大作业。另外，在大作业的设计中尝试加入国产EDA设计软件自主学习内容及思政教育内容。通过教学实践，证明这种剖析类型大作业激发学生的学习兴趣，促进学生自主学习，可以作为课程总评成绩的有效组成部分，值得在电工电子类基础课程中推广。

关键词：电工电子技术；大作业；自主学习；飞控；思政教育

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）21-0104-04

Abstract： A novel project has been designed and implemented to analyze a real remote-controlled quadcopter flight control board， aiming at cultivating engineering abilities and assessing methods in the field of Electrical and Electronic Technology courses. Additionally， domestic EDA design software self-learning content ， ideological and politicaleducation content have been incorporated into the project's design. Through teaching practice， it proves that this type of analytical project stimulates students' interest in learning， promotes their autonomous learning， and can be an effective component of overall course assessment scores. Therefore， it is worth promoting in basic electrical and electronic courses.

keywords： Electrical and Electronic Technology; term project; self-learning; flight controller; ideological and political education

电工电子技术是一门面向非电类专业本科学生开设的必修工程技术基础课程。本校选课学生分别来自航空科学与工程学院、机械工程及自动化学院、交通科学与工程学院，以及自动化科学与电气工程学院机器人专业。课程教学内容涵盖了电路分析基础、电机与电气控制、模拟电子技术和数字电子技术，是一门理论性强、与实践应用较为紧密的课程，在学生后续专业课程的学习中起到基础性和导向性作用[1]。课程核心目标是使学生获得电工电子技术方面必要的基本理论、基本知识和基本技能。

课程传统的教学方式还是以课堂教学为主，按知识点章节顺序讲授，以学生理解、掌握、应用基本概念和基础理论为目标。课后的学习环节主要是完成传统的作业题，考核方式以期中、期末笔试为主。特别是传统的作业形式还是主要集中在课程知识点基本概念、基本公式的记忆强化，利用教材课后习题将课堂讲授的概念、公式、模型等内容知识点进行简单的梳理、运算[2]。这种传统的作业存在形式单一，难于激发学生的学习兴趣[2]，而且缺乏学生课后主动学习的过程元素。

相对于常规课后作业，大作业突出的特点是题目具有综合性，即题目贯穿课程的多个知识点[3]；另外，完成大作业所需时间长[3]。大作业可以较好地训练和考查学生综合运用知识点的能力，因此，诸多教师在专业课程教学中增设了大作业环节，作为课堂教学的有益补充。例如，清华大学钟夏临等[4]在化学反应工程课程中设计了基于模块知识融合的课程大作业；上海交通大学蒋铃鸽等[5]在通信原理课程中利用大作业培养学生应用仿真软件的能力；东北石油大学钟会影等[2]在试井分析课程中开展了大作业的教学实践；中国地质大学李占玲等[3]在水资源开发利用与保护课程中进行了大作业的教学探索。

虽然很多教师在诸多理论课程中探索了采用大作业的方式进行课后教学活动及作为考核的元素，而且取得了一定的成果和成效。但是，从大作业的题目设置目标来看，多以设计实现类的题目为主，目标仍然还是专注于课堂知识点的掌握和综合应用；很少采用大作业作为激励学生自主学习的手段。几乎没有教师把培养和考查学生课程相关的工程应用技能和工程基本素质作为大作业的目标。特别是电工电子技术课程有其自身的特点，照搬其他课程的大作业的方法或方案，或仅仅以综合多知识点的计算题作为大作业是远远不够的。

因此，针对上述问题，结合电工电子技术课程的属性、教学目标及非电专业学生的特点，研究、探索能够激励学生主动学习，更适合学生能力培养的大作业题目和教学实践是急需解决的关键问题。在学校重点教改项目和教育部产学合作协同育人项目的支持下，开展了针对电工电子技术课程的剖析类型大作业的研究和教学实践工作。

一  大作业的定位与目标

找准定位，把握好目标是设计大作业题目的关键。电工电子技术从教学内容来看，电路分析部分是基础，电子技术是重点。课程的目标是培养非电专业学生具备使用和应用电子仪器设备、模块化电子电路的基本能力。即课程应培养学生能够对已有的、成熟的、模块化的电子电路进行分析，理解工其作原理，掌握其对外的接口电气特性，并能够应用已有的技术方案解决相关工程问题。另外，授课学生均来自非电专业，因此，通过设计电子电路解决工程问题类型的题目不太适合作为本课程的大作业。综合分析、考虑这些因素，电工电子技术课程大作业需要达到的目标包括以下几点。

（一）  培养和训练学生分析真实电子电路的能力

电子技术不是纸上谈兵，学生应该能够识别电子元器件、集成芯片，具备对真实的电子电路进行分析的能力，理解电路的工作原理，并做出定性分析和判断，这是学生应该掌握的一项基本技能。

（二）  培养和训练学生的查找、阅读器件和芯片手册能力

理论课程的讲授仅仅涉及典型、经典的电子器件和集成电路芯片。而伴随着电子技术的发展，电路的集成度不断提高，新器件和集成芯片不断涌现和应用。这就要求学生会搜索器件和芯片手册，并且要读懂手册，理解工作原理和典型参数的物理意义及数值范围。

（三）  培养和训练学生的画图能力

学生应掌握运行标准的电工、电子电路图形符号，通过常用EDA软件绘制简单的电子电路原理图，表达设计意图的能力。

（四）  电子技术知识点的综合应用

实际的电子电路往往是模拟和数字混合的综合性电路，这就要求学生应该具备综合应用基本理论和基本方法分析、理解实际电子电路工作原理的能力。

二  大作业题目总体构思

由于课程面向非电专业学生开设，而且选课学生多，又是技术基础课，因此，不宜采用设计电子电路类型的大作业。课程开设在大二学年，而且学时多（72学时），所以，也要适当控制学生完成大作业的总体时间投入。

大作业的题目采用对真实电子产品进行拆解，剖析电路的具体构成，分析其组成原理，撰写纸质报告的具体形式。剖析类型的题目是对已有电子电路功能和原理的解析，了解其使用的器件、芯片的基本特性，通过观察真实电子元器件的连接关系逆向给出原理图，并进一步回答题目中设计的问题，进而形成对电子电路功能的深刻认识。

大作业剖析类型题目可以引导学生在完成剖析类型的大作业过程中动手做，即拆解电子产品，弥补课堂教学的不足。同时，题目还能够培养学生利用好网络资源，查阅电子元器件的数据手册，并且结合课程理论知识初步自主看懂数据手册。另外，剖析类型大作业还能督促学生自主学习EDA软件绘制原理图。

被剖析的电子产品至关重要，其应该对于课程知识点具有较好的综合性。另外，其应该来源于日常生活中的实际电子产品，既能看得见也能摸得着，能够激发学生的探究愿望和自主学习的动力。综合以上考虑因素，在电工电子技术课程教学实践中，选取微小型遥控四旋翼[6-7]的飞控板作为被剖析的电子产品，取得了较好的教学效果。

飞控板是一个典型的MCU最小系统，具有很好的综合性知识点，既含有模拟电子技术的典型电路，又包含数字电子技术的典型电路。例如，其含有典型的属于自激振荡教学内容的皮尔斯振荡电路，供电电源部分属于典型的串联型稳压电路，电机驱动电路属于典型的MOS管应用电路，I2C接口电路属于典型的数字电路中OC门的应用电路，等等。

更为新颖的是，在剖析类的题目中还首次引入了诸多思政教育元素。例如，飞控板的核心MCU选用的是国产化的GD32F103[8]，电路EDA设计软件选用的是国产化的立创EDA软件[9]。学生在完成大作业过程中可以亲身感受和亲身体验我国半导体技术和EDA软件的技术发展和进步，增强民族自豪感和爱国情怀，达到了思政教育润物细无声的效果。

三  大作业题目设计

（一）  飞控板剖析大作业题目

飞控板遥控四旋翼的控制中心，其以国产32位GD32F103作为主控MCU。MCU可以通过微型陀螺仪和加速度计获取姿态信息，在控制算法控制下实现操作者给定的飞行动作。随大作业下发给学生一个飞控板（图1），附带下发飞控板PCB文件。

大家通过对飞控板的剖析和学习，请回答以下几个问题。

问题1：根据飞控板PCB图，画出原理图。由于PCB文件格式为.pcbdoc（AD软件格式），推荐采用免费正版在线国产立创EDA软件（https：//pro.lceda.cn/）打开PCB文件查看芯片和元器件之间的连接关系，并绘制原理图（10分）。

问题2：请登录GD32官网（https：//www.gd32mcu.com/）自行查阅飞控板所用MCU型号的相关资料（器件手册、说明书、应用笔记等），学习飞控板MCU的GPIO口内部结构原理，并具体说明：①GPIO口有几种工作模式（2分）。②简要说明每种工作模式的工作原理（6分）。

问题3：请结合实际电路完成以下问题。①请具体说明MCU外配晶振电路的工作原理（3分）。②飞控板MCU与3轴陀螺仪和3轴加速度传感器（MPU6050）互连通信时采用了I2C总线，请具体说明I2C总线为什么要外配上拉电阻（3分）。③请结合原理图具体说明飞控板电源部分电路的工作原理（3分）。④请结合原理图具体说明四个空心杯电机的驱动方法（3分）。

（二）  大作业题目解读

飞控板总体架构如图2所示，其是以GD32F103为核心的典型MCU最小系统，外配了晶振模块、电源模块，采用PWM控制方式通过MOS管驱动四个空心杯电机，通过I2C总线外扩了陀螺仪加速计芯片，通过I2C总线外扩了无线通信芯片等。飞控板是一个模拟电子技术和数字电子技术混合系统，非常适合用于训练学生综合运用电工电子技术知识的能力。

飞控板PCB为6层板，4个信号层，1个电源层和1个地层，是复杂电子产品常用的一种板层结构。学生可以通过国产的EDA设计软件打开PCB文件，通过软件操作PCB中各个元器件和芯片之间的电气连接关系。

另外，在大作业命题过程中，把大作业题目进行了细化，分为三个问题。问题2中又包含2个子问题；问题3中包含了4个子问题。这些问题和子问题的设计及次序安排经过精心设计，具有良好的引导性。学生按题目问题和子问题顺序依次剖析解答，就可以顺利完成对飞控板的剖析任务。随作业下发的飞控板PCB图文件还可以督促学生自主学习PCB基本知识和国产化EDA软件的操作及使用，也达到了课程思政教育的目的。