新工科创新教育与实践

创新是国家持续发展的动力源泉。对个人来说,创新也同样十分重要。因此,需要科学理论的指导、循序渐进的培养、融合专业的实践。在国务院《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中,明确要求建立健全集创新创业课程教学、自主学习、结合实践、指导帮扶、文化引领于一体的高校创新创业教育体系,实现人才培养质量显著提升。

近些年,我国着重实施创新驱动战略,在创新型国家的建设中,天宫遨游、蛟龙潜海、天眼望星、悟空探测、墨子通信等一大批重大科技成果相继问世,这是我国创新成果的新纪录。这些超越了自己、实现了突破、代表了前沿或领先于国际的科技成果,使我们能够从一直以来在科技领域处于追赶者的角色逐渐转变为与先进国家并驾齐驱甚至在某些领域开始处于领跑者的角色,推动着以高铁、核电等为代表的中国制造,并将先进产能输送出去,促进了中国经济向中高端迈进。  

创新是引领发展的动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。为加快建设创新型国家,党的十九大报告进一步明确了创新在引领经济社会发展中的重要地位,标志着创新驱动作为一项基本国策,在新时代中国发展的行程上,将发挥越来越显著的战略支撑作用。

多年来,河南工学院一直致力于新建一系列的创新模块课程,在新工科创新教育与实践方面建设起了“基础创新模块”、“专业创新模块”和“综合创新模块”等一系列创新课程,本书就属于新工科基础创新模块课程的配套教材,是为适应本科学生创新思维培养而编写的。本书着重从应用型本科院校学生的特点和需求着手,教材中设置了大量贴近学生专业的创新应用案例,增强学生对创新思维和创新能力的锻炼,达到培养新工科专业人才的目的。

本书是河南工学院新工科教育创新改革系列丛书之一。本书注重理论联系实际,案例丰富新颖,紧跟时代、贴近生活,将理论知识的学习与实践动手能力的培养融合在一起,对大学生开展创新实践具有很强的指导作用。

全书共分三篇。第1篇为数学逻辑思维创新,不以讲授具体数学知识为重点,而以培养能力为核心。具体来说,以学生为中心,以学生已有数学知识为基础,以问题为载体,采用案例驱动法教学。在案例教学中逐步改善学生的思维模式,培养学生的逻辑思维能力、创新能力,以及勇于探索、敢于创新的意识和良好的团队协作精神,为后续学习、工作提供方法论指导。本1新工科创新教育与实践课程各章节相对独立,内容涵盖斐波那契数列、MATLAB编程、MATLAB 绘图、线性回归、数学规划、传染病模型、层次分析法、图论初步、蒙特卡洛模拟以及博弈论。其中MATLAB是基础,本课程问题的求解均是在MATLAB平台完成的。对于课时较少的专业,可选修部分章节进行学习;对于已掌握至少一门编程语言,如Phthon、R 语言等的学生,可略过MATLAB 的学习,利用已掌握软件进行求解即可。第2篇为电子设计创新,以电子产品创新设计的全过程为主线,讲述了常见电子元器件的识别和检测、电路原理图和电路板图的绘制、印制电路板的制作、元器件的焊接技术、常用工具和仪表的使用、电子产品的检测和调试等知识。本书面向电类专业零基础的学生,本着在夯实基础知识的前提下逐步培养学生的创新意识和创新精神的原则,围绕学生喜闻乐见的电子产品设计制作展开,注重学生动手能力和工程素养的培养,提高学生的学习兴趣和专业自信心,为下一步的深入学习打下基础,为学生后面参加电类专业的各种竞赛做准备。第3篇为机械设计创新,引入了机械创新设计大赛、全国3D大赛和工程训练综合能力竞赛中的优秀作品,以案例贯穿创造学、设计方法学和各种创新理论。在讲述中密切联系工程实际,循序渐进,深入浅出,突出体现创新思维特征,注重培养学生创新意识和能力,提高学生从事创新活动的兴趣和自信,为学生将来在工作实践中开展技术创新打下良好的基础。

本书由刘莉莉担任主编,董作霖、杨其锋、张清叶、康玉辉担任副主编,张英争、杨航、陈学锋、陈荣尚、王珂、璩晶磊、李景阳、司媛媛、王强胜、耿磊、

刘慧芳为参编。具体分工如下:第1篇数学逻辑思维创新,参加编写的人员有耿磊(第1、7、8章)、张清叶(第2、3、5、6章)、刘慧芳(第4、9、10章)。第2篇电子设计创新,参加编写的人员有杨其锋(第1、5、7章)、张英争(第2、6章)、杨航(第3章)、陈学锋(第4章)。第3篇机械设计创新,参加编写的人员有陈荣尚(第1、10章)、康玉辉(第2、8章)、王珂(第3章)、璩晶磊(第4、5章)、李景阳(第6章)、司媛媛(第7章)、王强胜(第9章)。

本书在撰写过程中,借鉴了大量国内外学者的研究成果,在此,我们向有关专家学者、作者和出版者一并致以衷心的感谢!由于编者编写水平有限,书中可能存在疏漏和不当之处,恳请学术同仁与广大读者批评指正。

编 者

2021年9月于新乡

本书是河南工学院新工科教育创新改革系列丛书之一,全书共分三篇。第1篇数学逻辑思维创新,以培养能力为核心,采用案例驱动法教学。各章节相对独立,内容涵盖斐波那契数列、MATLAB编程、MATLAB绘图、线性回归、数学规划、传染病模型、层次分析法、图论初步、蒙特卡罗模拟以及博弈论,其中MATLAB是基础,本课程问题的求解均是在MATLAB平台完成的。第2篇电子设计创新,以电子产品创新设计的全过程为主线,讲述了常见电子元器件的识别和检测、电路原理图和电路板图的绘制、印制电路板的制作、元器件的焊接技术、常用工具和仪表的使用、电子产品的检测和调试等知识。第3篇机械设计创新,引入了机械创新设计大赛、全国3D大赛和工程训练综合能力竞赛中的优秀作品,以案例贯穿创造学、设计方法学和各种创新理论。

本教材可供高校工科专业师生使用,也可以作为相关专业技术人员的参考资料。

本书是河南工学院新工科教育创新改革系列丛书之一,全书共分三篇。第1篇数学逻辑思维创新,以培养能力为核心,采用案例驱动法教学。各章节相对独立,内容涵盖斐波那契数列、MATLAB编程、MATLAB绘图、线性回归、数学规划、传染病模型、层次分析法、图论初步、蒙特卡罗模拟以及博弈论,其中MATLAB是基础,本课程问题的求解均是在MATLAB平台完成的。第2篇电子设计创新,以电子产品创新设计的全过程为主线,讲述了常见电子元器件的识别和检测、电路原理图和电路板图的绘制、印制电路板的制作、元器件的焊接技术、常用工具和仪表的使用、电子产品的检测和调试等知识。第3篇机械设计创新,引入了机械创新设计大赛、全国3D大赛和工程训练综合能力竞赛中的优秀作品,以案例贯穿创造学、设计方法学和各种创新理论。

本教材可供高校工科专业师生使用,也可以作为相关专业技术人员的参考资料。

刘莉莉，教授，博士生导师，“百千万人才工程人选”、“国务院政府特殊津贴专家”、“河南省高层次B类人才”、“河南省优秀专家”，*高校教学评估专家，河南省机械类专业指导委员会副主任，河南省高校职称评审专家委员等。长期以来从事教学科研及管理工作，主持完成省教育科学“十三五”规划重点课题、省教育综合改革重点项目、省高等教育改革研究与实践项目等10余项，获省教学成果奖、省教育信息化优秀成果等6项；主持完成省教学质量工程项目4项，出版著作教材6部。

第1篇 数学逻辑思维创新

第1章 从兔子到黄金分割——神奇的斐波那契数列 3

1.1 兔子问题和斐波那契数列 3

1.1.1 兔子问题 3

1.1.2 斐波那契数列 3

1.1.3 相关的问题 3

1.2 黄金分割 5

1.2.1 定 义 5

1.2.2 黄金分割尺规作图 5

1.2.3 黄金分割的美 5

1.2.4 优选法  6

1.2.5 数学的统一美 6

习 题  7

第2章 从一元方程求根到 MATLAB编程 8

2.1 一元方程近似解算法介绍 8

2.2 MATLAB入门  8

2.2.1 MATLAB概述  8

2.2.2 MATLAB的特点与功能  9

2.2.3 MATLAB的窗口  9

2.2.4 MATLAB的帮助功能  12

2.2.5 MATLAB常用命令及数据操作 12

2.2.6 MATLAB的基本运算  13

2.2.7 符号运算功能  15

2.2.8 M 文件编程  16

2.3 一元方程近似解的 MATLAB编程 19

习 题  20

第3章 从数列极限到 MATLAB绘图  21

3.1 数列极限的定义 21

3.2 MATLAB绘图初步  21

3.2.1 plot二维曲线绘图  21

3.2.2 plot3三维曲线绘图 25

3.2.3 其他图形绘制 26

3.3 数列极限的 MATLAB可视化 30

习 题  33

第4章 从身高说起——看线性回归模型 34

4.1 问题引入 34

4.1.1 什么是回归分析  34

4.1.2 回归模型的基本形式  35

4.1.3 回归模型的用途  36

4.2 一元线性回归模型  36

4.2.1 回归系数的估计  36

4.2.2 检验、预测与控制  37

4.2.3 回归分析命令 39

4.2.4 身高问题  40

4.3 多元线性回归模型 42

4.3.1 回归系数的估计 42

4.3.2 检验与预测 43

4.3.3 回归分析命令  44

4.3.4 牙膏销量问题  44

习 题  47

第5章 如何决策——了解数学规划模型 49

5.1 数学规划概述 49

5.1.1 引例1——超市大赢家  49

5.1.2 引例2——如何选课  50

5.2 0 1规划问题的 MATLAB求解 52

5.3 0 1规划模型   55

5.3.1 选课策略  55

5.3.2 指派问题  56

习 题   58

第6章 如何预测——看传染病模型 60

6.1 研究背景  60录

6.2 传染病模型  61

6.2.1 模型1——I模型   62

6.2.2 模型2——SI模型  62

6.2.3 模型3——SIS模型  63

6.2.4 模型4——SIR模型  64

6.2.5 模型5——参数时变的SIR模型 65

习 题  65

第7章 如何选择——层次分析法 66

7.1 工作选择问题  66

7.2 层次分析法的一般方 66

7.2.1 建立层次结构图  67

7.2.2 构造比较矩阵  68

7.2.3 确定权重向量和一致性检验  69

7.2.4 确定权重组合向量和组合一致性检验 71

习 题   73

第8章 从路径规划到图论初步 74

8.1 哥尼斯堡七桥问题  74

8.2 七桥问题的解决方案  75

8.3 从七桥问题看图论的本源思想与文化内涵  77

8.3.1 图论的本源思想  77

8.3.2 图论的文化内涵  78

习 题   80

第9章 神奇的圆周率——蒙特卡罗模拟  81

9.1 圆周率的计算历史 81

9.1.1 实验时期 81

9.1.2 几何算法时期  82

9.1.3 分析方法时期  83

9.1.4 电子计算机时期  83

9.2 圆周率的常见计算方法 84

9.2.1 数值积分法  84

9.2.2 Taylor级数法(无穷级数法) 85

9.2.3 蒙特卡罗法  86

9.3 科学计算其他无理数 88

习 题  91

第10章 竞争中的数学——博弈论  92

10.1 新课引入  92

10.1.1 游戏1——随机写整数   92

10.1.2 游戏2——拍卖100元钞票  92

10.1.3 游戏3——囚徒困境  93

10.2 博弈论的产生和发展  94

10.3 博弈论研究的假设 95

10.4 博弈类型  95

10.5 纳什均衡  96

10.5.1 案例1——三国中的博弈:联吴抗魏  96

10.5.2 案例2——智猪博弈  97

习 题  98

第2篇 电子设计创新

第1章 电子创新零基础也行 101

1.1 电子产品设计制作的一般过程  101

1.2 电子产品制作要用到的工具和仪表  102

1.2.1 数字式万用表 102

1.2.2 电烙铁  106

1.2.3 烙铁架  107

1.2.4 焊锡丝  107

1.2.5 助焊剂(松香) 108

1.2.6 吸锡器   108

1.2.7 镊 子 109

1.2.8 斜口钳和尖嘴钳  109

1.2.9 螺丝刀  110

1.2.10 热熔胶  110

1.2.11 工具包  111

1.3 电子设计创新制作实例  111

1.3.1 “俄罗斯方块游戏机”的设计制作 111

1.3.2 “音乐霹雳灯”的设计制作  114

1.3.3 “两管调频发射机”的设计制作  115

1.3.4 “多路抢答器”的设计制作  116 录

1.3.5 “脉搏测试仪”的设计制作  116

习 题 119

第2章 常用电子元器件 120

2.1 电阻器  120

2.1.1 电阻器的相关概念 120

2.1.2 电阻器的种类 120

2.1.3 电阻器的主要参数  121

2.1.4 电阻器的标注方法  122

2.1.5 常用电阻器   124

2.1.6 电阻器的合理选用和质量判断 128

2.2 电容器  129

2.2.1 电容器的基本知识  129

2.2.2 电容器的种类  129

2.2.3 电容器的主要参数  132

2.2.4 电容器的标识方法  133

2.2.5 电容器的合理选用  133

2.2.6 电容器的检测  134

2.3 晶体二极管 136

2.3.1 概 述  136

2.3.2 二极管的主要参数 136

2.3.3 二极管的类型  137

2.3.4 二极管的检测  139

2.4 LED数码管 140

2.4.1 LED数码管的分类 140

2.4.2 LED数码管的构成和显示原理 141

2.4.3 LED数码管的性能特点 142

2.4.4 LED数码管的检测  142

2.5 集成电路 142

2.5.1 概 述  142

2.5.2 集成电路的命名  143

2.5.3 集成电路的选用与检测 146

习 题  148

第3章 电路原理图是怎么来的 149

3.1 Altium Designer 10 简介 149

3.1.1 菜单栏 150

3.1.2 工具栏 150

3.1.3 面 板  150

3.1.4 状态栏  151

3.1.5 语言选择  151

3.2 PCB工程的创建  153

3.2.1 创建PCB工程  153

3.2.2 添加设计文档 154

3.3 原理图的绘制  156

3.3.1 原理图编辑环境介绍 156

3.3.2 放置元器件 160

3.4 绘制原理图符号  164

3.5 绘制PCB封装 169

3.5.1 使用封装向导创建封装 169

3.5.2 手工绘制PCB封装  172

3.5.3 原理图符号关联PCB封装 174

3.6 连接元器件  176

3.6.1 绘制导线  176

3.6.2 添加网络标签  177

3.7 电气规则检查   178

3.8 原理图到PCB的信息转移 180

习 题  182

第4章 熟悉而又陌生的电路板 183

4.1 印制电路板设计准备  183

4.1.1 PCB编辑环境  183

4.1.2 板形绘制  186

4.1.3 禁止布线区域设置  188

4.1.4 板层堆栈  189

4.1.5 规则设置  190

4.2 印制电路板布局  194

4.2.1 布局的基本原则 194

4.2.2 元件布局  195

4.3 印制电路板布线  200

4.3.1 布线的基本原则 200

4.3.2 自动布线  202 录

4.3.3 交互式布线 205

4.3.4 检查输出  209

习 题  211

第5章 我也可以DIY电路板 212

5.1 印制电路板的分类  212

5.1.1 按照基材的性质分类  212

5.1.2 按照布线层数分类