軟件工程專業(yè)的數(shù)字電路CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：在軟件工程專業(yè)數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍存在硬件基礎(chǔ)薄弱、動(dòng)手操作少、工程能力受限等特點(diǎn)，針對(duì)這些現(xiàn)狀，文章闡述介紹基于CDIO工程教育理念的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提出將課程教學(xué)與涵蓋多數(shù)知識(shí)點(diǎn)的實(shí)際工程項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合的授課方式，使學(xué)生在做中學(xué)，在學(xué)中做，不斷提升其工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電路；CDIO；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

軟件工程專業(yè)是實(shí)踐性很強(qiáng)的工科類專業(yè)。培養(yǎng)能夠適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型軟件人才是我們的最終目標(biāo)。然而，目前國(guó)內(nèi)外普遍面臨工程人才缺乏、工程教育質(zhì)量良莠不齊等問(wèn)題。因此，如何革新教育理念、改變教育模式、提高學(xué)生的工程素質(zhì)是每一位教育工作者都應(yīng)該思考的、不可回避的重要課題。

數(shù)字電路作為軟件工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生不僅要掌握數(shù)字邏輯電路的課程知識(shí)，還要具備分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。長(zhǎng)期以來(lái)，由于本身的專業(yè)特點(diǎn)及學(xué)校對(duì)硬件課程的重視不夠等問(wèn)題，學(xué)生中普遍存在電路及硬件基礎(chǔ)薄弱、動(dòng)手操作能力差等現(xiàn)象，加上傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降闹T多弊端，導(dǎo)致學(xué)生缺乏解決實(shí)際問(wèn)題和工程綜合的能力，無(wú)法適應(yīng)新世紀(jì)對(duì)軟件人才的需求。

1、全新的CDIO教學(xué)理念

傳統(tǒng)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常安排在理論教學(xué)之后，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本按照理論課程的進(jìn)展逐一開(kāi)設(shè)，以驗(yàn)證理論知識(shí)為主，實(shí)驗(yàn)類型多是單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

這種模式的弊端在于：①實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的界線過(guò)于明顯，二者相輔相成、相互促進(jìn)的關(guān)系無(wú)法得到體現(xiàn)；②實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目缺少工程性，各實(shí)驗(yàn)內(nèi)容孤立存在，缺乏相互間的銜接，學(xué)生對(duì)這些零散的知識(shí)很難融會(huì)貫通；③以教師為中心，教師是教育的主動(dòng)實(shí)施者，學(xué)生則成為知識(shí)的被動(dòng)接受者，學(xué)生的主觀能動(dòng)性受到很大的抑制；④學(xué)生獲取的能力范圍有限，除知識(shí)能力外，其他方面的能力很難得到提升。

CDIO即構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)作（Operate）的縮寫，是近年來(lái)國(guó)際工程教育改革的最新成果。它是以美國(guó)麻省理工學(xué)院為首的全球幾十所著名大學(xué)探索實(shí)踐出來(lái)的一種全新的工程教育模式，給國(guó)內(nèi)的工程教育帶來(lái)了一場(chǎng)新的教育改革風(fēng)暴。

CDIO以產(chǎn)品研發(fā)至產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，以培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型、創(chuàng)新型工程師為目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)工程教育應(yīng)當(dāng)關(guān)注實(shí)踐，將教育過(guò)程置身于產(chǎn)品/系統(tǒng)生命周期的具體環(huán)境中，培養(yǎng)學(xué)生各方面的工程能力。這種能力不僅包括知識(shí)學(xué)習(xí)能力，而且包括工程組織能力、團(tuán)隊(duì)交流能力以及在企業(yè)環(huán)境下的項(xiàng)目構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)作能力等。

CDIO是一種倡導(dǎo)“做中學(xué)”的新型工程教育教學(xué)模式，將它引入到數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于：①打破先理論、后實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，以實(shí)際工程項(xiàng)目為主線來(lái)組織課程，理論課與實(shí)驗(yàn)課均圍繞項(xiàng)目來(lái)開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的一體化教學(xué)；②實(shí)際工程項(xiàng)目被分解成不同的實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目，并被穿插到平時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目間形成一個(gè)緊密聯(lián)系的有機(jī)整體；③堅(jiān)持以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，通過(guò)項(xiàng)目的一步步實(shí)施，不斷激發(fā)學(xué)生探索的欲望和樂(lè)趣，不斷啟發(fā)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目方案加以創(chuàng)新、完善，主觀能動(dòng)性得到充分的發(fā)揮；④通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目答辯的形式，學(xué)生的表達(dá)能力、解決問(wèn)題的能力及項(xiàng)目組織能力等都得到很好的鍛煉，綜合素質(zhì)得到提高。

圖1所示為傳統(tǒng)教學(xué)模式，圖2所示為CDIO理念下的教學(xué)模式，兩圖直觀地描述了CDIO理念下教學(xué)模式與傳統(tǒng)模式的區(qū)別。

2、CDIO理念下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展流程

根據(jù)CDIO的教育理念及其他院校的成功案例，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展流程作了總結(jié)和規(guī)范，圖3所示為基于CDIO的實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展流程。

1）實(shí)際工程項(xiàng)目：將課程教學(xué)與實(shí)際項(xiàng)目緊密聯(lián)系起來(lái)，對(duì)教學(xué)資源進(jìn)行優(yōu)化重組，選取合適的工程項(xiàng)目，并以此為主線來(lái)組織課程教學(xué)。選擇的工程項(xiàng)目既要涵蓋多數(shù)的理論知識(shí)點(diǎn)，又要具有一定的實(shí)用性、趣味性，從而不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

2）項(xiàng)目分解：工程項(xiàng)目的分解與實(shí)施過(guò)程，就是學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握知識(shí)的過(guò)程。通過(guò)分析，工程項(xiàng)目被分解為一個(gè)個(gè)由淺入深、層次分明的子項(xiàng)目。教師通過(guò)子項(xiàng)目的需求來(lái)講解相應(yīng)的理論知識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目的自然引入。

3）學(xué)生分組及項(xiàng)目調(diào)研：將學(xué)生分成若干個(gè)項(xiàng)目小組，每個(gè)小組推選出一名項(xiàng)目經(jīng)理，負(fù)責(zé)項(xiàng)目進(jìn)展把握、資源調(diào)配及溝通交流，組織小組成員做好項(xiàng)目調(diào)研、資料搜索等工作。

4）方案設(shè)計(jì)及可行性論證：各項(xiàng)目小組根據(jù)所學(xué)的知識(shí)及充分的資料調(diào)研，給出初步的設(shè)計(jì)方案并對(duì)方案進(jìn)行可行性和可靠性論證。

5）子項(xiàng)目的實(shí)施與完善：教師根據(jù)各項(xiàng)目組的進(jìn)展情況及時(shí)穿插相關(guān)的理論知識(shí)，對(duì)學(xué)生作進(jìn)一步的啟發(fā)和引導(dǎo)，以不斷完善和優(yōu)化子項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

6）子項(xiàng)目驗(yàn)收：項(xiàng)目小組在每一個(gè)子項(xiàng)目結(jié)束后要提交一份項(xiàng)目報(bào)告并由教師對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)收。

7）其他新的子項(xiàng)目：教師根據(jù)總項(xiàng)目的進(jìn)展需求引入其他新的子項(xiàng)目。

8）完成總項(xiàng)目及項(xiàng)目評(píng)價(jià)：如此周而復(fù)始，直至完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)總項(xiàng)目。最后教師補(bǔ)充項(xiàng)目案例中未涉及的知識(shí)點(diǎn)，并組織各項(xiàng)目組進(jìn)行項(xiàng)目答辯和項(xiàng)目評(píng)價(jià)。在項(xiàng)目評(píng)價(jià)方面，針對(duì)不同階段的能力培養(yǎng)側(cè)重點(diǎn)不同，采取的評(píng)價(jià)方式也有所不同。

每一個(gè)階段都有相應(yīng)的能力培養(yǎng)目標(biāo)，基于CDIO教學(xué)模式的能力培養(yǎng)如圖4所示。項(xiàng)目分解和實(shí)施的過(guò)程，也是學(xué)生能力培養(yǎng)和發(fā)展的過(guò)程，通過(guò)一步步能力的提升，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生綜合素質(zhì)的全面提高。

總之，在CDIO模式下，工程項(xiàng)目的分解與實(shí)施過(guò)程，就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展的過(guò)程，也是學(xué)生學(xué)習(xí)與掌握知識(shí)的過(guò)程。學(xué)生在做中學(xué)，在學(xué)中做，學(xué)習(xí)興趣不斷被激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了快樂(lè)學(xué)習(xí)。

3、CDIO理念下的項(xiàng)目設(shè)計(jì)

結(jié)合上述CDIO實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程圖，我們選取交通燈控制系統(tǒng)為實(shí)際工程項(xiàng)目。最簡(jiǎn)單的交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)包含如下功能：紅燈亮表示該通道禁止通行；綠燈亮表示該通道允許通行，且允許左轉(zhuǎn)彎；紅燈、綠燈按一定的時(shí)間交替顯示，顯示的時(shí)間可以相等，也可以不相等；紅綠燈交替顯示之前（如4s）黃燈閃爍；采用“手動(dòng)/自動(dòng)”開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行控制；手動(dòng)控制狀態(tài)下，紅綠燈直接翻轉(zhuǎn)，黃燈不閃爍（功能擴(kuò)展部分內(nèi)容）。

根據(jù)以上要求，交通燈控制系統(tǒng)被分解成以下幾個(gè)子項(xiàng)目：

1）時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路：可選用555定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，利用分頻器進(jìn)行分頻，得到秒脈沖，作為計(jì)數(shù)譯碼顯示部分的計(jì)數(shù)脈沖。

2）減計(jì)數(shù)控制：實(shí)現(xiàn)紅燈或綠燈顯示時(shí)間秒遞減功能，可用觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，涉及時(shí)序邏輯電路知識(shí)。

3）譯碼控制：當(dāng)減計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù)到4s時(shí)，黃燈閃爍，當(dāng)減計(jì)數(shù)至0s時(shí)，實(shí)現(xiàn)紅綠燈交替，并重新置入設(shè)置的初始值，可通過(guò)譯碼器實(shí)現(xiàn)，涉及組合邏輯電路知識(shí)。

4）時(shí)間顯示電路：顯示計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果，時(shí)間顯示為2位，故可用2位數(shù)碼管來(lái)顯示。

5）初始值設(shè)置電路：設(shè)定紅綠燈顯示時(shí)間長(zhǎng)短，可由撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和編碼器實(shí)現(xiàn)，涉及組合邏輯電路知識(shí)。

6）紅綠燈切換電路：實(shí)現(xiàn)紅綠燈的“手動(dòng)/自動(dòng)”切換，可用數(shù)據(jù)選擇器來(lái)完成，涉及組合邏輯電路知識(shí)。

7）紅綠燈控制電路：實(shí)現(xiàn)“手動(dòng)/自動(dòng)”狀態(tài)下對(duì)黃燈的不同要求，可由簡(jiǎn)單的門電路實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述思想，交通燈控制電路被分解成很多不同的實(shí)驗(yàn)子項(xiàng)目，并被穿插到平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。教師根據(jù)項(xiàng)目需求，講解基礎(chǔ)知識(shí)，又在講解基礎(chǔ)知識(shí)的過(guò)程中，導(dǎo)入相關(guān)的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的一體化教學(xué)。同時(shí)，我們鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、勇于探索，學(xué)會(huì)在眾多的知識(shí)中提取項(xiàng)目相關(guān)的知識(shí)，并學(xué)會(huì)將所學(xué)知識(shí)加以轉(zhuǎn)化以增強(qiáng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

從項(xiàng)目的發(fā)布到一步步實(shí)施，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣漸學(xué)漸濃。他們不僅從中體驗(yàn)到了探索的樂(lè)趣，同時(shí)也加深了對(duì)知識(shí)的理解。而且，由于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋知識(shí)面廣泛，內(nèi)容前后聯(lián)系性強(qiáng)，有利于學(xué)生掌握和構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

4、實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方式

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)考核模式大多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)際操作情況給出平時(shí)成績(jī)（約占30%～50%），期末考試是再進(jìn)行一次統(tǒng)一命題的實(shí)驗(yàn)理論考試和實(shí)驗(yàn)操作考試（占50%～70%），最后再結(jié)合平時(shí)成績(jī)?cè)u(píng)定總成績(jī)。這種方法總體來(lái)說(shuō)比較科學(xué)規(guī)范，但標(biāo)準(zhǔn)過(guò)于單一，不足以反映學(xué)生獨(dú)立綜合設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。

基于CDIO的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)價(jià)注重學(xué)生在項(xiàng)目活動(dòng)中的能力培養(yǎng)及發(fā)展過(guò)程，評(píng)價(jià)體系更加多元化，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括專業(yè)能力、項(xiàng)目組織能力、團(tuán)隊(duì)合作協(xié)調(diào)能力及創(chuàng)新能力等。

針對(duì)不同階段能力培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)不同，我們采取的評(píng)價(jià)方式也有所不同。對(duì)階段性的子項(xiàng)目，主要采取提交項(xiàng)目報(bào)告及教師評(píng)定的辦法。而學(xué)期項(xiàng)目除上述評(píng)價(jià)方法外，還增加了學(xué)生互評(píng)及項(xiàng)目展示、答辯環(huán)節(jié)，并邀請(qǐng)企業(yè)工程師對(duì)學(xué)生的工程能力及項(xiàng)目的可靠性等進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5、結(jié)語(yǔ)

CDIO工程教育理念的核心是以“用”導(dǎo)“學(xué)”，在做中學(xué)，在學(xué)中做，理論與實(shí)踐緊密聯(lián)系、不可分割。這種教育模式可以實(shí)現(xiàn)4大轉(zhuǎn)變：授課方式由“知識(shí)講解型”向“項(xiàng)目導(dǎo)向型”轉(zhuǎn)變；教師由“灌輸者”向“引導(dǎo)者”轉(zhuǎn)變；學(xué)生由“被動(dòng)接受者”向“主動(dòng)學(xué)習(xí)者”轉(zhuǎn)變；考核方式由“單一化”向“多元化”轉(zhuǎn)變。

實(shí)踐初步證明，這種以項(xiàng)目為主線的、由簡(jiǎn)到繁、由淺入深、層層遞進(jìn)的CDIO教學(xué)模式，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，它不僅培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)能力，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目組織能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新能力等多方位的能力，不斷促進(jìn)學(xué)生工程綜合素質(zhì)的提高。