CDIO理念下的電工電子實習教學設計

陳新兵?謝斌盛?龍曉莉?陳虹

摘要：電工電子實習是多數(shù)工科專業(yè)開設的基礎實訓課程，傳統(tǒng)的技能訓練方式已不能適應新形勢下工程人才培養(yǎng)的需要，教學改革勢在必行。圍繞能力的培養(yǎng)，從科研成果轉化為教學內(nèi)容入手，重點介紹了CDIO理念下的實習內(nèi)容組織和教學設計，通過模塊化設計，將工程案例與實習課程具體特點結合，在保障技能訓練的基礎上，重點提升了學生的自主學習能力和系統(tǒng)工程能力。

關鍵詞：實習教學設計；工程教育；CDIO；項目驅動法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0195-02

電工電子實習，亦稱電子工藝實習，是高校開設的公共基礎實訓課程，涉及專業(yè)較多，在工科專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要地位。隨著國家的發(fā)展轉型，業(yè)界對人才的需求，已從學術型人才轉向工程型人才，[1-3]傳統(tǒng)的技能培訓模式已不能適應新形勢下人才培養(yǎng)的需要，教學改革勢在必行?，F(xiàn)代工程教育模式為集中性實踐教學環(huán)節(jié)的改革帶來了先進理念，[4-6]根據(jù)CDIO理念改革電工電子實習平臺，模塊化的方案設計和教學設計非常關鍵，圍繞能力的培養(yǎng)，從科研成果轉化為教學內(nèi)容入手，結合項目驅動法和最新的虛擬仿真技術，進行實習內(nèi)容的組織和教學設計，采用模塊化設計，將工程案例與實習課程具體特點結合，在保障技能訓練的基礎上，強化系統(tǒng)性的工程能力培養(yǎng)，重點提升了學生的自主學習能力、設計開發(fā)能力和應用創(chuàng)新水平。

一、教學設計

智能車作為創(chuàng)意機器人設計的參考原型，是高校進行跨學科創(chuàng)新的典型工程案例，也是實現(xiàn)課賽結合的理想主題，在各類賽事和學科創(chuàng)新活動中獲得了較多成果。CDIO理念下的電工電子實習教學改革，將智能車成果轉化為教學內(nèi)容，依據(jù)教學需要進行模塊化設計，完成教學適配，[7]以智能車主題貫通實習教學的各個環(huán)節(jié)，增加了課外自學內(nèi)容，結合虛擬仿真開發(fā)技術，使學生在實踐中循序漸進，具備安全用電、電子制作、電子設計與應用創(chuàng)新的各項能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)性的工程能力培養(yǎng)目標。教學設計方案見表1，下面從安全用電、電子制作、電子設計、進階引導四個方面進行介紹。

表1 CDIO理念下的電工電子實習教學設計

實習模塊 主要內(nèi)容 智能車工程案例 能力目標 適用范圍

安全用電 用電常識、用電規(guī)范

照明電路、室內(nèi)配電 電源模塊 安全用電技能

看圖接線能力 必做

動力線路、PLC自動化 驅動模塊 信息獲取利用能力 選做

電子制作 焊接、調(diào)試、裝配 循跡模塊 電子制作技能

分析解決問題能力 必做

電子設計 PCB設計、制板、焊接、調(diào)試 車燈模塊 設計開發(fā)能力 選做

電路仿真、整車調(diào)試 顯示模塊、整車 工程系統(tǒng)能力 電類

進階引導 實習總結、擴展應用、編程 MCU模塊及擴展 自主學習能力

應用創(chuàng)新能力 電類

1.安全用電

學生具備安全用電常識和解決日常用電問題的能力，是電工電子實習的最低要求。安全用電是工程實踐的基礎，須克服心理障礙，熟悉用電常識與操作規(guī)范，防患于未然，主要內(nèi)容有安全用電常識、常用工具的使用、單相電路、三相電路。需要注意強弱電、交直流的結合對照，做好與后續(xù)實習內(nèi)容的關聯(lián)，融會貫通，培養(yǎng)學生的信息獲取與利用能力。

單相電路側重培養(yǎng)安全用電技能和看圖接線能力，主要內(nèi)容是照明用電和室內(nèi)配電實訓，了解交流市電的使用，在此基礎上加入智能車直流電源課外自學內(nèi)容。電源作為電子產(chǎn)品系統(tǒng)的供配電部分，是系統(tǒng)調(diào)試和故障多發(fā)的重點區(qū)域，也是安全用電和電路檢修的關鍵環(huán)節(jié)，智能車電源模塊使用了7.2V電池，對外供電采用雙電源，7.2V直接為顯示模塊、循跡模塊和驅動模塊供電，變換為5V電壓后為MCU模塊供電，初學者容易接錯電源，造成元器件燒壞或者人體燒傷，須提示安全用電。

三相電路側重培養(yǎng)看圖接線能力和信息獲取與利用能力，有動力用電和PLC自動化兩個實訓項目，主要內(nèi)容是電機的繼電控制和PLC電氣自動化，在此基礎上通過智能車的驅動模塊了解直流繼電器及直流電機的控制，了解H橋驅動原理，智能車的驅動模塊用于運動控制，通過兩路控制信號分別對開關管和繼電器進行控制，以實現(xiàn)電機的速度、轉向等動作。達林頓管驅動電機進而控制速度、晶體管驅動繼電器進而控制行進方向。因為該部分屬選作內(nèi)容，內(nèi)容較多，比較實用，有助于培養(yǎng)學生的信息獲取與利用能力。

2.電子制作

學生具備課外科技制作的能力，是電工電子實習的最低培養(yǎng)目標。電子制作包含儀器的使用、元器件的識讀檢測、焊接工藝、電路調(diào)試和整機裝配五個部分。其中儀器的使用和元器件的識讀要結合焊接具體電路來教學，尊重學生在實訓中的主體地位，邊講邊操作，考慮學生信息的獲取與利用能力和效率，有的放矢避免泛泛而談。

焊接工藝是電子制作的基本功，主要內(nèi)容有立方體的焊接、萬用板的焊接、印刷電路板的焊接和拆焊練習，其中立方體的焊接是焊接基礎，采用“準備-加熱-加錫-去錫-去烙鐵”五步訓練法教學，要求學生握持烙鐵要穩(wěn)，養(yǎng)成焊前對烙鐵頭和引腳進行預處理的習慣，避免虛焊；萬用板的焊接推薦引腳直連法或者用單支線，訓練實例為智能車電源模塊，要求學生養(yǎng)成“先檢測，再焊接，焊前預布局”的習慣；印刷電路板的焊接訓練實例為智能車循跡模塊，學生通過印刷電路板的焊接對PCB結構和標識有一個初步的了解，為后續(xù)設計PCB奠定基礎。

通電調(diào)試前，使用萬用表對照原理圖檢測電路，發(fā)現(xiàn)元件焊反或焊錯的，須進入拆焊環(huán)節(jié)，拆焊可用熱風機或加錫拆焊法，均勻預熱避免長時間加熱某個焊點，以免焊盤脫落；調(diào)試時沿電流方向依次檢測，查找虛焊或問題元件，掌握離線檢測電路的方法。通過智能車循跡模塊掌握運放的典型應用和運放電路在線調(diào)試的方法，初步具備依據(jù)電路原理進行調(diào)試分析與解決問題的能力。電子制作教學環(huán)節(jié)，學生多為初學者，要求指導老師“多演示、多巡視、多指導、嚴驗收”，拆焊練習屬于選作內(nèi)容，方便學有余力的同學自我提升。

3.電子設計

電子設計是是工程型人才培養(yǎng)的關鍵，是電工電子實習的重點內(nèi)容，直接關系到培養(yǎng)學生的自主學習能力、設計開發(fā)能力和工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)質量，主要內(nèi)容包含電路仿真、原理圖繪制、電路板設計、電路板制作和整車調(diào)試。電路仿真是進行電子設計與驗證的便捷途徑，學生通過Multisim電子電路設計與仿真軟件，仿真智能車車燈模塊或顯示模塊，分析電路原理，了解集成運放電路典型應用與調(diào)試技巧，掌握電路設計的可行性仿真分析和虛擬儀器在電路驗證中的應用，為后續(xù)電路板設計奠定基礎。

使用Altium Designer 繪制電路原理圖，或進行原理圖修改，是進行電路板設計的前提，應注意易讀性和效率，學生在繪制智能車車燈模塊原理圖的過程中，要提前發(fā)放元器件，自然而然地了解軟件界面、元件與封裝。Altium Designer 進行PCB電路板設計之前，利用前面焊接的循跡模塊PCB成品，使學生對PCB電路板有個感性認識，然后通過剛繪制的車燈模塊原理圖快速上手，初步掌握PCB設計流程和使用技巧，布置一些課外內(nèi)容，例如布局原則、布線技巧、批量修改和機電匹配、幫助學生迅速掌握軟件[8]，提高自主學習能力。

通過熱轉印工藝，了解印刷電路板制作流程，每個環(huán)節(jié)建議設置簡短提醒，完成車燈模塊PCB的制作，在讀懂電路原理的基礎上獨立完成焊接與調(diào)試。

最后是整車調(diào)試環(huán)節(jié)。利用已制作并調(diào)試成功的五個模塊，配上智能車底座和單片機最小系統(tǒng)板成品，要求學生分組完成整車調(diào)試，通過檢測跑道（或地圖）的黑線來自動調(diào)整小車前進的方向，使小車不脫離黑線跑完全程，從而實現(xiàn)小車的自動循跡，提高學生的工程系統(tǒng)能力和團隊合作能力，通過對電子設計因果的反思總結，提高學生的設計開發(fā)能力。

4.進階引導

進階指導是實習課程的課外拓展，是課外創(chuàng)新的新起點。實習課程結束后，進行一次完整的梳理總結，便于知識結構的系統(tǒng)化，利于后續(xù)的課外創(chuàng)新實踐。圍繞智能車工程案例，總結單片機外圍電路，梳理電子技術知識的典型應用；科普單片機編程和控制算法，引導學生以智能車為原型，進行創(chuàng)意智能車/機器人的擴展設計與創(chuàng)新，組織學生參加相關賽事，提升學生的應用創(chuàng)新能力。

二、成效

電工電子實習是校級公共實踐平臺，教研組根據(jù)現(xiàn)代工程教育理念，采用“分批次多層次多模塊”的方式，逐步推進教學改革，滿足了各個專業(yè)的需要。通過模塊化設計的智能車，實現(xiàn)了已學電子技術與后續(xù)單片機課程的對接；以單片機外圍電路梳理電子技術典型應用，打通了實習教學各模塊和環(huán)節(jié)，從傳統(tǒng)的技能培養(yǎng)成功過渡到系統(tǒng)性的能力培養(yǎng)，提高了人才培養(yǎng)水平。制作的“電工電子實習課件（CDIO版）_跟我學做智能車”系列課件，在2014校多媒體教育課件大賽中獲獎，根據(jù)5個專業(yè)的教學測試，以及教學問卷反饋，完善了教學設計，取得了階段成果。

在此基礎上，探索了課賽結合教學模式（圖2）。智能車項目的模塊化設計，考慮了與后續(xù)賽事的對接與關聯(lián)，預留了MCU編程、創(chuàng)意設計和硬件擴展等內(nèi)容，把智能車成功打造為學生未來工程實踐的創(chuàng)新起點和參考范例，打通了實習與課外創(chuàng)新環(huán)節(jié)，引導學生提前進入了課外創(chuàng)新階段，通過組織學生參加智能車、機器人和飛行器等賽事，以競賽帶動學生參加課外創(chuàng)新活動，提高了學生的工程能力和就業(yè)競爭力。

三、結論

CDIO理念下的電工電子實習，通過模塊化設計的智能車項目，實現(xiàn)了以能力培養(yǎng)為目標的教學設計，適配了各專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系，提升了工程人才培養(yǎng)水平；通過虛擬仿真技術的應用和成果的轉化，進一步提高了學生的設計開發(fā)能力和工程系統(tǒng)能力；課賽結合的探索，打通了實習與課外創(chuàng)新實踐，取得了階段成就，但開支也相應加大，如何取得規(guī)模與經(jīng)費之間的平衡，例如通過虛擬仿真技術進行人才選拔降低耗材消耗等措施，還需要進一步探索。

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（責任編輯：劉翠枝）