基于E-CDIO-KS模式的電子類課程教學(xué)實踐

陳 安，于兆勤，彭 端，陳靈敏，杜宇上

(廣東工業(yè)大學(xué)實驗教學(xué)部，廣東廣州510006)

0 引言

為了落實高校大學(xué)生創(chuàng)新行動計劃，整合和利用校內(nèi)優(yōu)質(zhì)實踐教學(xué)資源，為學(xué)有余力和具有主動實踐意識的學(xué)生搭建提高創(chuàng)新意識和實踐能力的平臺，2013年5月我校開設(shè)了電子設(shè)計實踐能力提高班和機器人實踐能力提高班等4個實踐能力提高班，其中電子設(shè)計實踐能力提高班的具體教學(xué)由實驗教學(xué)部電工電子實驗中心承擔，中心通過筆試、實操和面試選拔了30名優(yōu)秀學(xué)生進入提高班學(xué)習。

如何更好地提高學(xué)生的工程實踐能力是擺在中心教師面前的一個首要問題。中心教師在廣泛查詢國內(nèi)外相關(guān)文獻，汲取國內(nèi)外學(xué)者和同行的相關(guān)研究成果和實踐經(jīng)驗，對有關(guān)學(xué)校進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，決定采用E-CDIO-KS(體驗—構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作—知識化，共享)模式對電子設(shè)計實踐能力提高班進行教學(xué)，通過1年的實踐，提高班學(xué)生的專業(yè)技術(shù)知識、工程實踐能力、團隊合作和交流能力等綜合素質(zhì)都有顯著的提高。

1 E-CDIO-KS教學(xué)模式的具體實施

整個電子設(shè)計實踐能力提高班的學(xué)習分兩個學(xué)期來完成，第一學(xué)期實行小班授課，主要學(xué)習元器件檢測、焊接訓(xùn)練、PCB制作、常用電路模塊制作、AVR單片機及擴展電路等實踐課程，學(xué)生通過1個學(xué)期的基本訓(xùn)練，掌握一些電路設(shè)計的基本要求和專業(yè)知識，為下個學(xué)期的學(xué)習打下良好的基礎(chǔ)［1-2]。整個學(xué)期的實踐課程內(nèi)容如圖1所示。

圖1 第一學(xué)期實踐課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)

第二學(xué)期實行分組制作，4到5名學(xué)生1組，每組指定一個負責人。每組學(xué)生可在指定的選題中任選1個設(shè)計題目，也可以根據(jù)自己的想法自選題目，自選題目的小組需先給出一個完整的設(shè)計方案。在整個設(shè)計過程中，教師只是提綱挈領(lǐng)地給學(xué)生指引搜集資料的方向，學(xué)生遇到實際問題時再進行單獨答疑。

在具體的教學(xué)過程中，學(xué)校主講教師主要負責設(shè)定教學(xué)目標、邀請校外教師、補充相關(guān)基礎(chǔ)知識、課堂組織協(xié)調(diào)、實踐活動設(shè)計、評價方式制定及實施和學(xué)生間的互動組織等［3]。由多位課內(nèi)課外教師共同完成課程全部內(nèi)容的講授，并且邀請相關(guān)電子企業(yè)的工程師或創(chuàng)業(yè)成功的校友來校開展系列講座，以彌補教學(xué)質(zhì)量受限于教師水平的缺陷。

E-CDIO-KS教學(xué)模式貫穿于整個教學(xué)過程中，具體體現(xiàn)如下。

(1)在E(體驗)環(huán)節(jié)中，講敘具體產(chǎn)品(如開關(guān)電源、信號發(fā)生器)的制造時，我們通過聯(lián)系，安排學(xué)生去相關(guān)企業(yè)參觀學(xué)習，這樣校外教師在講授相關(guān)電子產(chǎn)品知識時，學(xué)生會有更直觀更深刻的感觸。例如信號發(fā)生器是學(xué)生在模擬電子技術(shù)實驗中經(jīng)常要用到的一種儀器，在學(xué)期末我們通過聯(lián)系廣州地區(qū)的信號源生產(chǎn)廠家，讓提高班的學(xué)生去廠家進行參觀學(xué)習，學(xué)生通過參觀生產(chǎn)線上信號源各模塊的組裝、整機調(diào)試及現(xiàn)場工程師的講解，對信號源的生產(chǎn)過程有了切身體會，回到實驗室用信號源調(diào)試電路時，如果信號源出現(xiàn)一些小故障，都可以自行解決。

(2)CDIO(構(gòu)思、設(shè)計、實施和運作)環(huán)節(jié)，是整個模式的核心環(huán)節(jié)。在學(xué)習過程中教師為學(xué)生提供輔助資源，如通過課堂上講解電子產(chǎn)品(例如開關(guān)電源、信號發(fā)生器)的基本原理及發(fā)展趨勢，啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新點，形成良好的構(gòu)思;通過講解電子產(chǎn)品開發(fā)流程和設(shè)計的關(guān)鍵因素，鼓勵學(xué)生做中學(xué)、學(xué)中做，發(fā)揮主觀能動性。在CDIO整個過程中，如果學(xué)生有好的創(chuàng)意，根據(jù)學(xué)生的需求，開放實驗室和購置所需器材進行具體的實物制作。

(3)K(知識化)和S(共享)環(huán)節(jié)貫穿整個學(xué)習過程中，通過知識共享，學(xué)生才能更系統(tǒng)的建構(gòu)自己的思維。在基于E-CDIO-KS的教學(xué)模式下，采用面授為主，網(wǎng)絡(luò)為輔的混合學(xué)習模式，提倡學(xué)生自主學(xué)習并通過使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的資源實現(xiàn)知識積累、知識共享(集體共享或個性化共享)、知識交流(師生交流、生生交流、人機交流)以及知識創(chuàng)新(隱顯性知識轉(zhuǎn)化)等。舉辦電子設(shè)計實踐能力提高班學(xué)習論壇，教師和學(xué)生可以在論壇上交流學(xué)習問題和心得體會，教師可以答疑解惑。利用論壇可提供非實時答疑，方便師生互動交流。

總之，學(xué)生在E階段感性地體驗產(chǎn)品的實際生產(chǎn)過程和學(xué)習知識，教師和企業(yè)工程師發(fā)揮指導(dǎo)輔助的作用;在CDIO階段學(xué)生通過實踐所學(xué)到的知識，提升自己發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力;KS階段實現(xiàn)知識共享，促進學(xué)生構(gòu)建自己的思維。

2 E-CDIO-KS模式下學(xué)期作品制作

根據(jù)電子設(shè)計實踐能力提高班的教學(xué)計劃，在第二學(xué)期，我們把學(xué)生分成信號發(fā)生器組、開關(guān)電源組和無線通信組等若干個小組，每個小組需要根據(jù)各自的課題任務(wù)要求，完成相應(yīng)的實物制作。

以信號發(fā)生器組為例，設(shè)計的核心問題是信號的控制問題，其中包括信號頻率、種類以及強度的控制。根據(jù)題目要求，信號發(fā)生器小組查閱相關(guān)資料，結(jié)合第一學(xué)期所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，提出四種實現(xiàn)方案:①采用555集成芯片函數(shù)發(fā)生器，555芯片可以產(chǎn)生可變的正弦波、方波、三角波及實現(xiàn)頻率控制，但產(chǎn)生的頻率較低;②采用低溫漂、低失真、高線性單片壓控函數(shù)發(fā)生器ICL8038，產(chǎn)生頻率(0.001～300 kHz)可變的正弦波、三角波、方波及數(shù)控頻率調(diào)整。但是，由于ICL8038自身的限制，輸出頻率穩(wěn)定度不是很高，而且，由于壓控的非線性，頻率步進的步長控制比較困難;③采用MAX038函數(shù)發(fā)生器，MAX038是一個精密高頻波形產(chǎn)生器。能精密地產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)和正弦波信號，頻率范圍為0.1 Hz～20 MHz)。但此芯片目前已經(jīng)停產(chǎn)且價格比較貴;④采用DDS(直接數(shù)字式頻率合成器)波形發(fā)生技術(shù)，選用AD9851和單片機相結(jié)合的方式實現(xiàn)對頻率的控制。AD9851高速DDS芯片時鐘頻率可達180 MHz，輸出頻率可達70 MHz，分辨率為0.04 Hz。

綜合分析以上四種實現(xiàn)方法的性價比，信號發(fā)生器小組采用DDS芯片AD9851來設(shè)計信號發(fā)生器。整個硬件電路主要由AD9851為核心的DDS模塊、單片機為核心的按鍵LCD顯示控制模塊、濾波模塊、供電模塊以及通信模塊等構(gòu)成。整個設(shè)計過程中，從方案比較到理論計算、從畫原理圖到PCB、從焊接到軟件編程及最終的實物制作和調(diào)試，都充分體現(xiàn)了CDIO教育理念。學(xué)生制作的信號發(fā)生器實物和頻率顯示如圖2和圖3所示。

圖2 信號發(fā)生器

圖3 信號發(fā)生器頻率顯示

整個設(shè)計完成后，不同小組之間的學(xué)生可以相互交流心得體會，并把在設(shè)計過程中遇到的問題以及解決的方法放到電子設(shè)計能力提高班論壇上，實現(xiàn)知識共享［5]。

在學(xué)期末，我們要求學(xué)生提交設(shè)計和總結(jié)報告及相應(yīng)的實物作品。報告需包含:①方案比較、設(shè)計與論證;②理論分析與計算;③電路圖及有關(guān)設(shè)計文件;④測試方法與儀器;⑤測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析。

實物作品在提交時需在實驗室現(xiàn)場演示，教師根據(jù)設(shè)計報告的內(nèi)容對學(xué)生進行提問，最后根據(jù)現(xiàn)場演示的結(jié)果及學(xué)生回答問題的情況對學(xué)生進行綜合評分。

3 E-CDIO-KS教學(xué)模式的實施效果

E-CDIO-KS教學(xué)模式在電子設(shè)計實踐能力提高班的教學(xué)中實施了1年多，新的教學(xué)方法得到學(xué)生的支持，取得了很好的教學(xué)效果:

(1)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，主動參與的熱情非常高。在整個學(xué)習期間，學(xué)生經(jīng)常中午和晚上都沉浸在實驗室里，有時候為了調(diào)試一個程序很晚才回寢室。當其學(xué)期作品達到預(yù)期效果后，他們會為此感到非常自豪。

(2)提高了學(xué)生的實踐技能、分析和解決問題的工程能力。通過設(shè)計方案的比較、計算機輔助設(shè)計軟件的使用、印制電路板的制作和電路的安裝與調(diào)試，使學(xué)生獲得一次較為系統(tǒng)的訓(xùn)練。在訓(xùn)練過程中，電路的仿真設(shè)計和電路調(diào)試時的故障排除都是理論與實際相結(jié)合的重要體驗，縮短了學(xué)生與實際工程的距離，對他們今后的發(fā)展有很大促進作用。

(3)增強了學(xué)生的創(chuàng)新能力及科技創(chuàng)新的自信心。提高班的學(xué)生開始主動與教師聯(lián)系，積極申請參加學(xué)校組織的各種電子競賽和項目，如大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目和大學(xué)生電子設(shè)計大賽等等。

4 結(jié)語

基于E-CDIO-KS模式的教學(xué)在電子設(shè)計實踐能力提高班中的實踐，有效培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習能力、信息分析綜合能力、創(chuàng)新意識、動手能力和團隊合作精神。新教學(xué)方法的實施，使教師的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)也得到增強。E-CDIO-KS模式是一個比較新的創(chuàng)新模式，有利于學(xué)生個人能力的提升，但還未得到大規(guī)模的應(yīng)用，以后的研究中要深入提取該模式的內(nèi)涵，并進行進一步的具體實踐，從中發(fā)現(xiàn)潛在的問題及有利因素，進行不斷的完善。

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