“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計”教學(xué)改革與實(shí)踐

劉 明，周 俊

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計”教學(xué)改革與實(shí)踐

劉 明，周 俊

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

針對目前電子系統(tǒng)綜合設(shè)計課程教學(xué)中存在的問題，該文把CDIO工程教育理念引入到該課程的教學(xué)改革中，根據(jù)CDIO大綱和標(biāo)準(zhǔn)，分別從課題認(rèn)知、課題規(guī)劃、課題實(shí)施和課題評價4個方面進(jìn)行分析，給出課程的改革方法。實(shí)踐表明，該教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、表達(dá)能力和綜合運(yùn)用知識能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，同時對提高教師的個人能力和綜合教學(xué)水平起到積極的作用。

CDIO工程教育模式；電子系統(tǒng)綜合設(shè)計；工程教育；認(rèn)知

自主創(chuàng)新能力是國家競爭力的核心，是建設(shè)創(chuàng)新型國家的基石［1－2］，而建設(shè)創(chuàng)新型國家離不開創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。高校的實(shí)驗(yàn)是高等教育創(chuàng)新體系中創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力以及提高學(xué)生的綜合素質(zhì)方面發(fā)揮著十分重要的作用［3－5］。高校實(shí)驗(yàn)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖羌由顚W(xué)生對系統(tǒng)原理理論知識的理解，綜合性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的概念，設(shè)計性實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。電子系統(tǒng)綜合設(shè)計是針對我校自動化、電氣類學(xué)生開設(shè)的一門整周實(shí)踐課程，該課程是對相關(guān)課程知識的拓寬、提高和綜合應(yīng)用，目的是培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計能力，以適應(yīng)電子信息時代對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)和能力的要求。電子系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)對學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，建立適應(yīng)社會發(fā)展、適應(yīng)高校自動化、電氣類綜合設(shè)計深化改革需要的新型教學(xué)模式，是培養(yǎng)自動化、電氣類學(xué)生工程創(chuàng)新意識和自主創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 關(guān)于課程教學(xué)體系的改革思考

電子系統(tǒng)綜合設(shè)計課程是為培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和方法的能力，通過本課程的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解較復(fù)雜電子系統(tǒng)的高層設(shè)計理念、一般性設(shè)計方法和步驟，掌握電子系統(tǒng)工程中常見問題的處理原則、方法和步驟，為畢業(yè)設(shè)計及今后從事相關(guān)的工作奠定良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。目前該課程教學(xué)基本情況是集中兩周完成教師指定的課題，教學(xué)內(nèi)容單一缺乏創(chuàng)新性，課題內(nèi)容源于書本、服務(wù)于課本，缺乏開拓性，對新技術(shù)引入?yún)T乏，課題內(nèi)容尚處于純硬件的單個元器件搭試階段，技術(shù)與時代步伐脫節(jié)；教學(xué)模式單一落后，由于各種因素影響，學(xué)生設(shè)計往往流于形式，最終由教師給學(xué)生原理圖，導(dǎo)致教學(xué)處于“搭積木”式教學(xué)模式；教學(xué)理念滯后，學(xué)生主觀能動性較低，教師尚處于主導(dǎo)地位，難以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新精神。

CDIO一體化教育模式是近年國際工程教育改革的最新成果，CDIO代表構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程［6－8］。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識、個人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力4個層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這，4個層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)［9－10］。CDIO教育模式改變傳統(tǒng)灌輸式的教學(xué)模式，教學(xué)過程中更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生主動學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考，多練習(xí)，多實(shí)踐，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，改變對教師的依賴性，同學(xué)之間進(jìn)行相互探討，相互啟發(fā)，相互補(bǔ)充，集思廣益，互為導(dǎo)師，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力，所選課題具有一定的工程背景和實(shí)際應(yīng)用價值，強(qiáng)調(diào)學(xué)生系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計工程產(chǎn)品的能力及產(chǎn)品系統(tǒng)的制作能力，提出的12條檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)具有很強(qiáng)的可操作性。

2 課程教學(xué)改革與實(shí)踐

將CDIO教育理念引入到電子系統(tǒng)綜合設(shè)計教學(xué)中，以課題的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的過程培養(yǎng)學(xué)生，提升教師水平。首先將實(shí)踐時間由原先的兩周調(diào)整為一個學(xué)期，采用“半開放”教學(xué)模式；教學(xué)內(nèi)容由單一課題變?yōu)榫哂幸欢üこ瘫尘暗膶哟位n題；教學(xué)過程中開展探究式、啟發(fā)式和參與式等教學(xué)方式，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”教學(xué)理念；實(shí)行多元化的考核模式。

2.1 課題認(rèn)知

課題認(rèn)知是指教師對即將進(jìn)行授課課程的認(rèn)知度，即對所有可能影響教學(xué)結(jié)果的信息進(jìn)行收集和處理，是教師對課程進(jìn)行構(gòu)思的階段。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師課前認(rèn)知主要停留在自我信息認(rèn)知階段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)準(zhǔn)備一定程度上依賴教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生和教師之間互通信息量少。對于電子系統(tǒng)綜合設(shè)計課程，教師備好一次課，以后若干次教學(xué)可以使用該次課成果，這樣教學(xué)方式不能與時俱進(jìn)，因材施教，很難培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

2.2 課題規(guī)劃

課題規(guī)劃包含課題選題和層次化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，是教師對課程進(jìn)行設(shè)計階段。進(jìn)行層次化的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計教學(xué)遇到的首要問題就是如何選題，如何在有限時間和有限條件下進(jìn)行正確選題是教學(xué)獲得良好效果的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計教學(xué)內(nèi)容是由教師指定的課題，學(xué)生沒有選擇性，難以進(jìn)行層次化教學(xué)，確保學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教師不能因材施教，使得課程的教學(xué)目的難以實(shí)現(xiàn)?；贑DIO教育理念，提出了電子系統(tǒng)綜合設(shè)計課題選題和內(nèi)容設(shè)計的5項(xiàng)基本原則。

1）工程性或工程背景原則：根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)1和標(biāo)準(zhǔn)4，實(shí)踐課題需要把產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行作為工程教育的環(huán)境，課題內(nèi)容不再是某些理論的單純驗(yàn)證，而是以某產(chǎn)品或系統(tǒng)工程為目標(biāo)。課題的社會實(shí)用性使得學(xué)生所學(xué)更貼近現(xiàn)實(shí)生活，讓學(xué)生了解社會需求，培養(yǎng)學(xué)生工程能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

2）專業(yè)性：根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)2，基本個人能力、人際能力和對產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)建能力要滿足專業(yè)目標(biāo)并經(jīng)過專業(yè)利益相關(guān)者的檢驗(yàn)，電子系統(tǒng)綜合設(shè)計課題選擇與電工電子類專業(yè)知識和技能的關(guān)聯(lián)程度較高的項(xiàng)目。

3）層次性和梯次性原則：根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)5，將實(shí)踐項(xiàng)目內(nèi)容分為不同層次和梯次，滿足不同層次的學(xué)生實(shí)踐需求，使得實(shí)踐項(xiàng)目能夠循序漸進(jìn)地滿足不同層次技能和綜合知識能力的培養(yǎng)需求。

4）系統(tǒng)性原則：根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)3和7，學(xué)科體系、知識和能力培養(yǎng)一體化，學(xué)科學(xué)習(xí)和工程職業(yè)訓(xùn)練相融合，課題所選擇的內(nèi)容不單純是理論知識的驗(yàn)證，而是一項(xiàng)系統(tǒng)的工程。

5）科學(xué)性和可操作性：根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)6，課題內(nèi)容選擇以高?，F(xiàn)有的實(shí)踐場所和其他學(xué)習(xí)環(huán)境支撐為前提，避免選題與現(xiàn)有條件脫鉤，難以實(shí)現(xiàn)。

2.3 課題實(shí)施

基于CDIO教育理念的電子系統(tǒng)綜合設(shè)計實(shí)踐過程有別于傳統(tǒng)的實(shí)踐流程，在整個實(shí)踐過程中，以項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的過程進(jìn)行學(xué)生能力的培養(yǎng)。

1）項(xiàng)目構(gòu)思：課題選定后，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行課題的調(diào)研工作，包括課題研究背景，研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，實(shí)踐方法和技術(shù)路線，支撐條件和成果形式等，調(diào)研結(jié)束后自行組織討論，每個同學(xué)闡述自己的想法，團(tuán)隊(duì)成員之間相互啟發(fā)，相互辯論，相互補(bǔ)充，最終確立優(yōu)化的課題方案。教師組織學(xué)生開題，通過開題確定學(xué)生課題方案的可行性，不同課題組間相互學(xué)習(xí)，亦可相互探討，進(jìn)一步優(yōu)化課題方案。

2）項(xiàng)目設(shè)計：課題方案確定后，進(jìn)行課題電路的具體設(shè)計，查閱相關(guān)資料，找出設(shè)計方案，進(jìn)行方案論證和選擇，方案論證一般采用軟件仿真論證，最終結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件進(jìn)行方案選擇，進(jìn)行方案設(shè)計可行性探討和交流，完善并確定設(shè)計方案。

3）項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)：電路設(shè)計方案通過論證后，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)際電路搭試與調(diào)試。要求學(xué)生能正確選擇相應(yīng)的使用元器件，合理布局電路，規(guī)范連接電路，合理設(shè)置電路測試點(diǎn)，具備一定的電路故障檢測、分析和糾錯能力。團(tuán)隊(duì)成員間既有分工又有協(xié)作，充分發(fā)揮課題成員的自主能力和協(xié)作能力，避免對教師的依賴性。

4）項(xiàng)目運(yùn)作：項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)行項(xiàng)目總結(jié)工作，展示課題成果。首先以團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行課題內(nèi)容，設(shè)計思想，技術(shù)路線，具體方案實(shí)施和存在問題及展望進(jìn)行匯報，然后由教師或其他同學(xué)進(jìn)行相應(yīng)的提問，最后課題組中成員進(jìn)行相應(yīng)的思考和反思。

2.4 課題評價

課題評價是對教學(xué)成果的一種衡量，是促進(jìn)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的一種手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的有效方法，既要包含學(xué)生的考核，也要融入教師的自我評價。傳統(tǒng)實(shí)踐學(xué)生考核往往重結(jié)果輕過程，帶有濃厚的教師個人色彩，不同教師成績評定方法不一樣，往往定性評價缺乏量化準(zhǔn)則，難免帶來成績評定的不公平性。教師的自我評價以課程教學(xué)小結(jié)形式呈現(xiàn)。

根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)11，考核機(jī)制對學(xué)習(xí)有直接的導(dǎo)向作用，多元（知識＋能力）考核項(xiàng)目達(dá)到多元的培養(yǎng)目標(biāo)，應(yīng)將學(xué)生在構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作4個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)相結(jié)合進(jìn)行綜合評定。為考核機(jī)制更加公平，具備一定激勵性，引入模糊層次分析法，量化考核指標(biāo)，定性定量相結(jié)合進(jìn)行成績評定，對學(xué)生各個環(huán)節(jié)的能力給予充分肯定，引入附加分（構(gòu)思附加分、設(shè)計附加分、實(shí)現(xiàn)附加分和運(yùn)作附加分），最大限度激發(fā)學(xué)生的潛力和學(xué)習(xí)興趣。構(gòu)思評價指標(biāo)包括文獻(xiàn)查閱、課題認(rèn)知度和學(xué)習(xí)態(tài)度；設(shè)計評價指標(biāo)包括設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和學(xué)習(xí)態(tài)度；實(shí)現(xiàn)評價指標(biāo)包括器件選用、電路布局及連接、個人及協(xié)作能力和學(xué)習(xí)態(tài)度；運(yùn)作評價指標(biāo)包括實(shí)踐成果、成果匯報和報告撰寫。

根據(jù)CDIO的標(biāo)準(zhǔn)9、標(biāo)準(zhǔn)10和標(biāo)準(zhǔn)12，通過實(shí)踐教學(xué)，教師的教學(xué)能力得到提高。教師的自我評價不僅是教學(xué)的總結(jié)和反饋，也是自身能力提升的總結(jié)與反饋，把評估結(jié)果反饋給學(xué)生及其他利益相關(guān)者，促進(jìn)持續(xù)改進(jìn)，提高教學(xué)質(zhì)量。

3 課程教學(xué)改革取得的成果

新的教學(xué)模式實(shí)施了3年，對存在的問題逐年進(jìn)行改進(jìn)，得到學(xué)生的支持和歡迎，取得理想的教學(xué)效果。

1）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生主動性和熱情明顯比以前高。課題具有工程實(shí)用性背景，學(xué)生興趣明顯，成就感激發(fā)學(xué)習(xí)激情。

2）學(xué)生個人實(shí)踐能力、協(xié)作能力和工程能力提升較高。在整個實(shí)踐期間，實(shí)踐時間開放，學(xué)生有足夠時間進(jìn)行調(diào)研、設(shè)計工作，學(xué)生設(shè)計能力得到極大鍛煉；團(tuán)隊(duì)課題使得學(xué)生組織、協(xié)作能力得到鍛煉，學(xué)生間相互探討，相互學(xué)習(xí)也減輕學(xué)生對課題的茫然、恐懼心理。解決具有工程背景的實(shí)際問題，學(xué)生工程能力和系統(tǒng)能力得到提升。

3）增強(qiáng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。鼓勵、激勵學(xué)生自主立題，看重學(xué)生實(shí)踐過程輕視結(jié)果，系統(tǒng)化考核，這都有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4）多元化考核機(jī)制，運(yùn)用FAHP，量化考核指標(biāo)，把考核指標(biāo)貫穿于整個實(shí)踐過程，使得考核更加公平，更具激勵性。

4 結(jié)束語

電子系統(tǒng)綜合設(shè)計是高校實(shí)踐教學(xué)課程之一，其教學(xué)模式的研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程?；贑DIO教育理念的教學(xué)模式引入有效地培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、組織協(xié)作能力、工程能力、表達(dá)能力和創(chuàng)新能力等，提升教師的教學(xué)水平和實(shí)踐應(yīng)用能力。當(dāng)然，實(shí)踐改革過程也遇到一些問題，如參加過科技活動的學(xué)生或動手能力較強(qiáng)的學(xué)生學(xué)習(xí)激情明顯高于動手能力較弱的同學(xué)，教學(xué)效果差異較大；學(xué)校硬件條件相對有限，制約學(xué)生能力的發(fā)揮等，這些都有待于進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

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比較可見第3種方案的測量不確定度最小，所以從不確定度大小角度看，最佳測量方案是通過測量內(nèi)外尺寸L1和L2測量該箱體零件的軸心距離L。如在利用液體測量銅塊的密度，可以選擇煤油、酒精或者水作為參考液體。根據(jù)不確定度，可以發(fā)現(xiàn)水是最合適的參考液體。再比如，用拉伸法測鋼絲的楊氏模量，如何選擇測量儀器，是不是所有量都需要用精密儀器測量，是不是都需要多次測量，通過不確定度的分析［11］，學(xué)生應(yīng)該知道怎么處理。這樣的例子有很多，都是可以根據(jù)不確定度來設(shè)計實(shí)驗(yàn)的。其實(shí)不僅可以利用不確定度，還可以利用其他因素結(jié)合在一起來設(shè)計實(shí)驗(yàn)。學(xué)生應(yīng)該利用這些共性，轉(zhuǎn)化這些知識為自己的能力，設(shè)計出自己需要的實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)束語

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很多方面共性，這里只是筆者根據(jù)多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)舉例做些探討。教師根據(jù)自己的授課特點(diǎn)和內(nèi)容來挖掘它們的共性。教師在授課時不需要再向?qū)W生重復(fù)講解共性，只需在教材中或課前預(yù)習(xí)時向?qū)W生提示即可，并提醒他們做好相關(guān)復(fù)習(xí)和準(zhǔn)備，以便他們在實(shí)驗(yàn)課中使用，從而提高教學(xué)效率和節(jié)省授課時間。學(xué)生感受到這些共性，做實(shí)驗(yàn)前多多思考，做實(shí)驗(yàn)時有了程序化，而不再畏首畏尾，動手能力得到提高?？偠灾?，在以后的授課中，有所教而有所不教，教師在授課時少講或不講共性內(nèi)容，多講個性內(nèi)容，適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生從共性出發(fā)，將共性遷移到其他實(shí)驗(yàn)，舉一反三，調(diào)動學(xué)生思考積極性［3，12］，提高教學(xué)效率，做到古人所倡導(dǎo)的授人以魚，不如授人以漁。

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Reform and Practice of Comprehensive Design of Electronic System

LIU Ming，ZHOU Jun
（School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China）

In response to the current problems in comprehensive design of electronic system teaching，this paper applies the idea of CDIO to the course reform，according to the CDIO syllabus and standard，analyses it from four aspects which are project cognition，project planning，project implementation and project evaluation，propose some reform methods.The application of CDIO－based teaching mode can not only effectively cultivate the autonomous learning ability，the hand－on skills，teamwork ability，expression capability and comprehensive ability，increase innovate consciousness and thought，but also playe a positive role on improving teachers’individual ability and comprehensive teaching level.

CDIO；comprehensive design of electronic system；engineering education；cognition

G642

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.045

2015－03－10；修改日期：2016－10－21

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃重點(diǎn)項(xiàng)目（201410304023Z）；南通大學(xué)教改課題（2013B082，2014B46，2014B48）。

劉明（1981－），男，碩士，講師，主要從事電工電子類實(shí)驗(yàn)教學(xué)及應(yīng)用研究方面的工作。