基于CDIO與慕課的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)教學(xué)改革

鄭文斌+鳳雷+喬家慶+劉冰+付平

摘 要：本文結(jié)合高校涉及高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容教學(xué)過程中存在的問題，從培養(yǎng)新時(shí)代卓越工程師的目標(biāo)出發(fā)，考慮引入國際優(yōu)秀CDIO教育理念和MOOC先進(jìn)的自主學(xué)習(xí)方法，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核考試等多方面提出有效的教學(xué)改革措施，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力起到積極有效的作用，是解決目前高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)教學(xué)中問題的一個(gè)較好的方法。

關(guān)鍵詞：高等教育；MOOC；CDIO模式；高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）03-0031-04

一、引言

《高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)》是適合于工科弱電專業(yè)的選修課程，對(duì)今后從事電路設(shè)計(jì)、EMC分析等職業(yè)的學(xué)生而言，本課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握高速數(shù)字電路在設(shè)計(jì)過程中使用到的相關(guān)基本概念，了解與高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用有關(guān)的電路原理。通常在實(shí)際學(xué)習(xí)過程中，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容過于枯燥、抽象，不利于本科生掌握，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

針對(duì)這些問題，如何為實(shí)際工程提供合格的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)人才，如何使學(xué)生在職場(chǎng)中更加具有競(jìng)爭(zhēng)力，在研究生學(xué)習(xí)階段可以更加如魚得水，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造力成為教學(xué)工作重點(diǎn)。CDIO工程教育模式提倡如何在學(xué)習(xí)中實(shí)踐，并在實(shí)踐中學(xué)習(xí)，提供了一種非常好的解決問題的思路與方法。

二、CDIO和慕課相結(jié)合的教學(xué)模式與方法

1.CDIO工程教育理念

CDIO這一工程教育理念是最近十幾年來國際上在工程教育或者說工科教育領(lǐng)域的最新研究成果。最早是由麻省理工學(xué)院等4所大學(xué)組成的跨國研究團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)4年時(shí)間的研究與探索，并且成立了國際合作組織繼續(xù)研究及應(yīng)用了CDIO這一理念。[1]

CDIO是一個(gè)縮寫詞，它的四個(gè)字母分別代表巧妙的構(gòu)思、精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)、完美的實(shí)現(xiàn)以及良好的運(yùn)作，它的思想是將某一種產(chǎn)品從它的研發(fā)階段開始，一直到整個(gè)運(yùn)行階段整個(gè)周期作為一款產(chǎn)品生命周期的整個(gè)過程，通過教師的教學(xué)，讓學(xué)生參與整個(gè)產(chǎn)品周期的實(shí)踐，同時(shí)與學(xué)習(xí)的理論內(nèi)容聯(lián)系在一起的方式來學(xué)習(xí)并解決工程上的現(xiàn)實(shí)問題。CDIO培養(yǎng)理念中將一個(gè)畢業(yè)生的能力分為四個(gè)層面來評(píng)價(jià)分析，包括工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人各方面能力的相關(guān)展現(xiàn)、個(gè)人在人際交往和在團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)體現(xiàn)的能力以及統(tǒng)籌整個(gè)工程系統(tǒng)或者導(dǎo)向整個(gè)工程的能力。最終目的不僅僅培養(yǎng)一名工程師，還在各個(gè)方面綜合培養(yǎng)一名未來的工程領(lǐng)域的高管，當(dāng)然，可能在初始階段仍然只是一名工程師。[2-5]

CDIO的大綱確立工程師必須具備上述四方面能力，所有的能力在整個(gè)CDIO培養(yǎng)訓(xùn)練過程中以一定的方式表達(dá)出來，諸如各種不同表達(dá)分?jǐn)?shù)、權(quán)重等等，這樣，通過分門別類細(xì)化以及綜合的評(píng)價(jià)等不同方式，讓教師和學(xué)生都能對(duì)被評(píng)價(jià)人有一個(gè)綜合的理解，這樣在今后的培養(yǎng)和鍛煉過程中具有針對(duì)性。CDIO具有良好的系統(tǒng)性和科學(xué)性，至少目前是符合國際上在工科領(lǐng)域的教學(xué)教育，具有一定的先進(jìn)性，有可能成為未來工科領(lǐng)域教學(xué)教育的發(fā)展趨勢(shì)，其他領(lǐng)域也可以借鑒這種方法進(jìn)行教育。[4-9]

2.基于MOOC的教學(xué)方法

“慕課”是一種大規(guī)模開放式網(wǎng)絡(luò)課程的統(tǒng)稱，可以通過互聯(lián)網(wǎng)為全世界想要學(xué)習(xí)的人提供豐富的教育資源和便捷的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)?！澳秸n”是MOOCs的諧音，其中“M”代表Massive（大規(guī)模），一般傳統(tǒng)課堂上只有幾十至幾百個(gè)學(xué)生，通常不會(huì)更多，但是MOOCs課程能達(dá)到傳統(tǒng)課堂十倍乃至百倍的學(xué)生數(shù)量；第一個(gè)“O”代表開放（Open），以興趣為指引方向，凡是真心想要學(xué)習(xí)的，可以不分國籍種族去學(xué)習(xí)，這樣欠發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的學(xué)生可以在網(wǎng)上學(xué)習(xí)世界頂級(jí)學(xué)府的課程，接受最一流的教育；第二個(gè)“O”代表在線（Online），所有的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)上完成，這樣不受地域和時(shí)間的限制，可以有效地解決部分貧困或教育資源短缺地方的學(xué)習(xí)問題；最后一個(gè)“C”則代表課程（Course），整體的意思就是大規(guī)模開放的在線網(wǎng)絡(luò)課程。[10]

慕課這種形式最早起源于美國的高等學(xué)府，但是發(fā)展非常迅速，涉及的范圍非常廣，這是創(chuàng)始者沒有預(yù)料到的，它受眾之廣、資源之豐富、獲得容易、效果良好的特點(diǎn)得到了大家廣泛認(rèn)可：[11-14]

（1）大規(guī)模的課程：世界的各大高校和有一技之長的個(gè)人都可以廣泛發(fā)布。

（2）開放的課程：抱有共享的理念，將知識(shí)開放給大家，知識(shí)是開放的。

（3）網(wǎng)絡(luò)的課程：課堂資源在網(wǎng)絡(luò)上，可以自己選擇學(xué)習(xí)時(shí)間和地點(diǎn)，只要擁有連接網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，就可以按自己的需求與興趣進(jìn)行廣泛的學(xué)習(xí)和交流，并且獲得相關(guān)課程的合格證書。

（4）名師課程：網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)過程完全憑借學(xué)生的自愿和興趣，并且每門課程沒有人數(shù)的限制。同時(shí)，創(chuàng)建MOOC的教師一般都具有非常高的學(xué)術(shù)素養(yǎng)和教學(xué)能力，教學(xué)效果非常好。

人才培養(yǎng)、教學(xué)效果等是目前高等教育面臨的重大問題，面對(duì)慕課等更多更新穎的教學(xué)手段與教學(xué)方法，需要思考如何順利完成社會(huì)賦予的使命，將多種方式與傳統(tǒng)方式相結(jié)合提高教學(xué)質(zhì)量，尤其是高校青年教師，如何在這場(chǎng)沖擊中提高自身能力和競(jìng)爭(zhēng)力，在這場(chǎng)變革中處在領(lǐng)先地位，這個(gè)革命式的教改方式對(duì)教學(xué)能力、教學(xué)內(nèi)容和授課方式的影響。

三、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程教學(xué)現(xiàn)狀

目前《高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)》課程作為一門測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的大四選修課，在大四秋季學(xué)期開展。這門課程具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，高速電路設(shè)計(jì)的過程非常復(fù)雜，系統(tǒng)復(fù)雜程度逐年提高，傳輸線效應(yīng)、信號(hào)完整性問題是高速數(shù)字電路中面臨的最重要的問題，經(jīng)常導(dǎo)致傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的電路無法正常工作，并且無法很好解釋原因。而硬件的高速發(fā)展、通訊學(xué)科的飛速前進(jìn)導(dǎo)致高速電路已經(jīng)是工科學(xué)生必備的設(shè)計(jì)技術(shù)之一。本課程重點(diǎn)介紹數(shù)字電路的術(shù)語、邏輯門電路的高速特性及標(biāo)準(zhǔn)的高速測(cè)量技術(shù)，以及高速數(shù)字設(shè)計(jì)中涉及信號(hào)完整性方面的傳輸線、時(shí)鐘偏移和抖動(dòng)、端接、過孔等問題。要求學(xué)生掌握邏輯門電路的高速特性、標(biāo)準(zhǔn)的高速測(cè)量技術(shù)以及高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)應(yīng)該注意的問題，并且能夠完成一般的高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)。但是目前學(xué)生普遍存在一些問題：首先就是學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)掌握得并不扎實(shí)，很多以前學(xué)過的其他課程的知識(shí)點(diǎn)在本課程提起時(shí)，反應(yīng)較慢，有學(xué)完就忘的現(xiàn)象，說明課程雖然結(jié)束了，考試成績(jī)也不錯(cuò)，但是不具有長時(shí)間的記憶能力，只是應(yīng)付考試而已。其次，對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)PCB電路板沒有深刻的認(rèn)識(shí)，理論與實(shí)際結(jié)合得不好，并且由于以前只是不牢固，先修課程沒有為后續(xù)課程起到很好的輔導(dǎo)作用。通過對(duì)往屆學(xué)生的調(diào)查，反映了一些先修課程和對(duì)本課程的一些影響。盡管教學(xué)過程中教師能力出眾，知識(shí)淵博，具有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，注重從整體到細(xì)節(jié)的把握，理論講得很透徹，但是學(xué)生對(duì)這些知識(shí)的興趣不大。另外，由于學(xué)生沒有工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PCB設(shè)計(jì)，尤其是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)，學(xué)生不具備相應(yīng)的工程能力和動(dòng)手能力，對(duì)整體把握和理解趨近于零，沒有認(rèn)同感和代入感，因此學(xué)習(xí)效果不理想，造成所學(xué)的知識(shí)與實(shí)際相脫節(jié)，計(jì)算習(xí)題效果很好，但是在設(shè)計(jì)高速電路時(shí)，則缺乏相應(yīng)的方法。因此，本課程需要進(jìn)一步針對(duì)選修課的課程特點(diǎn)，借鑒先進(jìn)的教育理念和方法，改變師生的角色，讓學(xué)生成為課堂主角，教師成為課堂的觀眾，從而激發(fā)工科學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性及驅(qū)動(dòng)性。

四、基于CDIO的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程改革

1.教學(xué)大綱的改革

按照CDIO的大綱要求，對(duì)現(xiàn)有的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用課程大綱進(jìn)行改革，明確課程需要達(dá)到的培養(yǎng)目標(biāo)，主要包含由團(tuán)隊(duì)合作能力、表達(dá)能力和溝通能力構(gòu)成的職業(yè)能力目標(biāo)。在教學(xué)中，要嚴(yán)格按照項(xiàng)目的設(shè)施流程來完成，把高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)這門課程的知識(shí)點(diǎn)在學(xué)習(xí)過程貫穿于以某一個(gè)項(xiàng)目為例的整體過程中，實(shí)施基于CDIO模式的過程，按照“構(gòu)思”、“設(shè)計(jì)”、“實(shí)施”、“運(yùn)行”以及基于“項(xiàng)目教學(xué)法”的要求，實(shí)現(xiàn)基于項(xiàng)目過程的教學(xué)。設(shè)計(jì)教學(xué)體系包括知識(shí)學(xué)習(xí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、系統(tǒng)分析及管理四個(gè)部分，用A、B、C、D來表示對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)完本課程后應(yīng)具有的能力，同時(shí)，將部分課程以MOOC在線教學(xué)的方式引入課堂，讓學(xué)生課上課后學(xué)習(xí)不同的知識(shí)，如表1所示。

2.教學(xué)內(nèi)容的改革

教材的選擇改革，目前高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程更多針對(duì)的是，在高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)過程中需要注意到的工藝過程各個(gè)階段的注意事項(xiàng)及可能遇到的問題解決，針對(duì)方法的介紹相對(duì)少一些；針對(duì)大四本科學(xué)生實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)不足、理論基礎(chǔ)較好，因此建議增加一些動(dòng)手的內(nèi)容，利用CDIO中的基于項(xiàng)目機(jī)制，可以進(jìn)行分組，幾個(gè)同學(xué)負(fù)責(zé)一個(gè)小項(xiàng)目，根據(jù)項(xiàng)目完成整個(gè)課程的學(xué)習(xí)，既可以提高熱情和積極性，也可以增加更多經(jīng)驗(yàn)，將理論與實(shí)際相結(jié)合，最大程度挖掘?qū)W生的創(chuàng)造能力，提高分析和解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力。根據(jù)CDIO的特性，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容如圖1所示。

除此之外，由于引入了MOOC的教學(xué)方法和理念，可以選擇部分課程內(nèi)容讓學(xué)生在線學(xué)習(xí)，選擇適合自己的課程完成相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，如電源系統(tǒng)、時(shí)鐘等部分，很多MOOC課程中的部分內(nèi)容有所涉及，而對(duì)高速數(shù)字電路的影響可能沒有涉及，那么可以在課上對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行充分的講解，課上課下相結(jié)合的效果令人期待。

3.教學(xué)方法的改革

教學(xué)方法的改革主要將CDIO與MOOC的核心思想結(jié)合在一起，動(dòng)手和理論學(xué)習(xí)相結(jié)合，邊學(xué)邊做，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為了獲得更好的激發(fā)效果和學(xué)習(xí)動(dòng)力，考慮在今后的教學(xué)中，將部分課程的教學(xué)地點(diǎn)從教室轉(zhuǎn)換到課題組實(shí)驗(yàn)室和課后的在線MOOC學(xué)習(xí)完成，增加學(xué)生對(duì)不同授課教師講述方式的理解，同時(shí)可以考慮學(xué)習(xí)部分國外知名課程的英文授課內(nèi)容，雙語教學(xué)可以改善教學(xué)效果，如實(shí)驗(yàn)中心或者本專業(yè)各個(gè)課題組，并且申請(qǐng)部分經(jīng)費(fèi)，讓學(xué)生能夠邊學(xué)習(xí)邊實(shí)踐，體驗(yàn)高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的過程和結(jié)果，教和學(xué)互相驗(yàn)證。雖然目前課程中已經(jīng)充實(shí)了很多實(shí)物的照片或者范例，但是實(shí)際的操作會(huì)強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果、加強(qiáng)記憶。在可能的情況下，增加更多實(shí)驗(yàn)課時(shí)，提供更多的實(shí)驗(yàn)器材，雖然是選修課，但是一樣會(huì)對(duì)學(xué)生的成長起到巨大的作用。增強(qiáng)動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

4.評(píng)價(jià)方法指標(biāo)的改革

課程的考核評(píng)價(jià)體系和考核方法主導(dǎo)著學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和方向，因此必須匹配本課程的CDIO教學(xué)大綱，能有效引導(dǎo)學(xué)生開展相關(guān)能力的鍛煉。本課程主要環(huán)節(jié)包括課上出勤、課堂表現(xiàn)和考試考核，權(quán)重大約在0.3 與 0.7。書面理論考試以基本概念、基本理論、基本技能以及工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)等為主?？紤]在今后的改革過程中加入一些課后作業(yè)以及更多實(shí)驗(yàn)部分，將權(quán)重分配得更合理，減小考試比例，更多強(qiáng)調(diào)CDIO中對(duì)綜合能力的考量、團(tuán)隊(duì)能力的考察。

五、結(jié)束語

CDIO工程教育模式是理論與實(shí)際相結(jié)合，基于CDIO的高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)課程的教學(xué)著重改革課程體系、教學(xué)模式、教學(xué)環(huán)境以及評(píng)價(jià)方法這幾方面，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考的能力，培養(yǎng)學(xué)生工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提高團(tuán)隊(duì)意識(shí)，加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立解決各種問題的能力，除了學(xué)到知識(shí)，更重要的是提高實(shí)踐能力，在學(xué)習(xí)中不斷實(shí)踐，在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)，相互促進(jìn)，相互影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]Meng-Di LI，Xiao-Min GU，Zhu H，et al.Teaching Reform and Practice of Engineering Thermodynamics Based on CDIO Mode[J].Education Teaching Forum， 2017：35-37.

[2]陳芳，王旭.基于CDIO的C語言教學(xué)改革[J].科技視界，2015（2）：96.

[3]馮中毅，任志國.CDIO理念下《面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)》教學(xué)改革研究[J].科技視界， 2016（16）.

[4]董洋溢，崔巖，張淑麗，陳世亮.基于CDIO模式的課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2015（1）：59-61.

[5]胡興志，丁飛己.工程系統(tǒng)、工程教育與CDIO課程改革[J].現(xiàn)代教育科學(xué)，2015（3）： 77-83.

[6]E.Crawley. Rethinking Engineering Education - The CDIO Approach[M].Springer Press，2007：1-88.

[7]王曉敏，崔巍，宋燕林.迭代式CDIO工程教育模式的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理， 2015（5）：200-205.

[8]王麗云，孫艷潔.CDIO教育理念融入英語教學(xué)與評(píng)估的可行性[J].科教文匯（下旬刊），2015（9）：162-163.

[9]李曉燕，謝仲文，張宏斌等.基于CDIO理念的醫(yī)學(xué)院校英語教學(xué)研究[J].中華醫(yī)學(xué)教育探索雜志，2015（3）：256-259.

[10]賈磊.基于CDIO工程教育理念的土木工程專業(yè)材料力學(xué)改革探索[J].科技視界， 2015（1）：45-49.

[11]游曉明，方志軍，姚興華.MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂混合教學(xué)模式下應(yīng)用型高校教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2017（1）：7-9.

[12]袁麗麗，王玨.基于MOOC的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)改革與研究[J].課程教育研究， 2017（4）.

[13]丁春霞，李輝勇，彭大云，石國榮.基于MOOC平臺(tái)的高?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革[J].廣州化工， 2017（5）：125-126.

[14]李巖.“MOOC+翻轉(zhuǎn)課堂”混合教學(xué)模式下應(yīng)用型高校教學(xué)改革與實(shí)踐——以高校建筑學(xué)專業(yè)為例[J].黑龍江科學(xué)，2017（5）：18-19.

（編輯：王天鵬）