基于產(chǎn)出導(dǎo)向的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革

王 波， 王美玲， 劉 偉， 金 英， 肖 烜

(北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100081)

0 引 言

《華盛頓協(xié)議》是工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的國(guó)際互認(rèn)協(xié)議，1989年由美國(guó)、英國(guó)、加拿大、愛(ài)爾蘭、澳大利亞、新西蘭的工程專業(yè)團(tuán)體發(fā)起成立，旨在通過(guò)工程教育本科專業(yè)認(rèn)證保證工程教育質(zhì)量，為工程師資格國(guó)際互認(rèn)奠定基礎(chǔ)，2016年6月我國(guó)成為《華盛頓協(xié)議》正式成員國(guó)[1]。加入《華盛頓協(xié)議》有利于促進(jìn)我國(guó)工程教育按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)人才，提高工程教育的質(zhì)量，對(duì)我國(guó)工程技術(shù)領(lǐng)域人才走向世界具有重要意義。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進(jìn)[2]。

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化類、電氣類、信息類等相關(guān)專業(yè)大學(xué)生繼學(xué)習(xí)完電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課、實(shí)驗(yàn)課之后的重要的理論和實(shí)踐綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)[3-5]。隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，在傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中暴露出一些突出問(wèn)題，主要表現(xiàn)在：① 教師在教學(xué)過(guò)程中居于主導(dǎo)地位，忽視了學(xué)生的主體性和能動(dòng)性。② 教學(xué)內(nèi)容的形式與工程實(shí)際相脫離，學(xué)生缺乏工程設(shè)計(jì)思想、方法的培養(yǎng)，不能綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題。③ 教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，不能體現(xiàn)現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。④ 與工程實(shí)踐和素質(zhì)教育密切相關(guān)的自學(xué)能力、經(jīng)濟(jì)因素、團(tuán)隊(duì)合作等因素的培養(yǎng)在教學(xué)目標(biāo)中沒(méi)有體現(xiàn)。

1 產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念

20世紀(jì)80年代到90年代早期,一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-Based Education，OBE)最早出現(xiàn)于美國(guó)和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革。OBE是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來(lái)組織、實(shí)施和評(píng)價(jià)教育的結(jié)構(gòu)模式，實(shí)施OBE教育模式主要有4個(gè)步驟：定義學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Defining)、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Realizing)、評(píng)估學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Assessing)和使用學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Using)[6-8]。該教育模式采用“自頂向下”的“反向設(shè)計(jì)”方式，通過(guò)預(yù)先設(shè)定培養(yǎng)目標(biāo)，再設(shè)計(jì)支撐該目標(biāo)的課程體系和培養(yǎng)方式，即根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)整合優(yōu)化課程體系和教學(xué)過(guò)程。

2 課程目標(biāo)

根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)要求，細(xì)分畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)，圍繞指標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)。該課程教學(xué)目標(biāo)有:① 了解、掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法；② 能夠根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，進(jìn)行任務(wù)分析，利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可實(shí)現(xiàn)性、可維護(hù)性等因素選擇合適解決方案；③ 利用EDA仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與完善；④ 學(xué)會(huì)以小組為單位分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，合理分解工作任務(wù)，相互配合；⑤ 能夠通過(guò)硬件電路安裝調(diào)試，完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求，完成設(shè)計(jì)報(bào)告；⑥ 在電路調(diào)試、故障排除中熟練使用常用儀器設(shè)備；⑦ 提高分析與設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的能力，為以后應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的課程目標(biāo)與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 課程目標(biāo)與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 基于產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 指導(dǎo)思想

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)具有工程性、實(shí)踐性、綜合性和系統(tǒng)性的特點(diǎn)?；贠BE教育理念的電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，除了實(shí)踐動(dòng)手能力培養(yǎng)外，更注重把與工程實(shí)際密切相關(guān)的創(chuàng)新意識(shí)、自學(xué)能力、經(jīng)濟(jì)因素、團(tuán)隊(duì)合作、總結(jié)與表達(dá)等因素的綜合能力與素質(zhì)教育貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)中。在教學(xué)過(guò)程中采用CDIO工程教育模式的項(xiàng)目教學(xué)法[9-12]，以項(xiàng)目的構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)施(Implement)及運(yùn)作(Operate)全過(guò)程為載體來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

3.2 項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)踐

結(jié)合工程實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般流程[13]，將電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)中課題的設(shè)計(jì)過(guò)程分為課題分析和方案論證，方案設(shè)計(jì)，方案實(shí)現(xiàn)和總結(jié)及成果展示4個(gè)階段來(lái)進(jìn)行教學(xué)。這4個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)CDIO教育理念中項(xiàng)目的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行4個(gè)過(guò)程。

(1) 課題分析和方案論證。電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)所選的課題來(lái)源于工程實(shí)際，并且具有綜合性、先進(jìn)性和實(shí)用性。學(xué)生以團(tuán)隊(duì)合作的形式(人數(shù)限定為2人)選擇不同的題目。每個(gè)團(tuán)隊(duì)成員根據(jù)課題的設(shè)計(jì)要求，做好充分的調(diào)查研究，弄清楚系統(tǒng)所要求的功能和性能指標(biāo)，對(duì)各種不同的解決方案進(jìn)行討論交流及可行性分析，并進(jìn)行成本預(yù)算，選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。例如，秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)學(xué)生提出2種方案，如圖1所示。方案1電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但工作穩(wěn)定性及精度差。方案2電路工作穩(wěn)定性及精度好，如果集成電路選擇合適，電路結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)比較采用第2種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

圖1 秒脈沖發(fā)生器的2種方案

在項(xiàng)目的構(gòu)思階段，主要培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、工程系統(tǒng)能力及自主創(chuàng)新能力。

(2) 電路設(shè)計(jì)。確定了課題方案后，就要進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)，要讓學(xué)生利用軟件仿真的方法來(lái)設(shè)計(jì)電路。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的正確性，減少故障出現(xiàn)的可能性，大大縮短設(shè)計(jì)周期。例如，浮點(diǎn)頻率計(jì)課題中，學(xué)生利用Multisim軟件設(shè)計(jì)的三節(jié)拍產(chǎn)生電路如圖2所示，測(cè)量控制信號(hào)QT和節(jié)拍信號(hào)JP1、JP2和JP3的仿真波形如圖3所示。

圖2 節(jié)拍控制電路

由QT的下降沿啟動(dòng)三節(jié)拍發(fā)生器，產(chǎn)生的第1個(gè)節(jié)拍信號(hào)JP1封鎖測(cè)量控制信號(hào)QT，使之不能送出后面的測(cè)量信號(hào)；第2個(gè)節(jié)拍信號(hào)JP2應(yīng)在將近3s時(shí)產(chǎn)生，用來(lái)清除本次測(cè)量的結(jié)果，使測(cè)量結(jié)果顯示時(shí)間約為3s；最后產(chǎn)生第3個(gè)節(jié)拍信號(hào)JP3，解除對(duì)測(cè)量控制信號(hào)QT的封鎖，再次啟動(dòng)測(cè)量過(guò)程。

圖3 節(jié)拍信號(hào)仿真波形圖

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段主要培養(yǎng)學(xué)生的單元電路設(shè)計(jì)能力、仿真分析能力及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)能力。

(3) 方案實(shí)現(xiàn)。目前電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有以下幾種方法[14]：① 采用通用的集成邏輯器件實(shí)現(xiàn);② 采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn);③ 設(shè)計(jì)功能完整的電子系統(tǒng)芯片。

第1種是傳統(tǒng)的方法，實(shí)際應(yīng)用比較廣泛。第2種方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高。第3種方法成本較高，不適合小批量生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)比較，采用第1種和第2種實(shí)現(xiàn)方法。選用第1種實(shí)現(xiàn)方法時(shí)引導(dǎo)學(xué)生選用市場(chǎng)上價(jià)格便宜、貨源充足的集成電路。選用第2種實(shí)現(xiàn)方法時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生采用Cypress半導(dǎo)體公司推出的PSOC(Programmable System on Chip)器件。PSOC器件是在一個(gè)芯片上集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞控制器的模擬及數(shù)字組件[15-16]。

在項(xiàng)目的實(shí)施階段主要培養(yǎng)學(xué)生的常用儀器儀表的使用能力、電路故障的檢查與排除能力，系統(tǒng)的調(diào)試能力，同時(shí)讓學(xué)生對(duì)工程中的經(jīng)濟(jì)、安全等因素有所了解。

(4) 總結(jié)及成果展示。在調(diào)試成功后，進(jìn)行系統(tǒng)演示及課題驗(yàn)收。由團(tuán)隊(duì)推選主講人，其他成員參與演示設(shè)計(jì)成果，介紹課題的設(shè)計(jì)思路、關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、存在的問(wèn)題等方面的內(nèi)容。例如，學(xué)生設(shè)計(jì)完成的浮點(diǎn)頻率計(jì)實(shí)物如圖4所示，測(cè)量結(jié)果的顯示為3位十進(jìn)制數(shù)，前2位為有效數(shù)字，第3位為10的冪次。當(dāng)輸入信號(hào)頻率為500 Hz時(shí)，輸出顯示為50×101。在課題驗(yàn)收后，要提交課題的研究報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容主要包括：設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)電路及工作原理、軟件仿真結(jié)果、硬件調(diào)試結(jié)果、原理圖與印制電路板圖的設(shè)計(jì)、應(yīng)用領(lǐng)域等。

在項(xiàng)目的運(yùn)作階段主要培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)的綜合運(yùn)用能力、語(yǔ)言表達(dá)能力和寫作能力。

3.3 考核評(píng)價(jià)機(jī)制

課程考核上，堅(jiān)持以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，在教學(xué)實(shí)施的各個(gè)階段對(duì)學(xué)生達(dá)成課程目標(biāo)的程度進(jìn)行評(píng)價(jià)?？己藘?nèi)容與教學(xué)目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖4 浮點(diǎn)頻率計(jì)實(shí)物圖

表2 考核內(nèi)容與課程目標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

以工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求為導(dǎo)向，根據(jù)OBE教學(xué)理念，對(duì)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列的教學(xué)改革。教學(xué)改革中將能力培養(yǎng)與素質(zhì)教育融于整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，由以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為中心，以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ虒?shí)踐為中心，從知識(shí)、能力和素質(zhì)三方面使學(xué)生得到了綜合的工程訓(xùn)練和素質(zhì)培養(yǎng)，為我校自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)要求中多方面能力指標(biāo)的完成提供了強(qiáng)有力的支撐作用。通過(guò)近幾年教學(xué)改革的實(shí)踐，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，提高了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神、團(tuán)隊(duì)精神、協(xié)作和配合能力、總結(jié)與表達(dá)能力，為學(xué)生整體素質(zhì)的提高奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。