新工科背景下CDIO理念在《電工電子學(xué)實驗》中的應(yīng)用

劉揚

摘要：該文以“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)為指引，構(gòu)建了基于CDIO理念《電工電子學(xué)實驗》課程三個級別的實驗項目。并以三級實踐項目“智力競賽搶答器設(shè)計”為例，研究了從項目構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)到運作培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、分析設(shè)計能力、實踐操作能力及自主創(chuàng)新能力。本文提出的基于CDIO的教學(xué)理念，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生動手操作能力及分析問題和解決問題的能力，為“新工科”人才培養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新工科;CDIO;自主創(chuàng)新

中圖分類號：TN710? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0142-03

Abstract： Based on the goal of "new engineering" personnel training， this paper constructs three experimental projects in "Electrical and Electronics Experiment” Based on CDIO concept. Taking the three-level practical project "intelligence competition grab answering device design" as an example， this paper studies the students 'thinking ability， analytical design ability， practical operation ability and independent innovation ability from project conception， design， realization to operation. The teaching concept Based on CDIO proposed in this paper can effectively stimulate students 'interest in learning， improve students' ability to operate and analyze problems and solve problems， and lay a solid foundation for the training of "new engineering" talents.

Key words： new engineering; CDIO; Independent innovation

CDIO代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）和運作（Operate）， 它是“基于項目”的工程教育模式，是以系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行過程為背景的工程教育。該教育理念讓學(xué)生以實踐的、積極的方式學(xué)習(xí)工程，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和職業(yè)素養(yǎng)，體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一。在當(dāng)前教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)的大背景下，我國高等教育改革發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，探索工科發(fā)展的新模式，已成為教育界共同關(guān)注的問題[1-3]。

本文以新工科理念為指引，將CDIO引入《電工電子學(xué)實驗》課程體系。從項目需求入手，以系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行過程為背景，改進(jìn)現(xiàn)有的教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和分析問題解決問題的能力。

1 傳統(tǒng)實踐教學(xué)存在的問題

（1） 實驗內(nèi)容固化，許多學(xué)生“照葫蘆畫瓢”，只是記錄數(shù)據(jù)，沒有思考;

（2） 驗證型的實驗項目多，綜合設(shè)計型實驗項目少，缺乏創(chuàng)新性，不利于學(xué)生個性的發(fā)展;

（3） 缺少課余自主設(shè)計實踐任務(wù);導(dǎo)致學(xué)生自主查找資料以及自主設(shè)計的能力欠缺。

（4） 缺少與工程實際問題結(jié)合的綜合設(shè)計性實驗，學(xué)生綜合能力較難提高。

2 《電工電子學(xué)實驗》教學(xué)改革內(nèi)容

《電工電子學(xué)》是機(jī)械工程等非電類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它包含“電路分析”，“電機(jī)與控制”，“模擬電路”，“數(shù)字電路”和“可編程控制系統(tǒng)”五個方面的內(nèi)容。自2014年起《電工電子學(xué)實驗》課程逐步引入CDIO工程教育理念，對原有松散的實驗項目進(jìn)行重構(gòu)。如圖1所示在基于CDIO的三級實踐教學(xué)體系中，一級實驗項目是基礎(chǔ)性實驗，目的是使學(xué)生在掌握基本操作的同時能夠理論聯(lián)系實際;二級實驗項目是綜合性實驗，通過提出簡單的項目要求，使學(xué)生體會構(gòu)思、設(shè)計的過程，循序漸進(jìn)地支撐三級項目;三級實驗項目是創(chuàng)新設(shè)計性實驗，學(xué)生根據(jù)項目工程需求完成構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作的整個過程題[4-5]。這三個層次的實踐項目由淺入深，由點到面，結(jié)合學(xué)生的創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)，使得整個實踐教學(xué)體系形成一個有機(jī)的整體題。

2.1 教學(xué)實例

本文以培養(yǎng)“新工科”人才為目標(biāo)，改革機(jī)械工程專業(yè)《電工電子學(xué)實驗》課程教學(xué)體系，現(xiàn)以第三級項目中的“搶答電路設(shè)計”為例，闡述CDIO理念在實驗課程中的應(yīng)用。

2.1.1 給出項目需求

1） 設(shè)計內(nèi)容：8路智力競賽搶答器

2） 設(shè)計要求：

（1） 基本功能：

? 搶答器能夠同時允許8位選手參賽。

? 設(shè)置整體控制開關(guān)，控制搶答器清零和開始搶答。

? 系統(tǒng)具有鎖存與顯示功能。即主持人控制系統(tǒng)開始，選手按下按鈕，存儲對應(yīng)編號，并顯示。同時將編號鎖存，不再允許其余選手搶答。數(shù)碼管顯示電路將顯示優(yōu)先搶答者的編號，直至系統(tǒng)重新復(fù)位。

（2） 擴(kuò)展功能：

? 定時搶答功能：系統(tǒng)控制開始搶答，倒計時開始，并顯示倒計時時間;參賽人員在預(yù)設(shè)時間里搶答，搶答有效，同時顯示對應(yīng)編號和剩余時間，并保持到系統(tǒng)復(fù)位為止。

? 超時鎖定功能：若所設(shè)置搶答定時時間到了之后，仍然沒有選手搶答，則此次為無效搶答，編碼電路將停止工作，選手無法搶答，顯示電路時間顯示0。

2.1.2 構(gòu)思項目框架

該實踐項目以系統(tǒng)需求為導(dǎo)向，以學(xué)生為主體，采用團(tuán)隊合作的形式分組討論，完成系統(tǒng)構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行的全過程。如圖3所示，智力搶答系統(tǒng)分為主體、擴(kuò)展兩部分電路。主體電路實現(xiàn)搶答基本功能，即系統(tǒng)控制端口允許搶答后，若有選手搶答，則能夠顯示其編號，同時禁止其余搶答者搶答;擴(kuò)展電路完成定時搶答的功能。

2.1.3 系統(tǒng)仿真、制作及調(diào)試

（1） 倒計時電路部分仿真

在Multisim14中，通過file/new命令創(chuàng)建新的仿真文件題[6-7]，根據(jù)要求修改電路設(shè)計窗口，分別命名為定時電路、搶答電路、整體電路。

在擴(kuò)展電路的設(shè)計中，系統(tǒng)根據(jù)要求設(shè)置搶答時間，該時間的設(shè)定是對計數(shù)器進(jìn)行預(yù)置數(shù)。因此，可以采用74LS192十進(jìn)制計數(shù)器設(shè)計定時電路;通過NE555設(shè)計一個秒脈沖電路，為計數(shù)器提供計數(shù)脈沖，最后再通過74LS48譯碼電路，將倒計時時間在數(shù)碼管中顯示出來，如圖4所示為倒計時到5時的仿真調(diào)試圖。

（2） 搶答電路部分仿真

搶答電路能夠根據(jù)選手搶答的先后順序，鎖存最先搶答選手的編號，并顯示其編號;當(dāng)有人搶答時，其他選手的按鈕操作無效。因此，根據(jù)設(shè)計要求，可采用74LS148、74LS279作為搶答電路編碼器和鎖存器的主體芯片。如圖6所示為S4選手按下時，經(jīng)過編碼電路編碼后，在顯示電路中顯示選手編號為3，此時其他選手按下時，搶答無效。

（3） 系統(tǒng)整體電路仿真

通過以上分析，搶答電路和定時電路分別調(diào)試好后，連接整體電路，并進(jìn)行整體電路仿真調(diào)試。在系統(tǒng)整體電路調(diào)試過程中，時序的控制是系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試的關(guān)鍵，即要協(xié)調(diào)以下內(nèi)容：

1） 當(dāng)系統(tǒng)控制開關(guān)撥到“開始”時，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式;

2） 參賽選手搶答后，搶答電路顯示對應(yīng)編號，定時電路不再倒計時并顯示余下時間;

3） 當(dāng)定時時間到，且無參賽選手搶答，搶答、定時電路不再工作。因此，根據(jù)以上分析，完成系統(tǒng)整體電路設(shè)計。如圖7所示：

2.2 考核評價體系

未來社會對“新工科”人才要求具有較強(qiáng)的實踐創(chuàng)新能力和國際競爭力;他們不僅專注某一學(xué)科領(lǐng)域，更加具有“學(xué)科交叉”的特征。因此，新工科培養(yǎng)人才的目標(biāo)即是使學(xué)生能夠在能力、知識和素質(zhì)的多方面協(xié)調(diào)發(fā)展。在面向新工科的教學(xué)效果評價上，重點是學(xué)生全方位素質(zhì)均衡發(fā)展的判定和考核。在多種能力和素質(zhì)架構(gòu)中，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、問題推理與建模、實驗的設(shè)計和操作、口頭表達(dá)和寫作、團(tuán)隊合作和管理能力，是新工科復(fù)合型創(chuàng)新人才綜合發(fā)展、評價學(xué)生綜合素質(zhì)最為關(guān)鍵的五種能力題[8-9]。

如表1所示為CDIO三級實驗教學(xué)項目考核標(biāo)準(zhǔn)，該體系中項目完成情況占60%，主要考察項目的設(shè)計構(gòu)思與實現(xiàn)情況;項目實施過程占30%，主要考察以項目為中心的團(tuán)隊組織協(xié)調(diào)工作;總結(jié)及報告占10%。該考核標(biāo)準(zhǔn)力求從專業(yè)知識、動手能力、組織協(xié)調(diào)能力及創(chuàng)新能力等多方面全方位地對學(xué)生進(jìn)行綜合評價。

3 實施成效

本項目依托集美大學(xué)誠毅學(xué)院兩大省級實驗示范中心——電子信息實驗教學(xué)示范中心和機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計實驗教學(xué)示范中心，以“新工科”理念為指引，重構(gòu)了基于CDIO模式的機(jī)械專業(yè)《電工電子學(xué)實驗》三級教學(xué)體系，以項目為載體，以系統(tǒng)的構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運行過程為背景，引導(dǎo)學(xué)生主動積極地學(xué)習(xí)，并養(yǎng)成現(xiàn)代工程技術(shù)的職業(yè)素養(yǎng)。在機(jī)械15級、16級和17級開展實踐教學(xué)改革，學(xué)生中反響強(qiáng)烈，極大地提高了學(xué)生的動手能力和綜合應(yīng)用能力，同時也激發(fā)了學(xué)生參加各類學(xué)科競賽和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目的熱情。近幾年來，我院學(xué)生參加電子設(shè)計競賽、機(jī)器人大賽、智能車競賽，單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計競賽等各種級別的學(xué)科競賽，均取得較好的成績。同時獲批多項省級、國家級的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目。

4 結(jié)論

基于CDIO理念的教學(xué)模式關(guān)鍵在于引導(dǎo)學(xué)生從構(gòu)思—設(shè)計—實現(xiàn)—運作這一過程中以主動的、積極的、實踐的方式學(xué)習(xí)工程，并提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。本文以“新工科”理念為指引，將CDIO理念應(yīng)用于機(jī)械專業(yè)《電工電子學(xué)實驗》課程體系，由淺入深、由點到面構(gòu)建了三個級別的實驗項目，讓學(xué)生在“做中學(xué)，學(xué)中做”，將學(xué)生培養(yǎng)成知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的“新工科”人才。

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【通聯(lián)編輯：梁書】