CDIO模式下電子綜合實踐課程教學改革

許宣偉，羅　凱，唐　溢

(電子科技大學成都學院　電子工程系，成都　611731)

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CDIO模式下電子綜合實踐課程教學改革

許宣偉，羅凱，唐溢

(電子科技大學成都學院電子工程系，成都611731)

摘要針對當前電子信息類實踐教學環(huán)節(jié)存在的缺乏工程實踐等問題，開展了基于CDIO工程教育理念的電子綜合實踐課程的教學改革，把傳統(tǒng)的實驗課程轉(zhuǎn)變成項目化的工程實踐課程，對相關實驗課程進行有機整合，對教學內(nèi)容、教學形式、教學手段和考核考核方法進行創(chuàng)新，構建了從基礎到工程創(chuàng)新的實踐教學體系。實踐表明，這項改革大大激發(fā)了學生的專業(yè)學習興趣，有助于培養(yǎng)學生良好的工程實踐能力與創(chuàng)新能力。

關鍵詞CDIO工程教育；實踐教學改革；創(chuàng)新能力培養(yǎng)

實驗課程作為高等工科教學的重要環(huán)節(jié)，在培養(yǎng)學生實踐動手能力、激發(fā)學生專業(yè)學習興趣方面顯得尤為重要。在CDIO[1]工程教育理念的指導下，電子科技大學成都學院電子工程實驗中心積極參與CDIO實驗教學改革，提出應用工程實驗中心新實驗教學體系，以工程實踐教學為主，培養(yǎng)創(chuàng)新性應用人才為目的，進行各種層次的實踐技能訓練，培養(yǎng)學生分析、解決問題的能力，增強團隊合作意識，逐步提高學生研究創(chuàng)新的能力?；贑DIO的電子綜合實踐課程項目實施至今，已取得良好成效。

1工程實踐課程改革的相關內(nèi)容

1.1改革的目標

本次電子綜合實踐課程改革的主要目的在于通過模擬現(xiàn)實社會中的工程項目，開設一門具有貫穿性的CDIO式課程系列。改革之后的課程貫穿大學第二到第四學期，共計3個學期，在合理整合部分現(xiàn)有課程內(nèi)容的同時增開部分新內(nèi)容。通過3個學期的理論和實際相結合的仿工程項目化教學使學生真正理解和掌握開展工程項目的各項基本技能，對工程項目的流程、實施過程及各環(huán)節(jié)中所采用的各種方法有一個基本的概念性認識，并能對“一個完整的真實的工程項目到底是怎么樣的”有一個框架性[ 2]的認識。

1.2教學內(nèi)容改革及創(chuàng)新

在確定教學內(nèi)容之前，預先設定電子綜合工程項目開發(fā)目標。在此目標下，把之前獨立的電路設計、電子裝配、單片機應用、C語言等課程用項目本身進行串聯(lián)，形成服務于項目本身的教學和知識體系，把離散的知識點以項目實施過程進行搭建，完全強調(diào)了學練結合，注重實踐。整個教學內(nèi)容以學、做、想3個步驟[3]為主線，以提高學生的理論水平、實踐技能和創(chuàng)新能力為中心，讓學生在學習眾多課程后對以后的發(fā)展或者規(guī)劃自己的工作方向不再迷茫。

1.3教學團隊的改革與創(chuàng)新

大多數(shù)工科高校中明確細分了專職理論教師和專職實驗教師，簡而言之，理論教師只負責教授學生所需理論課知識，而實驗教師只就教學計劃中的所有實驗課程進行教授。長期以來，這樣的教學形式將相輔相成缺一不可的兩個教學環(huán)節(jié)割裂成兩種類型的課程加以區(qū)別對待，使得學生在學習中不能以一種完整的形態(tài)經(jīng)歷C(構思)、D(設計)、I(實現(xiàn))、O(運行)四大環(huán)節(jié)[4]，無法掌握完整的工程實踐知識，無法積累相關的實用經(jīng)驗。因此，在CDIO工程教育理念的指導下，我實驗中心打破理論教學和實踐教學的界限，摒棄了“一門課程由一名教師從頭至尾承擔所有環(huán)節(jié)的教學任務”“理論教師只負責理論教學、實驗教師只負責實驗教學”“一間教室在同一時刻只能有一名教師執(zhí)教”等不盡合理的形式，重新整合教師資源，由多個教師共同完成電子工程實踐課程的設計、制作與調(diào)試、程序編寫等教學內(nèi)容。在以教師團隊為執(zhí)教主體進行CDIO式的教學模式下，有利于每名參與該課程教學的教師將各自所擅長的領域高水平地傳授給學生，從而提高課程的整體教學水平，同時教師之間由于各自承擔教學部分有緊密的前后銜接關系，有利于提高教師的責任心并加強教師間的相互溝通與交流。

1.4工程教育模式下的教學手段創(chuàng)新

采用“教、學、做”相結合的引探教學法[ 5]，以實例為引導，注重培養(yǎng)學生的動手能力、表達能力、協(xié)作能力和自學能力。教學過程中可以采用實際案例驅(qū)動、實際項目驅(qū)動[6]、團隊教學、分組教學、互動式、探究式、分階段分層次教學[7]等多種教學手段。

顯然，以往的傳統(tǒng)教材不能夠滿足CDIO工程教育模式的需求，因此開發(fā)與之匹配的實驗課程教材至關重要。在探索電子工程實踐課程改革的過程中，我們創(chuàng)新性地提出了“教材+課程手冊”的想法。其中，教材部分整合了離散的知識點[8]，以項目完成的過程為主線，手把手地引導學生完成設計，語言通俗易懂。而在教材中出現(xiàn)的一些需要的補充學習的知識，就可以讓學生到配套的課程手冊中查詢，培養(yǎng)學生自我學習及查閱資料文獻的能力。

依據(jù)基于CDIO的電子綜合實踐課程的內(nèi)容安排，實驗中心開發(fā)了相應的硬件實驗平臺并完成調(diào)試。學生經(jīng)過電子綜合工程實踐課程學習以后，都有一塊自己制作的硬件實驗平臺，這個硬件平臺在今后的學習過程當中，每個學生都可以用來完成軟件和硬件的實驗，這樣可以改變目前我中心硬件條件不足的現(xiàn)狀。

1.5學生成績考核辦法的改革與創(chuàng)新

在電子綜合實踐課程考核形式上，我們放棄了以前單純的實驗報告檢查及理論試卷考試的形式，采用類似當前畢業(yè)設計的“實物作品+相關報告或論文+現(xiàn)場答辯”的三合一模式進行考核[9]，這種考核模式比只看最終得分結果的卷面考核更能充分考查學生在C(構思)、D(設計)、I(實現(xiàn))、O(運行)四大環(huán)節(jié)中對各環(huán)節(jié)相應能力的掌握情況，能更加全面的考察學生的學業(yè)水平。

以CDIO 倡導的“過程評價”為基礎，關注知識、技能的學習過程，關注實踐環(huán)節(jié)及工程應用能力，關注學生在整個過程中每個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，做出客觀和實際的評價[10]。并且每個環(huán)節(jié)都有自身的作品，以“實物作品+相關報告或論文+現(xiàn)場答辯”相結合的方式進行考核，側(cè)重強調(diào)的是學生課程實踐能力和解決問題的能力?？己宿k法具體實施方案如下：

1)考核總體分為3個環(huán)節(jié)，分別是設計環(huán)節(jié)、制作與調(diào)試環(huán)節(jié)、程序編寫環(huán)節(jié)。

2)考核每個環(huán)節(jié)的內(nèi)容分別是：當前環(huán)節(jié)的作品任務、當前環(huán)節(jié)的實踐報告、當前環(huán)節(jié)的答辯情況。

3)考核每個環(huán)節(jié)用定性的考核方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分數(shù)考核。在每個環(huán)節(jié)實施過程當中都以定性的方式，通過或不通過的形式進行考核，強調(diào)對學生是否具備每個階段的能力來實施考核。

4)考核的每個環(huán)節(jié)都要進行現(xiàn)場分組答辯，讓學生鍛煉自我的表達能力。

學生成績考核變單一考核為復合考核，變靜態(tài)考核為動態(tài)考核，既提高了學生對平時學習的重視程度，激發(fā)了學生學習的進取性，又考核了學生實踐每個環(huán)節(jié)的掌握情況，真實且客觀地對每位學生進行全方位的考核，潛移默化地提高了學生綜合素質(zhì)。

2教學改革實踐及效果

將CDIO教學理念融入實驗課程，讓實驗課程變成工程實踐課程，對目前課程教學狀況的改善、學生的動手能力和職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要意義。具體改革實踐如下。

2.1教學改革案例

2.1.1電路版圖設計實踐

“工程實踐”課程整合和擴充了部分現(xiàn)有課程的內(nèi)容并開設了部分新的內(nèi)容：在內(nèi)容上該課程整合和擴充了現(xiàn)有的“PCB版圖繪制”的內(nèi)容，將原來作為理論課的PCB繪制作為整個課程的第一個環(huán)節(jié)，為這門本該有大量實踐的課程配備了后續(xù)的實踐驗證環(huán)節(jié)，彌補了原課程只有理論沒有實踐的缺陷。在這個環(huán)節(jié)中學生除了能學到原課程中關于Altium Designer的使用方法和繪制PCB的基本步驟以外，還將增加：如何根據(jù)器件數(shù)據(jù)手冊創(chuàng)建原理圖符號和PCB封裝；如何根據(jù)器件實物創(chuàng)建原理圖符號和PCB封裝；多層PCB的繪制；高速PCB的繪制；如何導出工廠制作PCB所需的各個文件；PCB的實際制作等6個環(huán)節(jié)。這6項新內(nèi)容，讓學生了解設計PCB的全套流程并掌握能夠用于實際工業(yè)生產(chǎn)的PCB板的繪制規(guī)則，最后通過在學生的設計中選擇品質(zhì)較高的進行加工制造，讓學生體會到PCB版圖設計的真實感并增強學生的成就感，激發(fā)學生對后續(xù)課程的學習熱情。

2.1.2電子裝配實踐教學

借鑒“電子裝配實訓”的模式，緊密銜接第一環(huán)節(jié)的內(nèi)容，以第一環(huán)節(jié)中學生設計并提交給工廠生產(chǎn)出的PCB為核心材料新增裝配環(huán)節(jié)的內(nèi)容。該部分內(nèi)容作為前一環(huán)節(jié)的后續(xù)著重讓學生在掌握相關基本原理的前提下，借助“電子裝配實訓”所奠定的基本焊接技能組裝并調(diào)試相應的硬件。該環(huán)節(jié)同第一環(huán)節(jié)構成整個課程的硬件設計環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)內(nèi)容將帶來以下優(yōu)勢：

1)讓前一環(huán)節(jié)設計出的PCB投入實際制作，讓學生進一步理解PCB設計的重要性，明白PCB設計中所繪制的版圖是做什么用的；

2)在“電子裝配實訓”所打下的基礎上深化內(nèi)容，由單純的不求深入理解原理只為訓練基本焊接技巧進一步深化為深入理解原理、自行設計硬件、自行制作硬件，以體驗現(xiàn)實項目工程中的硬件設計流程；

3)為后續(xù)內(nèi)容提供學生自己親手制作的硬件平臺，激發(fā)學生進一步深入學習的同時也使學生意識到如果這一環(huán)節(jié)不認真學習不僅將會影響該環(huán)節(jié)的考核結果，還會造成后一環(huán)節(jié)的學習受到影響，從而避免現(xiàn)在常見的考完試就立馬將所學知識忘得一干二凈的情況。

2.1.3C語言實踐教學

擴展了現(xiàn)有“C語言”的內(nèi)容在原課程的基礎上結合單片機或SOC等硬件進行針對性的嵌入式C語言實訓作為工程實踐的嵌入式軟件基礎環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)以第二環(huán)節(jié)制作的硬件成果作為目標硬件實驗平臺，著重培訓學生掌握針對既定硬件的C語言編程方法。本環(huán)節(jié)內(nèi)容將帶來以下優(yōu)勢：

1)鞏固C語言課程中學習的基礎內(nèi)容，深入學習嵌入式編程中常用的部分，加深對所用部分的理解；

2)學習掌握常用嵌入式集成編譯環(huán)境軟件的使用方法以及在集成編譯環(huán)境軟件中如何編寫、調(diào)試嵌入式軟件；

3)結合硬件進行編程學習，使學生進一步了解C語言是如何控制嵌入式硬件進行工作的。

通過這一部分的學習，將會使學生了解嵌入式C語言編程同普通C語言編程的區(qū)別、嵌入式C語言編程的一些特點以及嵌入式C語言程序的調(diào)試方法，避免了以前的教學體系中學生直接從普通C語言編程突然轉(zhuǎn)到對單片機編程時因為沒有中間過渡環(huán)節(jié)而手足無措的問題。

2.1.4單片機實踐教學

整合和擴展了現(xiàn)有“單片機原理”“單片機應用實驗”的內(nèi)容，將原來獨立開來分別作為純理論課的“單片機原理”和作為純實驗課的“單片機應用實驗”兩門課程融合在一起并增加部分新內(nèi)容后作為“工程實踐”課程的最后一個環(huán)節(jié)即軟件設計環(huán)節(jié)。該環(huán)節(jié)同樣以第二環(huán)節(jié)制作的硬件成果作為軟件調(diào)試的硬件實驗平臺，相比原課程直接使用現(xiàn)成的實驗箱有如下優(yōu)勢：

1)使用學生自己親手設計制作的硬件平臺，對硬件拓撲結構及連接邏輯認識更清晰，避免原課程中經(jīng)常出現(xiàn)的不熟悉硬件拓撲結構而導致的各種連接錯誤；

2)出現(xiàn)硬件故障時能及時分析可能的故障點并排除，避免原課程中經(jīng)常出現(xiàn)的遇到故障后一頭霧水不知從何入手排除的情況；

3)學生使用自己親手設計制作的硬件平臺會更加愛惜，避免原課程中經(jīng)常出現(xiàn)的實驗箱配件損壞和遺失；

4)學生自己親手設計制作的硬件平臺可以隨身攜帶，方便在任何時候進行實驗，有利于學生在課后復習預習或者做擴展實驗，避免原課程中經(jīng)常出現(xiàn)的課后找不到地方做實驗的問題，課程結束后還可作為后續(xù)畢業(yè)設計或者課程設計的硬件平臺，解決現(xiàn)在畢業(yè)設計及課程設計中學生常常受累于找不到合適硬件平臺的問題。

2.2教學改革效果

電子綜合實踐課程教學改革實踐證明，融入CDIO教學理念的教學改革對學生有效掌握電子基礎知識和進行電子設計項目實踐有顯著的效果。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)激發(fā)了學生的學習興趣。

不再局限于課堂講授的多樣化教學形式激發(fā)了學生的學習興趣。學生成為教學活動的主體，改變了以往被動的學習方式，從“被動學習”變成為“主動學習”，增加了學習的主動性，明顯提高了學習效率。

2)積累了項目實踐經(jīng)驗。

改革后的教學環(huán)境為學生提供了工程項目實踐機會，學生按照實際工作的要求參與到項目的設計與實現(xiàn)中來。通過動手操作，學生將所學理論知識用于實踐。

3)培養(yǎng)了團隊合作精神。

教師以小組合作模式來組織教學活動，學生通過團隊交流、分工合作、克服困難，從而培養(yǎng)學生的團隊協(xié)助精神[11]，提高了學生的綜合素質(zhì)。

4)學生對課堂教學評估。

3結束語

將CDIO工程教育模式引入到電子綜合教學實踐課程的改革當中，既適應現(xiàn)代教學模式的要求，也符合電子類學生對本綜合系列課程的需求。成功地實施教學改革，不僅能夠達到本課程的教學目標和滿足學生對知識的需求，還能提高學生的綜合素質(zhì)和整體能力，為他們以后的人生之路打下良好的基礎。本次改革的教學內(nèi)容在具體實施過程中，也發(fā)現(xiàn)不足之處，我們將進一步深化課程教學改革，完成全面電子類實踐教學課程改革，建立以CDIO教學理念的實踐課程體系，以培養(yǎng)更多具有工程實踐能力的電子信息專業(yè)人才。

參 考 文 獻

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收稿日期:2015-11-16；修改日期: 2016-01-22

基金項目：電子科技大學成都學院教改重點項目(CDIO 14040)。

作者簡介：許宣偉(1965-)，男，碩士，副編審，主要從事高校電子類專業(yè)的教學管理與教學方面的研究。

中圖分類號G642.0

文獻標志碼A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.030

Reform and Innovation of Electronic ComprehensivePractice Course in CDIO Mode

XU Xuanwei，LUO Kai，TANG Yi

(Department of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731,China)

AbstractCurrently,the practice teaching on electronic information cannot provide enough actual practices for students.To resolve this problem,the teaching reform is carried out,which is based CDIO engineering education concept of integrated electronic practice curriculum.This teaching reform changes the traditional experimental curricalm into project based engineering practice course.Specifically,the engineering practice course integrates different existing experimental courses in a reasonable way,and tries to improve teaching contents,teaching forms,teaching methods and assessment methods.Based on these works, a practice teaching system is created from basic to an innovative solution.According to actual applications,it shows that this teaching reform has greatly stimulated students’ professional learning interest,and helps to improve students’ engineering practice ability and innovation ability.

Key wordsCDIO engineering education;practice teaching reform;innovation ability cultivation