“雙一流”背景下實(shí)訓(xùn)課程CDIO教學(xué)模式研究

黃曌 王盟盟 梁建華 石偉 賀正蕓

摘? 要：針對(duì)“雙一流”建設(shè)背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，文章提出CDIO教學(xué)模式，促進(jìn)實(shí)踐類專業(yè)課程教學(xué)改革。依托項(xiàng)目式教學(xué)，緊密銜接學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作能力的培養(yǎng)目標(biāo)貫穿課前準(zhǔn)備、課堂授課與課后反饋三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，并以本年度電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程為案例完成實(shí)踐研究。結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)，CDIO教學(xué)模式更能突出學(xué)生的主體地位，更有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性思維，對(duì)提升教學(xué)效果及學(xué)生工程應(yīng)用能力等方面均有較大的推進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：雙一流;CDIO教學(xué)模式;電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2022）20-0046-04

Abstract： According to the objective of talents training under the background of "Double First-Class" university project， a novel CDIO teaching mode is put forward in this paper， to promote the teaching reform of practical courses. Relying on project-based teaching， the training objectives of conceiving， designing， implementing and operating are closely connected and run through the teaching process， which involves three stages： preparation before class， classroom teaching and feedback after class. The comprehensive training course of Electronic System Design is taken as a case to complete the practical research of the proposed CDIO teaching mode. The results show that compared with traditional teaching mode， CDIO teaching mode highlights the dominant position of students， which is more facilitated to motivate their autonomous and innovative thinking， and it may play a great role in improving the teaching effects and engineering application abilities of the students.

Keywords： Double First-Class; CDIO teaching mode; comprehensive training of Electronic System Design; teaching reform

2018年，在教育部提出的“雙一流”建設(shè)背景下，以學(xué)科為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為核心成為高校教育的中心任務(wù)[1]。實(shí)踐類課程作為培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力與綜合能力的必選之道，是教學(xué)體系中必不可少的重要環(huán)節(jié)，將工程理念和創(chuàng)新思維培養(yǎng)深度融入實(shí)踐教學(xué)中，則是“雙一流”建設(shè)背景下高校人才培養(yǎng)的基本要求，也是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑[2-4]。本院開設(shè)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)是一門面向全院所有專業(yè)的集中性實(shí)踐課程，在大二下學(xué)期末進(jìn)行，旨在讓學(xué)生通過整體項(xiàng)目的軟硬件設(shè)計(jì)、制板焊接、電路調(diào)試、故障排查、性能測(cè)試、項(xiàng)目驗(yàn)收等教學(xué)活動(dòng)，鞏固實(shí)操技能，規(guī)范、系統(tǒng)地培養(yǎng)自身學(xué)習(xí)能力、分析能力、創(chuàng)新能力和運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的工程實(shí)踐能力。

為推進(jìn)“雙一流”學(xué)科建設(shè)步伐，本課程團(tuán)隊(duì)對(duì)所承擔(dān)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程在教學(xué)內(nèi)容和體系建設(shè)等方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，結(jié)合創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，將先進(jìn)的CDIO理念 （Conceive，構(gòu)思;Design，設(shè)計(jì);Implement，實(shí)施;Operate，運(yùn)作）引入教學(xué)方案設(shè)計(jì)[5-8]，強(qiáng)調(diào)以教師引導(dǎo)為輔，學(xué)生自主實(shí)踐為主的教學(xué)模式，并應(yīng)用于2021學(xué)年實(shí)訓(xùn)課程中，作為“雙一流”建設(shè)背景下的實(shí)踐類課程建設(shè)及教學(xué)模式改革初探。

一、傳統(tǒng)綜合實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

（一）教學(xué)模式過于單一

由教師承擔(dān)主體角色，以教師傳授知識(shí)為重心，忽視了學(xué)生的自主能動(dòng)性和學(xué)習(xí)積極性，知識(shí)教育未充分向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容無法與創(chuàng)新能力培養(yǎng)緊密聯(lián)合。教學(xué)內(nèi)容安排詳實(shí)，但效果一般。

（二）學(xué)生工程實(shí)踐能力缺乏有效鍛煉

學(xué)生對(duì)教學(xué)目標(biāo)沒有建立正確認(rèn)知，對(duì)實(shí)訓(xùn)課重視程度不夠，自主學(xué)習(xí)意識(shí)薄弱，主體角色淡化，典型表現(xiàn)有：實(shí)訓(xùn)課程中機(jī)械性地完成焊接等工作，對(duì)電路工作原理、設(shè)計(jì)理念理解不足;焊接、調(diào)試過程中遇到任何問題，第一反應(yīng)不是通過獨(dú)立思考分析問題、解決問題，而是依賴指導(dǎo)教師幫忙處理。長(zhǎng)此以往，學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和實(shí)際解決問題的能力得不到有效提升。

（三）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容安排不合理

實(shí)訓(xùn)教學(xué)通常是要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成某個(gè)模塊化項(xiàng)目，學(xué)生跟著教師的節(jié)奏學(xué)習(xí)，僅在現(xiàn)成的電路板上進(jìn)行成套器件的組裝、焊接、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。據(jù)此流程，學(xué)生跳過了電路設(shè)計(jì)的步驟，不知其所以然，而電路設(shè)計(jì)理念的建立往往是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。此外，一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目過于陳舊，或者無法與前導(dǎo)課程知識(shí)緊密銜接，實(shí)用價(jià)值不高。

（四）考核機(jī)制不夠全面精準(zhǔn)

沿用的實(shí)訓(xùn)考核機(jī)制過于簡(jiǎn)單粗略，對(duì)過程化的考核指標(biāo)不夠精細(xì)，學(xué)生實(shí)操能力的體現(xiàn)不明顯，對(duì)學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)沒有起到驅(qū)動(dòng)作用。有學(xué)生借助教師、同學(xué)的幫助完成了實(shí)訓(xùn)，但是未形成正確的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)過程依舊很模糊，而且存在實(shí)習(xí)報(bào)告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重的問題。

二、CDIO教學(xué)模式的構(gòu)建與實(shí)施

為緊密銜接“雙一流”建設(shè)的人才培養(yǎng)理念，課程團(tuán)隊(duì)提出電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)。

目標(biāo)1：能根據(jù)要求進(jìn)行小型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定實(shí)驗(yàn)和調(diào)試方案;能根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到合理有效的結(jié)論，并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)。

目標(biāo)2：能使用現(xiàn)代工程方法完成小型電子系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，能合理選擇電子設(shè)計(jì)軟件。

目標(biāo)3：能將設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、調(diào)試過程及驗(yàn)收結(jié)果等以設(shè)計(jì)報(bào)告的方式進(jìn)行歸納總結(jié)，并能清晰表達(dá)個(gè)人觀點(diǎn)和結(jié)論。

在持續(xù)幾年的學(xué)情分析調(diào)查及課程改革基礎(chǔ)上，課程團(tuán)隊(duì)逐步形成了配套的教學(xué)方案設(shè)計(jì)，從2021年春季學(xué)期開始采用以學(xué)生自主和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為核心，任務(wù)具體化、指導(dǎo)個(gè)性化、考核過程化的CDIO教學(xué)模式，以具體的工程項(xiàng)目作為載體，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，有效銜接課前準(zhǔn)備、課堂授課、課后反饋三個(gè)階段，督促學(xué)生掌握專業(yè)實(shí)踐技能，具體的CDIO教學(xué)模式設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1所示。

（一）課前準(zhǔn)備

課程團(tuán)隊(duì)充分考慮新技術(shù)新工藝的發(fā)展，及目前的應(yīng)用需求，擇優(yōu)篩選出以下五個(gè)具有先進(jìn)性、實(shí)踐性、工程應(yīng)用性的項(xiàng)目組成實(shí)訓(xùn)題庫：（1）數(shù)控電壓源;（2）數(shù)控電流源;（3）信號(hào)發(fā)生器;（4）頻率計(jì);（5）工頻電壓電流表。實(shí)訓(xùn)一共開設(shè)72課時(shí)，學(xué)生1人/組，通過教師的適度指導(dǎo)，在已學(xué)前導(dǎo)課程模擬電子技術(shù)、微機(jī)原理與應(yīng)用基礎(chǔ)上，于規(guī)定時(shí)間內(nèi)確定項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成電子系統(tǒng)的軟硬件電路設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)及功能測(cè)試。

教師在開展教學(xué)之前，首先線上發(fā)布教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)安排，布置課前教學(xué)任務(wù)，完成指導(dǎo)書及軟、硬件教學(xué)資料上傳。鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)散創(chuàng)新思維，自主形成小組進(jìn)行交流合作，集思廣益確定最佳方案，并通過proteus軟件仿真建模進(jìn)行初步功能驗(yàn)證，從而引導(dǎo)學(xué)生“個(gè)性式、自主式、討論式”完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)。此外，學(xué)生借助課外資源，進(jìn)行Altium Designer、Keil等軟件的操作學(xué)習(xí)。

（二）課堂授課

利用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等平臺(tái)進(jìn)行線上考勤，針對(duì)學(xué)生在課前反饋的問題進(jìn)行針對(duì)性解惑，教師敲定最終的項(xiàng)目方案，并引導(dǎo)學(xué)生在掌握項(xiàng)目電路工作原理的基礎(chǔ)上，自主完成各子模塊的具體設(shè)計(jì)。學(xué)生需充分了解電解電容、電阻、電位器等電路元器件，以及整流橋KBP206、集成運(yùn)放OP07、三端穩(wěn)壓LM317等芯片的選型原則和各模塊電路設(shè)計(jì)，如整流濾波電路、電流/電壓采樣電路、輸出閉環(huán)調(diào)節(jié)電路等，繪制完成原理圖，并在確定器件、芯片封裝后完成PCB圖紙。教師在學(xué)生的電路設(shè)計(jì)過程中予以耐心指導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生之間加強(qiáng)交流溝通，敢于發(fā)表自己的設(shè)計(jì)思路和想法，不斷提高自身獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)良好的創(chuàng)新意識(shí)。

指導(dǎo)教師督促學(xué)生獨(dú)立完成自己的電路原理圖和PCB圖繪制，以及實(shí)際電路板制備、元器件的焊接和硬件電路的調(diào)試。采用多媒體視頻、實(shí)際演示等方式，讓學(xué)生充分了解電路板的制備工藝流程和插件、焊接的相關(guān)技術(shù)要求，外接變壓器和負(fù)載后，確保電路安全上電工作，如圖2所示。引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析、處理電路出現(xiàn)的各種故障問題，能嚴(yán)格按照各子模塊電路的功能進(jìn)行調(diào)試和排查。

在完成硬件電路的制備及粗調(diào)基礎(chǔ)上，學(xué)生需緊密銜接前導(dǎo)課程中所學(xué)的STM32編程知識(shí)，領(lǐng)取如圖3所示單片機(jī)開發(fā)板及OLED顯示屏，基于Keil軟件完成代碼編寫，實(shí)現(xiàn)以下子功能模塊：（1）給定量D/A轉(zhuǎn)換子程序;（2）輸出量采樣A/D轉(zhuǎn)換子程序;（3）OLED顯示屏子程序。開發(fā)板芯片為STM32F103，學(xué)生根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)及已有例程，進(jìn)行代碼修改及調(diào)試。最終，將開發(fā)板和電源板的通訊線、地線相連，實(shí)現(xiàn)軟硬件電路的聯(lián)調(diào)，并同步記錄OLED顯示數(shù)據(jù)及萬用表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷誤差范圍是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性。

學(xué)院充分整合實(shí)驗(yàn)室資源，提供元器件、PCB板、萬用表、示波器、直流穩(wěn)壓電源、兆歐表、信號(hào)發(fā)生器等各類所需設(shè)備，為學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和硬件條件。為保證學(xué)生有充足的時(shí)間和設(shè)備完成實(shí)訓(xùn)，學(xué)院為學(xué)生提供開放的實(shí)驗(yàn)條件，允許學(xué)生通過預(yù)約方式在非上課時(shí)段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制作，從而為學(xué)生在創(chuàng)新研究和自主思考方面的培養(yǎng)提供了極大的優(yōu)勢(shì)。

為了培養(yǎng)學(xué)生的整體運(yùn)作能力和獨(dú)立性，課程團(tuán)隊(duì)在實(shí)訓(xùn)中新增了匯報(bào)答辯環(huán)節(jié)。驗(yàn)收完成后，指導(dǎo)教師組織學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的成果展示及匯報(bào)答辯工作。每位同學(xué)都作為匯報(bào)人參與到項(xiàng)目成果演示過程，匯報(bào)項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)思路、工藝技術(shù)、電路工作原理、調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決方法等，并對(duì)指導(dǎo)教師的問題進(jìn)行解答。展示及匯報(bào)時(shí)間為10～15 min/人，一方面督促學(xué)生復(fù)習(xí)鞏固實(shí)訓(xùn)中掌握到的知識(shí)和技能，了解項(xiàng)目實(shí)施流程;一方面鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)表自己的設(shè)計(jì)理念和想法，并鍛煉口頭表述能力，促進(jìn)自身全面發(fā)展。

（三）課后反饋

學(xué)生在課后也可與教師互動(dòng)交流，反饋問題，教師通過QQ、微信、超星等及時(shí)完成線上答疑。為保證教學(xué)效果，督促學(xué)生及時(shí)實(shí)現(xiàn)所學(xué)知識(shí)的內(nèi)化和遷移，實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束后，學(xué)生需完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告，詳細(xì)記錄實(shí)訓(xùn)過程中的方案設(shè)計(jì)、軟硬件制作調(diào)試、測(cè)試結(jié)果及心得體會(huì)等，并在一周內(nèi)提交。課程團(tuán)隊(duì)采用了多元考核機(jī)制，對(duì)學(xué)生的綜合能力進(jìn)行考察，針對(duì)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)過程提出量化性指標(biāo)，從而督促學(xué)生主動(dòng)完成每一項(xiàng)任務(wù)，改善教學(xué)實(shí)施效果。教師匯集線上平臺(tái)提供的考勤數(shù)據(jù)，及線下各項(xiàng)測(cè)評(píng)成績(jī) （系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及器件選型、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、硬件電路制作調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、成果驗(yàn)收、匯報(bào)答辯、課程設(shè)計(jì)報(bào)告等），對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中所展現(xiàn)的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力、知識(shí)運(yùn)用能力和解決問題能力進(jìn)行全面評(píng)估。

實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束后，指導(dǎo)教師發(fā)布問卷進(jìn)行教學(xué)效果調(diào)查，全方位掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況及需求，為及時(shí)改良調(diào)整教學(xué)模式提供重要依據(jù)和正確導(dǎo)向。

三、CDIO教學(xué)模式實(shí)施效果

CDIO教學(xué)模式在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程中實(shí)施后，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，絕大部分學(xué)生能夠按要求進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，積極構(gòu)思系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，且課堂氛圍活躍，學(xué)生討論交流與動(dòng)手實(shí)踐的積極性高，逐步建立了主動(dòng)學(xué)習(xí)、重視過程的意識(shí)。本年度學(xué)生綜合考核測(cè)評(píng)結(jié)果如圖4所示，目標(biāo)1-3達(dá)成情況較平均，整體良好，教學(xué)效果相比以往傳統(tǒng)教學(xué)模式有顯著提升，證明學(xué)生在設(shè)計(jì)、分析電子系統(tǒng)，獨(dú)立解決實(shí)際工程問題的能力方面存在較大改善，CDIO教學(xué)模式取得了初步成功。

為了全面了解學(xué)生對(duì)CDIO教學(xué)模式的評(píng)價(jià)，課程團(tuán)隊(duì)對(duì)全體學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)教學(xué)模式及過程化考核機(jī)制予以了充分支持和肯定。此外，教學(xué)團(tuán)隊(duì)也調(diào)查了教學(xué)過程中學(xué)生存在的困難情況，以便深入了解學(xué)生需求，見表1。

由表1可知，38.24%的學(xué)生認(rèn)為自己的實(shí)訓(xùn)過程開展比較順利，證明在CDIO教學(xué)模式下，基于教師的適當(dāng)引導(dǎo)，很多學(xué)生都能克服學(xué)習(xí)過程中的阻礙，順利達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。最普遍的困難存在于：35.29%的學(xué)生認(rèn)為自己能聽懂課程，但在獨(dú)立完成軟硬件電路設(shè)計(jì)方面還存在困難，對(duì)比往年該選項(xiàng)的學(xué)生比例（>60%），學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力的平均水平已有明顯提升。電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)是學(xué)生在大學(xué)期間接觸的第一門集中性實(shí)踐課程，其獨(dú)立性和創(chuàng)新性思維得到初步培養(yǎng)，但部分同學(xué)可能因前導(dǎo)課程不到位而在方案設(shè)計(jì)構(gòu)思、軟硬件制作中面臨困境，這需在后續(xù)課程中循序漸進(jìn)地積累和強(qiáng)化。

四、結(jié)束語

“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景下，學(xué)生自主實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新思維的綜合培養(yǎng)成為首要目標(biāo)，實(shí)踐類課程作為培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的重要渠道，是學(xué)院對(duì)高素質(zhì)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵構(gòu)成因素。經(jīng)探究，教學(xué)團(tuán)隊(duì)顛覆傳統(tǒng)的課堂授課模式，將先進(jìn)的CDIO理念引入到教學(xué)設(shè)計(jì)，并在2021年度電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程中得到良好的改革成效，其充分利用項(xiàng)目式教學(xué)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)主體，引導(dǎo)學(xué)生在過程中提升構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)作綜合能力，不僅有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生自主能動(dòng)性，也督促教師提升自身教學(xué)水平。實(shí)施效果證明，該模式在培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用、自主學(xué)習(xí)、科研創(chuàng)新能力方面起到重要推進(jìn)作用，適用于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)方式，對(duì)學(xué)院開設(shè)的實(shí)踐類課程發(fā)展建設(shè)提供一定指導(dǎo)意義。

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