基于CDIO 模式的復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)實踐

朱安福 許 磊 郭 恒 劉高峰

(華北水利水電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 鄭州 450046)

目前,數(shù)字科技和產(chǎn)業(yè)浪潮正在興起,新產(chǎn)業(yè)和新工科不斷涌現(xiàn),新產(chǎn)業(yè)要求工程技術(shù)人才必須具備工程邏輯工程師思維,能夠解決相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題。因此工程教育迎來工程人才培養(yǎng)的機(jī)遇和挑戰(zhàn),為了提高工程教育質(zhì)量,歐美教育水平較高的國家都制定了相應(yīng)的工程教育制度,解決復(fù)雜工程問題的能力成為新工科人才的核心能力[1]。高等院校工科專業(yè)的工程教育應(yīng)當(dāng)積極面對解決實際復(fù)雜工程問題,圍繞重大工程實踐需求,遵循工程邏輯來重構(gòu)課程體系,培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和工程思維,培養(yǎng)能夠適應(yīng)復(fù)雜工程技術(shù)人才,提升畢業(yè)生解決復(fù)雜工程問題的能力,服務(wù)國家和社會。

我國的工程教育培養(yǎng)模式可以借鑒符合工程邏輯的CDIO模式,其含義表示構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate),模擬了工程師工作活動的真實場景和工程實施的全過程[2]。CDIO工程教育模式將畢業(yè)生的能力分為技術(shù)能力、溝通能力、學(xué)習(xí)能力、協(xié)作能力和系統(tǒng)工程能力等適用于工科人才培養(yǎng)核心能力。CDIO是工程教育先進(jìn)理念和培養(yǎng)模式,以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的全周期全流程為培養(yǎng)流程,讓學(xué)生以主動方式來接受工程實踐訓(xùn)練,從而達(dá)到培養(yǎng)畢業(yè)生解決復(fù)雜工程問題能力的目的。

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”是以應(yīng)用為主的工程技術(shù)課程,單片機(jī)在工業(yè)自動控制、智能儀器儀表檢測方面有著廣泛應(yīng)用。單片機(jī)原理及應(yīng)用對理論聯(lián)系工程實踐要求比較高,課程大綱的實驗與實踐環(huán)節(jié)占了比較大的比重[3]。實驗教學(xué)以案例教學(xué)起到了較好的效果,在實際教學(xué)過程中,設(shè)計了由初級案例、中級案例到復(fù)雜案例的一系列層次化案例[4]。單片機(jī)課程以往的講授模式偏重傳授知識,輕視工程實踐,綜合設(shè)計項目比較少,畢業(yè)生的解決復(fù)雜工程問題能力沒有得到顯著提高,教學(xué)效果并不理想[5]。采用數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方案解決了教與學(xué)的矛盾,充分體現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位和教師的主導(dǎo)作用[6]。綜上所述,多個文獻(xiàn)指出了單片機(jī)課程存在的問題,分別給出了不同的解決方法,沒有涉及到CDIO模式,本文嘗試CDIO模式來培養(yǎng)學(xué)生的工程思維,提高學(xué)生解決工程項目研發(fā)中復(fù)雜工程問題的能力。

1 解決復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵

工程教育認(rèn)證把解決工程問題能力作為成果導(dǎo)向教育的中心,明確了復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵。首先,我們明確什么是復(fù)雜工程問題,我國在2016年正式加入了《華盛頓協(xié)議》,協(xié)議中指出了復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵有七個特征[1],第一條是必備的,必須有深入的工程知識才能解決,這些知識是指能夠運(yùn)用基本原理分析方法的一個或多個知識要求。第二條到第七條按照工程項目可選,如工程項目涉及大范圍或有沖突的技術(shù)、工程和其他問題,隨著技術(shù)進(jìn)步和利益相關(guān)者群體有廣泛變化的需求等。作為實例的加油機(jī)綜合工程項目需要用到電路、電子技術(shù)、信號處理、傳感器測試、電力電子、自動控制等多個領(lǐng)域的工程知識,滿足復(fù)雜工程問題的第一條要求。加油機(jī)綜合工程項目包含電機(jī)驅(qū)動、數(shù)據(jù)通信、安全支付、油氣回收等組成部分,涉及多個學(xué)科屬于高水平問題,另外,綜合課程設(shè)計涉及大范圍的或有沖突的工程技術(shù)問題。

單片機(jī)課程目標(biāo)是使學(xué)生具備單片機(jī)系統(tǒng)工程解決方案的設(shè)計能力,在掌握了單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上,針對實際單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜工程問題,培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)軟硬件系統(tǒng)的能力,為學(xué)生畢業(yè)后從事智能儀表、檢測與運(yùn)動控制等相關(guān)工作奠定理論與實踐基礎(chǔ),這個課程目標(biāo)和畢業(yè)要求與復(fù)雜工程問題密切相關(guān)。

2 單片機(jī)課程教學(xué)存在的不足

“單片機(jī)原理及應(yīng)用”在國內(nèi)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展,教學(xué)知識和教學(xué)模式基本穩(wěn)定,教學(xué)知識內(nèi)容包括單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,單片機(jī)的程序設(shè)計方法,輸入輸出接口、定時器、中斷系統(tǒng)等工作原理和應(yīng)用方法。內(nèi)容還涉及存儲器擴(kuò)展、并行接口的擴(kuò)展、A/D和D/A接口、電力電子器件接口等設(shè)計和編程方法。還有涉及單片機(jī)鍵盤接口、LCD顯示器接口、功率器件驅(qū)動接口等工作原理和編程方法、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等。單片機(jī)課程綜合了數(shù)字電路、模擬電路、微機(jī)原理、C語言編程等知識,呈現(xiàn)出知識點多、分散、關(guān)聯(lián)性弱等特點。數(shù)字電路和C語言基礎(chǔ)較好的學(xué)生,經(jīng)過單片機(jī)綜合訓(xùn)練,能夠順利使用單片機(jī)完成復(fù)雜功能的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。

目前,單片機(jī)應(yīng)用授課經(jīng)常先講抽象的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理,再講匯編或C程序語言程序設(shè)計。但是,先硬件后軟件的教學(xué)過程逐步推進(jìn),由于學(xué)生缺乏實際的開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用背景,不能形成項目系統(tǒng)方案的任務(wù)需求邏輯思維,對于抽象的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理的實際應(yīng)用認(rèn)識不清楚。對于單片機(jī)的知識停留在簡單了解階段,往往隨著課程的深入,逐漸失去了學(xué)習(xí)興趣。在后續(xù)課程設(shè)計環(huán)節(jié)的知識點綜合應(yīng)用時,就會出現(xiàn)軟硬件設(shè)計能力嚴(yán)重不足的問題,很難完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜工程解決方案。反觀一部分學(xué)生雖然沒有上單片機(jī)課程,只是參加過電子設(shè)計競賽,在大一學(xué)完C語言后,自學(xué)了單片機(jī)課程,經(jīng)過了單片機(jī)項目設(shè)計實踐訓(xùn)練后,課前課后學(xué)生學(xué)習(xí)主動積極,課程整體知識體系邏輯性強(qiáng),單片機(jī)綜合設(shè)計能力提高很快,自主學(xué)習(xí)的興趣和學(xué)習(xí)效果都很好。究其原因,傳統(tǒng)單片機(jī)教學(xué)片面強(qiáng)調(diào)單片機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)理論知識,理論教學(xué)與綜合實踐訓(xùn)練銜接處理不好;學(xué)生沒有建立單片機(jī)系統(tǒng)項目工程設(shè)計理念,缺乏復(fù)雜工程問題的項目引領(lǐng)教學(xué),針對這些問題,我們立足于CDIO模式,結(jié)合加油機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用項目設(shè)計,基于項目驅(qū)動重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容,目的在于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維和解決實際工程問題能力。

3 CDIO模式的項目驅(qū)動教學(xué)理念

CDIO模式非常適合單片機(jī)這類工程實踐性強(qiáng)的課程,單片機(jī)項目應(yīng)用系統(tǒng)工程很多可以作為開發(fā)項目,來實現(xiàn)以產(chǎn)品工程人才培養(yǎng)模式,以電子產(chǎn)品項目研發(fā)到產(chǎn)品的運(yùn)行、維護(hù)的全周期培養(yǎng)工程師必備的基本能力。我們結(jié)合單片機(jī)應(yīng)用項目的實施思路,為學(xué)生提供符合工程邏輯的訓(xùn)練環(huán)境。其次,開發(fā)軟件Proteus和Keil為CDIO模式單片機(jī)項目學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的支持條件,作為單片機(jī)的開發(fā)工具,使得單片機(jī)開發(fā)變得愈來愈容易掌握,使得電子產(chǎn)品設(shè)計從概念到產(chǎn)品實現(xiàn)3D仿真效果。Proteus具有電路仿真、PCB設(shè)計和虛擬模型仿真等功能,可以完成原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真、PCB設(shè)計、電子產(chǎn)品3D模型設(shè)計,有利于電子產(chǎn)品的設(shè)計與實現(xiàn)。

4 教學(xué)設(shè)計實踐

我們依據(jù)常見的加油機(jī)項目為例,模擬單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工程開發(fā)的全過程,培養(yǎng)電子工程師必備的基本開發(fā)設(shè)計能力。首先,明確加油機(jī)設(shè)計的任務(wù)功能需求,由項目任務(wù)需求確定產(chǎn)品的基本功能和技術(shù)參數(shù),加油機(jī)功能有油品輸送、加油量計量計算、加油數(shù)據(jù)存儲,附加功能還有加油站管理、盤點、報稅等,需要用到單片機(jī)鍵盤接口、顯示器接口、擴(kuò)展存儲器等。加油機(jī)需要電氣控制設(shè)備把油罐內(nèi)的油品吸引出來,然后通過傳感計量器和電腦裝置進(jìn)行計量計算,最后通過油槍加到用戶車油箱,需要使用到單片機(jī)串行口接口、功率器件驅(qū)動接口技術(shù)等。加油機(jī)還可以自助加油,具備連接計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)報稅等輔助功能。由項目需求導(dǎo)引構(gòu)思工程解決方案,設(shè)計CDIO模式非常適合單片機(jī)這類工程實踐性強(qiáng)的課程,項目實施流程如圖1所示。指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)提出項目任務(wù),指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)分解和軟硬件設(shè)計調(diào)試,評價項目系統(tǒng)方案,組織技術(shù)交流。學(xué)生主動構(gòu)思項目系統(tǒng)方案,設(shè)計數(shù)學(xué)模型論證,求解系統(tǒng)主要參數(shù),依據(jù)計算參數(shù)結(jié)果選擇合適的器件,編寫系統(tǒng)軟件,測試軟硬件是否滿足項目設(shè)計需求,撰寫設(shè)計報告,匯報總結(jié)等。

加油機(jī)項目可以作為一個復(fù)雜工程,知識涉及到多個學(xué)科多門課程,如電子工程、自動控制、電力電子技術(shù)等。依據(jù)項目需求構(gòu)思設(shè)計實現(xiàn)運(yùn)作CDIO模式,設(shè)計項目能夠培養(yǎng)工程師需要硬件設(shè)計能力、軟件開發(fā)能力、計算機(jī)仿真能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、科技創(chuàng)新能力。我們還需要明確單片機(jī)課程目標(biāo)后,把單片機(jī)課程的知識點進(jìn)行分類,建立知識和能力目標(biāo)的聯(lián)系,在課程計劃安排時,綜合考慮教學(xué)進(jìn)程。項目實踐從簡單功能到多功能綜合,應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)由易到難,設(shè)計出培養(yǎng)能力素質(zhì)的項目如表1所示。

在分析課程達(dá)成情況時,把課程目標(biāo)對應(yīng)的工程能力去支撐畢業(yè)要求。單片機(jī)課程支撐三個畢業(yè)要求指標(biāo)點,分別是指標(biāo)點3-3、10-1、11-2,其中3-3是指能夠根據(jù)需求目標(biāo)的復(fù)雜工程問題設(shè)計解決方案,確定滿足系統(tǒng)方案的需求算法,設(shè)計軟件流程、編寫程序、仿真、調(diào)試;10-1是指具備良好的語言和文字表達(dá)能力,能夠通過口頭表達(dá)或書面方式進(jìn)行有效溝通和交流領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜工程問題,11-2是指能夠在電子產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)、全流程的工程管理與經(jīng)濟(jì)決策問題。通過CDIO模式教學(xué)實施,讓學(xué)生按照做工程視角練習(xí)設(shè)計,借鑒Proteus和keil軟件仿真和實驗儀器調(diào)試操作, 促進(jìn)了課程目標(biāo)的學(xué)生整體達(dá)成到0.8以上,高于0.7的達(dá)成度要求,提高了學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題的能力。依據(jù)持續(xù)改進(jìn)的要求,還要依次增加綜合工程練習(xí)的難度,設(shè)計還必須考慮增加技術(shù)因素和非技術(shù)因素要求。單片機(jī)課程與科技創(chuàng)新活動結(jié)合有利于解決復(fù)雜工程問題所需要的創(chuàng)新能力的培養(yǎng),近3年學(xué)生參加全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和全國“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)作品競賽和集成電路設(shè)計大賽、機(jī)器人與人工智能大賽等,共獲獎300多人次。

5 結(jié)語

CDIO模式作為工程教育先進(jìn)理念和培養(yǎng)模式,使得學(xué)生實踐真正做到以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的全流程訓(xùn)練。以學(xué)生為中心的教學(xué)理念,就是在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生主動參與項目設(shè)計,采用復(fù)雜工程的綜合項目任務(wù)作為課程教學(xué)目標(biāo),在項目實踐過程中激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣。學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體,通過自己主動參與完成項目設(shè)計,讓學(xué)生體驗項目成功的價值,達(dá)成了課程教學(xué)目標(biāo),取得了較好的教學(xué)效果,在實際的綜合工程項目開發(fā)過程中,培養(yǎng)了學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。