基于项目实际研发过程的模电课程设计的教学改革与实践

陈列尊，许岳兵，黄 顺，谭元元 贺诗荣

（衡阳师范学院 物理与电子信息科学系，湖南 衡阳 421008）

0 引 言

目前，我国开设工科专业的本科高校已达1000多所，占本科高校总数的90%；高等工程教育的本科在校生达到371万人、研究生47万人；全国的工程科技人员总保有量也超过1400多万，我国已经成为名副其实的工程教育大国。然而，大而不强、多而不精，一直是困扰我国高等工程教育改革与发展的难题。［1］例如，虽然每年高校向社会输送大约60万工程技术人员，数量上已经超过美国，但其中只有10%能够胜任大型跨国公司的要求。其关键因素就是现代国际化企业需要的不仅是专业知识和技能，更重要的是工程应用能力、工程协作交流能力、工程技术的自我提升能力。［2］为培养一大批创新能力强，适应经济社会发展需要，高质量的工程技术人才，我国已将“卓越工程师培养计划”列入《教育规划纲要》。2010年6月，教育部启动了“卓越工程师培养计划”的试点工作，参加试点的高校有61所，分为应用型、设计型和研发型三种类型的工程人才培养进行试点。

1 当前两种国外很受欢迎的工程教育模式概述

1.1 构思—设计—实现—运作为主线的CDIO工程教育模式

国外高度重视基于项目的教学活动与教学改革。2000年，美国工程院院士、麻省理工学院航空航天系教授联合几所世界著名工科大学，经过4年的探索，创立了构思－设计－实现－运作为主线的CDIO工程教育模式，它是“做中学”和“基于项目的教育和学 习”的 集 中 体现。［3］Alexander Slocum 是MIT主讲机械设计学的教授，2005年他出版了《设计基础》的教材，主要采用基于项目的教学方式编排内容，他主讲的设计制造课程中的远程机器人竞赛，经常被美国电视台转播，2008年获得美国机械工程师学会（ASME）“机械设计成就奖”。其基于项目的教学过程有两个主要特点：（1）以让学生体验创新设计概念的产生过程；（2）学生置身于两级团队合作的环境中，体验协作与竞争的对立统一［4－5］。

1.2 全职场环境关联——David C.Wisler的设计学课堂教学方法

David C.Wisler博士是涡轮机械空气动力学的国际专家，美国工程院院士，美国通用电气公司大学战略联盟负责人，Wisler的教学过程添加了职业角色和社会环境角色（即审查部门，造价约束），让学生在另一种团队状态（即有总设计师的团队状态）下感受职场的氛围。与Slocum课堂相同，组间竞争是不可或缺的，也是模拟职场环境的最核心内容。竞争的结果划分出优、劣设计，促使学生反思自己在组里的作用（自己的理念是否被小组接纳和实现，是否起到好的或者坏的效果，体会领导能力和团队协作能力）［4］。

2 基于项目研发过程的设计类课程教学改革与创新的提出与理念

为加强工程实践教学的环节，许多工科专业都开设了设计类课程，它以实际设计中引出的工程问题为设计项目，让学生在教师与同学的支持下，在近似现实的社会生活情境中实践和体验项目设计、开发和实现的全部过程。在结合各个项目反复地进行“做中学”的过程中，形成获取知识（自主学习）、共享知识（团队合作）、应用知识（解决问题）、总结知识（技术创新）和传播知识（沟通交流）的能力。

为了搞好电子信息类专业设计类课程的实践教学，借鉴国外特别是美国高等工程教育基于项目学习的实践能力培养的经验，我们提出“面向工程、项目驱动、能力培养、全面发展”的工程教育理念，它以面向工程为导向、以项目驱动为手段、以能力培养为关键、以全面发展为目标，开展设计类课程的教学改革与研究，充分注重学生“工程”素养的培养，注重学科知识的交叉，强调专业技能与综合素质并重。

3 基于项目实际研发过程的“模电课程设计”的教学内容、活动与特点

3.1 主要教学内容与活动

模电课程设计是我系电子信息类专业学生的第一个课程设计，其教学重点是通过一个小规模电子系统设计，让学生掌握电子电路设计的一般方法和设计流程，了解现代电子电路设计过程中常用的辅助工具及其使用方法，逐步培养学生电子技术设计能力、创新意识、工程实践能力和团队合作能力。因此，在本课程设计教学中引导学生优先采用以分立元件为主实现系统功能，不提倡学生追求系统规模和设计手段、设计内容的新颖性。

本课程教学包括7个环节，时间安排一般为10单元，也可以根据不同专业不同班级的实际情况适当增加班级集体教学与辅导活动，最多为14单元。具体包括：

（1）布置任务（1单元，班级活动）

教师根据任务需求下达课程设计任务书并介绍相关技术。课程设计任务书主要包括设计应达到的要求、计划学时、完成任务及时间进度安排等，明确学生在设计过程中应该完成的工作和达到的效果，确定各设计阶段的时间表。使学生对设计过程做到心中有数，明确自己的任务和责任。同时，为模拟企业实际工作，学生自由组合，每6－7人为1小组进行分级，并推选1人为小组长（项目经理），并实行组长负责制。小组长应具有一定的组织、协调能力、有责任心，负责根据设计任务，组织本组同学协同完成各项工作。

（2）电路设计与仿真（3单元，小组活动）

学生分组讨论，进行分工合作，查阅相关资料，选择方案，进行市场调研（确定作品应用对象），开展电路设计和器件选型，完成电路预设计方案，预设计方案包括电路方框图、详细的电路原理图、电路工作原理的说明和元器件清单（列出详细参数、规格、型号等）；在进行电路设计时，应考虑作品的产品化问题。

产品化一直是学生设计制作过程中的薄弱环节。许多学生认为只要把东西做出来能正常工作就算完成任务了，却不知要成为一个实用的产品还有很远的路要走，如是否方便使用、电压调节是否方便、是否需要开关、电源指示、过流过压报警和输出电压、电流显示、是否选用一个外壳，既美观牢固又方便拆装，且价格又低，而且方便维修等等。

接下来，学生在电路仿真与分析软件Proteus，Multisim或其他仿真分析软件，对所设计的电路进行仿真，观察电路功能是否满足设计要求。分析主要元器件参数对电路指标的影响，初步了解电路静态和动态的工作情况，在仿真软件平台上调试电路使之达到技术指标；

最后准备班级汇报。各小组共同讨论、完成预设计方案报告，制作汇报课件（PPT），准备预设计方案论证答辩。

（3）预设计方案班级论证（1个单元，班级活动）

以答辩的形式对学生设计的电路进行论证及修改，包括电路的正确性与可行性、电路是否能够满足设计指标、电路的难易程度、电路采用的元器件是否合理等。

（4）实物制作（2个单元，小组活动）

每个学生根据本组设计的电路，自行组织元器件采购、安装、调试，完成电子电路实物制作，既可以保持预设计不变，也可根据需要和实际元器件情况进行修改或完善设计。

（5）调试与测量（2个单元，小组活动）

学生分组对自己制作的实物进行调试与测量，记录测量结果（表格、图片等）。

（6）撰写设计报告（0.5个单元，班级活动）

学生独立完成设计报告（设计报告格式见附件3），交指导教师审查，不合格返回修改，逾期未交或不合格者没有成绩；准备参评最佳设计、最佳参与者和最佳小组长的准备汇报课件（PPT）。

（7）班级汇报总结（0.5个单元，班级活动）

各个小组组长和准备参评最佳设计的同学用多媒体汇报自己的作品和小组活动情况，全体同学一起分析、讨论实验结果及分享心得体会，根据汇报与讨论结果，每班评出最佳设计作品、最佳参与者和最佳小组长，并发给证书，最佳作品由系里收购。

3.2 主要特点

基于项目实际研发过程的“模电课程设计”的教学组织与过程主要有如下特点：

3.2.1 引入具体的实践项目，通过项目研发、角色扮演，营造工程情境

为营造企业工作环境，通过引入具体的实践项目——学生实验用可调直流稳压电源的设计与制作，营造一个基于电子产品研发、生产过程的学习情境，通过角色扮演（班――电子科技有限公司；小组——公司内项目研发小组；小组成员——工程技术人员；小组组长——项目经理；教师——客户兼技术顾问；班长——公司经理；学习委员——总工程师），使学生在项目的“设计生产”过程中，形成经验和策略，从而引导学生“做中学、学中做”。

3.2.2 以小组活动为主，开展有指导的自主学习和协作学习多种教学活动

在教学实施时以小组活动为主，开展有指导的自主学习和协作学习教学活动，小组活动由组长负责组织，班级活动由班长、学习委员协助指导教师负责组织，指导教师全程参与所有活动。通过引导学生优先采用以分立元件为主实现系统功能，根据课题要求，通过查阅资料、调查研究等，通过集体教学、小组活动、个人自学等多种形式完成方案设计、元器件选择、电路设计、仿真分析，硬件电路的安装、调试与指标测试，撰写设计报告全部内容。

3.2.3 全方位培养锻炼学生的综合素质与工程实践能力

每个小组不但要负责把产品设计制作完成而且还要把成品推销给客户，不但培养了学生发现问题，思考问题，自主解决问题的主动性，而且还培养了同学之间的团队合作精神，增进了友谊，同时还培养了学生的市场营销能力，这种全方位的锻炼是以前的教学模式中前所未有的。

4 总 结

经过2年的教学改革试验结果表明，本课程设计教学改革基本实现了如下目标：

A、充分调动了学生的自主学习的积极性。本次课程设计的教学改革贯彻了工程教育理念，创设了类社会实际设计开发工作的情境。在这种情境中，学生能够有指导而又独立且协作地学习、研究、设计、创新和实现项目的目标。

B、在实践中高效率地学习。在“基于项目的教与学”中，开展了小组汇报研讨活动。在汇报中学生提出在预设计过程中的理论问题和在仿真实验中出现的问题，教师能够有针对性、深入地分析讲解，学生听得津津乐道，心领神会，受益匪浅。

C、较好地理解与掌握了相关知识与技能。学生在近似实际工作的情境中，能综合运用理论知识，理解掌握元件的特点应用、典型电路的应用及接口连接，实现设计要求。从而，锻炼了实际操作的能力，培养了学生的表达、交流与协作组织能力。

D、基本了解了产品的研发过程与方法。通过教师、同学间的互助互学，感受了实际工作中设计及制作的一般工作流程，学习了分析、解决问题的过程和方法。

E、培养与形成了良好职业情感、态度与价值观。培养了学生对工程实践的兴趣、以及与同伴交流合作的意识，逐步形成良好的工程意识与职业素养。

从试验过程来看，这种教学形式受到了学生的好评。他们认为当前的大多数教学模式主要强调老师的主导作用，老师下达什么任务，学生就按部就班地完成，不会有自主思考和学习的机会，也没有团队合作的意识。而通过本次课程的学习，使学生们更加具有发散性思维，激发了同学们的兴趣爱好，大家集思广益的学习与合作，增进了同学们之间的感情。为同学们以后的课程设计开了个好头。这是一次新的尝试，新的体验，对同学们以后的学习也会有着深远的影响。

［1］杨晨光.造就一批高层次工程技术人才：教育部“卓越工程师教育培养计划”实施进展综述［N］.中国教育报，2011－1－2（1）

［2］查建中，何永汕.工程教育改革的三大战略［M］.北京：北京理工大学出版社，2009：1

［3］吴鸣，熊光晶.以工程能力培养为导向的工程教育改革研究［J］.理工高教研究，2010（3）：54－59

［4］陆一平，查建中.缤纷课堂：源于国外的工程教育实践教学方法［J］.高等工程教育研究，2009（6）：137－140

［5］Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，et al.Rethinking engineering education ：the CDIO approach［M］.New York：Springer，2007：145－146.