基于CDIO/DEC的电路实验教学

2013-03-24姚缨英

电气电子教学学报 2013年4期

王旃，姚缨英，孙盾

(浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)

CDIO教学方法源于国外四所著名大学的教学实践和前沿研究。作为一种创新的工程教学方法，它在基于实践需求进行课程设置和教学活动的同时，面临着实际产业需求、实际教学基础的关联影响和如何有效兼顾理论体系完整性的难度。这些关联影响和兼顾难度构成了CDIO应用的约束条件。本文提出，恰当地理解并适应这些约束条件，是有效实施CDIO教学模式的关键。

1 CDIO/DEC渐进模式

我们结合对上述约束条件的认识和对CDIO内在形成机理的研究基础上，提出了由“分解(Decompose)、组合(Combine)和驱动(Empower)”等三个关键流程组成的CDIO渐进模式，简称CDIO/DEC模式。其中，分解流程是指对能力需求进行分析，研究当前的产业实践环境需要我们培养具有何种能力素质的学生。同时，对学科所涉及的理论体系中的知识点进行梳理分析，并参照分解出的能力需求进行组合，简称组合流程。驱动流程则是指在优化课程设置的基础上，通过有效的教学执行来实现最终的教学效果。通过运用这三个关键流程，可以帮助我们在CDIO理念和标准方法的指导下，充分考虑实际约束条件的限制，完成从传统模式教学到CDIO模式教学的平滑过渡，进而实现CDIO的有效实践应用。本文以我校本科实验教学研究项目为契机，以电路实验课程为试点，探索了CDIO/DEC渐进模式在教学实践中的应用方法。

2 CDIO/DEC渐进模式的实施方法

电路实验是我校电子、电气信息类学生进入基础课学习阶段的第一门实验课程。目前已经由单一的验证原理和掌握实验操作，拓展为一门面向综合技能训练的实践课程，成为学生获得实验技能和接受科学研究方法基本训练的重要环节。

CDIO/DEC模式在电路实验教学具体的实施过程遵循其分解、组合与驱动三个流程的要求。

1)分解流程

我们首先对电子、电气信息类专业的实际产业需求进行调研和分析，提取能力需求的核心元素，再进行分解，直至这些能力元素能够由本课程承载。

我们这里所说的能力元素除了包括掌握必要的电路理论知识、核心的工程基础知识以外，还应强调包含个人和职业所需的技能和特质，例如:①工程推理和解决问题的能力。进一步分解为:认识和表述实验问题、建立电路模型、判断和定性分析电路状态、对测量数据不确定度的分析、解决方案的设计与实施等;②实验中探寻知识的能力。进一步分解为:建立假设、查询中外文文献资料、实验探索、合理使用电路仿真工具、假设的检验和论证等;③系统思维的能力。包括:立足全局进行思考、关注电路参数和变量的相互关联、确定优先级和判断平衡等等。

2)组合流程

我们参照上述分解流程中确定的能力要素，重新进行匹配和组合，形成具体的实验项目和实验内容，最终构成完整的实验指导书。我们要求重新整合后的实验项目应能达到对学生上述能力要素进行训练的目标。

需要注意的是，鉴于实际资源条件的限制，我们在将知识点与能力要素进行匹配前，首先区别这些能力要素的重要度，即在每一个实验项目中，各能力要素的权重有所差异。权重大小的设置，取决于我们期望学生达到的能力水平与学生当前普遍具备的能力水平之间的差距，差距越大则相应的权重越大。因此，某一种能力要素所具备的权重在不同的实验项目中是有差异的。对于一个实验项目中权重大的能力要素，我们采用围绕核心知识点再设置关联知识点的方法，进行延伸和扩充，关联时应特别注重目标一致和能力强化。依此原则形成的一系列实验项目，既有各自独有的能力培养目标，又有能力要素间循序渐进的组合关联，使得整个课程的内容体系具有层次感，且目标明确，确保有效。

该流程是实施CDIO/DEC模式的关键环节，我们将结合具体实例进行说明。“戴维南和诺顿等效定理”是电路理论教学中的重点和难点内容。传统的验证型实验，通常是给出一个复杂的线性含源二端网络，通过分别测量等效前后的端口特性来证明等效定理成立。这样的实验过程只是对理论知识的复习，很难在能力培养方面有所突破。我们通过分析发现，该实验中包含着“运用等效的方法解决电路问题”这一有价值的能力要素。如何在不增加课时的情况下，以等效定理为核心知识点，重新设计实验内容，达到上述能力培养目标?

我们的做法是:提前公布一个复杂的线性二端网络，要求学生通过课前预习，设计该网络各等效参数(开路电压、短路电流和入端电阻)的测量电路，并运用Multisim工具对所设计电路进行仿真，依据仿真结果给出初步结论。进入实验室后，在较短时间内要求学生完成实际电路等效前后的端口特性测量，由于学生预习过，并有仿真测量过程和结果会很易完成。然后教师将该线性网络中的一个电阻元件替换为一个非线性元件(如二极管)，由于学生在预习时已明确等效定理只适用于线性电路，因此会带着等效是否有效的疑惑进行这部分测量。教师此时只需要稍加提示，大部分学生便会主动关注二极管的工作特性，并和之前学习的非线性元件外特性测量关联起来。通过实际测量，学生会发现二极管在这个网络中始终处于正向导通状态，因此网络仍呈现线性特征，因而导致等效定理仍然适用，问题得以解释。此时教师再提示:能否换一种比逐点测量更简单的思路来分析二极管的工作状态呢?对等效定理理解透彻的学生会想到:如果将二极管从网络中分离出来，剩余电路又将是一个线性网络，完全可以利用刚学到的等效定理来分析二极管的端口特性。最终答案虽是一样的，但后一种解决方案对于学生深刻理解并熟练运用等效定理来解决电路问题的能力提升了许多。

教师最后可以再次对实验进行拓展，要求学生自行设计电路参数，构成一个真正的非线性网络，再观察等效定理的适用性。由于参数未知，学生会选择先用Multisim进行仿真，以获得大致的参数范围，并在此基础上设计实际电路，设计时需要考虑整个网络参数的相互关联和平衡。以此方法形成新的4课时实验内容较原先相比，本质区别是目标导向，即强调“能力的训练”而非仅仅“知识的传授”。这里所包含的能力要素，按权重大小排列，依此包括:理解等效的意义、正确构建等效电路、判断和分析电路状态、进行假设和校验、合理使用仿真工具、设计和实施实验方案等。新的实验内容的特色在于:强调问题的解决和知识的关联，并让学生亲身体会解决问题的整个过程是有方法的，是可以自己控制的，因此实验的主动性明显增强。

3)驱动流程

预期的教学效果能否实现依赖于有效的教学执行，即驱动流程。我们认为可从“教学互动过程、教学环境构建和教学评价优化”三个方面入手，研究有效的教学过程管理方法。其中，教学互动是正向推进，教学评价是反馈修正。这里我们着重说明教学互动和教学评价。

我们仍以“等效定理的研究”实验为例，教师事先合理地设计实验电路和参数以获得实验效果是教学互动的基础和前提。如何在问题出现时，给予学生适度的提示和恰当的引导是互动的关键。另外，在实验结束之后，我们要求学生在实验报告中专门列出一栏进行自我评价，针对教师给出的本次实验所包含的各个能力要素，逐个分析自己在实验过程中的哪个环节得到了训练和提升，是否明显。对于学生反应明显且集中的能力要素，我们可以认为达到了预先的教学设计目标，即能力要素的分解与知识点的匹配基本到位;对于学生反映不明显或不集中的，我们再进行知识点组合的优化或者再进行能力要素权重的调整。让学生这一教学主体参与教学评价，构成了更完整意义的教学互动。

高频度的教学双方一起参与的教学评价驱动着一次能力元素分解和知识点匹配的闭环的构成，下一次的能力分解与知识点组合又将在上一次形成的能力基础上进行。因此，分解、组合和驱动推动了能力要素向着既定的目标螺旋上升，这也正是我们提出的“渐进”的含义所在。