基于CDIO与慕课的高速数字电路设计教学改革

2018-03-14郑文斌凤雷乔家庆刘冰付平

中国教育信息化·高教职教 2018年2期

郑文斌+凤雷+乔家庆+刘冰+付平

摘要：本文结合高校涉及高速数字电路设计相关内容教学过程中存在的问题，从培养新时代卓越工程师的目标出发，考虑引入国际优秀CDIO教育理念和MOOC先进的自主学习方法，从教学内容、教学方法、考核考试等多方面提出有效的教学改革措施，可以提高学生的学习热情，对培养学生的综合实践能力起到积极有效的作用，是解决目前高速数字电路设计教学中问题的一个较好的方法。

关键词：高等教育；MOOC；CDIO模式；高速数字电路设计；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）03-0031-04

一、引言

《高速数字电路设计》是适合于工科弱电专业的选修课程，对今后从事电路设计、EMC分析等职业的学生而言，本课程的教学目标是使学生掌握高速数字电路在设计过程中使用到的相关基本概念，了解与高速数字电路设计与应用有关的电路原理。通常在实际学习过程中，教师发现学习内容过于枯燥、抽象，不利于本科生掌握，降低了学生的学习热情。

针对这些问题，如何为实际工程提供合格的高速数字电路设计人才，如何使学生在职场中更加具有竞争力，在研究生学习阶段可以更加如鱼得水，充分调动学生的积极性和创造力成为教学工作重点。CDIO工程教育模式提倡如何在学习中实践，并在实践中学习，提供了一种非常好的解决问题的思路与方法。

二、CDIO和慕课相结合的教学模式与方法

1.CDIO工程教育理念

CDIO这一工程教育理念是最近十几年来国际上在工程教育或者说工科教育领域的最新研究成果。最早是由麻省理工学院等4所大学组成的跨国研究团队历经4年时间的研究与探索，并且成立了国际合作组织继续研究及应用了CDIO这一理念。[1]

CDIO是一个缩写词，它的四个字母分别代表巧妙的构思、精准的设计、完美的实现以及良好的运作，它的思想是将某一种产品从它的研发阶段开始，一直到整个运行阶段整个周期作为一款产品生命周期的整个过程，通过教师的教学，让学生参与整个产品周期的实践，同时与学习的理论内容联系在一起的方式来学习并解决工程上的现实问题。CDIO培养理念中将一个毕业生的能力分为四个层面来评价分析，包括工程领域的基础知识、个人各方面能力的相关展现、个人在人际交往和在团队领导体现的能力以及统筹整个工程系统或者导向整个工程的能力。最终目的不仅仅培养一名工程师，还在各个方面综合培养一名未来的工程领域的高管，当然，可能在初始阶段仍然只是一名工程师。[2-5]

CDIO的大纲确立工程师必须具备上述四方面能力，所有的能力在整个CDIO培养训练过程中以一定的方式表达出来，诸如各种不同表达分数、权重等等，这样，通过分门别类细化以及综合的评价等不同方式，让教师和学生都能对被评价人有一个综合的理解，这样在今后的培养和锻炼过程中具有针对性。CDIO具有良好的系统性和科学性，至少目前是符合国际上在工科领域的教学教育，具有一定的先进性，有可能成为未来工科领域教学教育的发展趋势，其他领域也可以借鉴这种方法进行教育。[4-9]

2.基于MOOC的教学方法

“慕课”是一种大规模开放式网络课程的统称，可以通过互联网为全世界想要学习的人提供丰富的教育资源和便捷的学习机会。“慕课”是MOOCs的谐音，其中“M”代表Massive（大规模），一般传统课堂上只有几十至几百个学生，通常不会更多，但是MOOCs课程能达到传统课堂十倍乃至百倍的学生数量；第一个“O”代表开放（Open），以兴趣为指引方向，凡是真心想要学习的，可以不分国籍种族去学习，这样欠发达国家和地区的学生可以在网上学习世界顶级学府的课程，接受最一流的教育；第二个“O”代表在线（Online），所有的学习内容通过互联网在网上完成，这样不受地域和时间的限制，可以有效地解决部分贫困或教育资源短缺地方的学习问题；最后一个“C”则代表课程（Course），整体的意思就是大规模开放的在线网络课程。[10]

慕课这种形式最早起源于美国的高等学府，但是发展非常迅速，涉及的范围非常广，这是创始者没有预料到的，它受众之广、资源之丰富、获得容易、效果良好的特点得到了大家广泛认可：[11-14]

（1）大规模的课程：世界的各大高校和有一技之长的个人都可以广泛发布。

（2）开放的课程：抱有共享的理念，将知识开放给大家，知识是开放的。

（3）網络的课程：课堂资源在网络上，可以自己选择学习时间和地点，只要拥有连接网络的设备，就可以按自己的需求与兴趣进行广泛的学习和交流，并且获得相关课程的合格证书。

（4）名师课程：网络课程学习过程完全凭借学生的自愿和兴趣，并且每门课程没有人数的限制。同时，创建MOOC的教师一般都具有非常高的学术素养和教学能力，教学效果非常好。

人才培养、教学效果等是目前高等教育面临的重大问题，面对慕课等更多更新颖的教学手段与教学方法，需要思考如何顺利完成社会赋予的使命，将多种方式与传统方式相结合提高教学质量，尤其是高校青年教师，如何在这场冲击中提高自身能力和竞争力，在这场变革中处在领先地位，这个革命式的教改方式对教学能力、教学内容和授课方式的影响。

三、高速数字电路设计与应用课程教学现状

目前《高速数字电路设计》课程作为一门测控技术与仪器专业的大四选修课，在大四秋季学期开展。这门课程具有较强的应用性，高速电路设计的过程非常复杂，系统复杂程度逐年提高，传输线效应、信号完整性问题是高速数字电路中面临的最重要的问题，经常导致传统方法设计的电路无法正常工作，并且无法很好解释原因。而硬件的高速发展、通讯学科的飞速前进导致高速电路已经是工科学生必备的设计技术之一。本课程重点介绍数字电路的术语、逻辑门电路的高速特性及标准的高速测量技术，以及高速数字设计中涉及信号完整性方面的传输线、时钟偏移和抖动、端接、过孔等问题。要求学生掌握逻辑门电路的高速特性、标准的高速测量技术以及高速数字电路设计应该注意的问题，并且能够完成一般的高速数字电路的设计。但是目前学生普遍存在一些问题：首先就是学生的基础知识掌握得并不扎实，很多以前学过的其他课程的知识点在本课程提起时，反应较慢，有学完就忘的现象，说明课程虽然结束了，考试成绩也不错，但是不具有长时间的记忆能力，只是应付考试而已。其次，对实际设计PCB电路板没有深刻的认识，理论与实际结合得不好，并且由于以前只是不牢固，先修课程没有为后续课程起到很好的辅导作用。通过对往届学生的调查，反映了一些先修课程和对本课程的一些影响。尽管教学过程中教师能力出众，知识渊博，具有非常丰富的经验，注重从整体到细节的把握，理论讲得很透彻，但是学生对这些知识的兴趣不大。另外，由于学生没有工程项目经验，对PCB设计，尤其是高速数字电路设计，学生不具备相应的工程能力和动手能力，对整体把握和理解趋近于零，没有认同感和代入感，因此学习效果不理想，造成所学的知识与实际相脱节，计算习题效果很好，但是在设计高速电路时，则缺乏相应的方法。因此，本课程需要进一步针对选修课的课程特点，借鉴先进的教育理念和方法，改变师生的角色，让学生成为课堂主角，教师成为课堂的观众，从而激发工科学生主动学习的积极性及驱动性。

四、基于CDIO的高速数字电路设计课程改革

1.教学大纲的改革

按照CDIO的大纲要求，对现有的高速数字电路设计与应用课程大纲进行改革，明确课程需要达到的培养目标，主要包含由团队合作能力、表达能力和沟通能力构成的职业能力目标。在教学中，要严格按照项目的设施流程来完成，把高速数字电路设计这门课程的知识点在学习过程贯穿于以某一个项目为例的整体过程中，实施基于CDIO模式的过程，按照“构思”、“设计”、“实施”、“运行”以及基于“项目教学法”的要求，实现基于项目过程的教学。设计教学体系包括知识学习、个人能力、团队协作、系统分析及管理四个部分，用A、B、C、D来表示对学生在学习完本课程后应具有的能力，同时，将部分课程以MOOC在线教学的方式引入课堂，让学生课上课后学习不同的知识，如表1所示。

2.教学内容的改革

教材的选择改革，目前高速数字电路设计课程更多针对的是，在高速数字电路设计过程中需要注意到的工艺过程各个阶段的注意事项及可能遇到的问题解决，针对方法的介绍相对少一些；针对大四本科学生实际工程经验不足、理论基础较好，因此建议增加一些动手的内容，利用CDIO中的基于项目机制，可以进行分组，几个同学负责一个小项目，根据项目完成整个课程的学习，既可以提高热情和积极性，也可以增加更多经验，将理论与实际相结合，最大程度挖掘学生的创造能力，提高分析和解决实际问题的能力，同时培养了团队的协作能力。根据CDIO的特性，改进教学内容如图1所示。

除此之外，由于引入了MOOC的教学方法和理念，可以选择部分课程内容让学生在线学习，选择适合自己的课程完成相关内容的学习，如电源系统、时钟等部分，很多MOOC课程中的部分内容有所涉及，而对高速数字电路的影响可能没有涉及，那么可以在课上对其内容进行充分的讲解，课上课下相结合的效果令人期待。

3.教学方法的改革

教学方法的改革主要将CDIO与MOOC的核心思想结合在一起，动手和理论学习相结合，边学边做，激发学生的学习兴趣。为了获得更好的激发效果和学习动力，考虑在今后的教学中，将部分课程的教学地点从教室转换到课题组实验室和课后的在线MOOC学习完成，增加学生对不同授课教师讲述方式的理解，同时可以考虑学习部分国外知名课程的英文授课内容，双语教学可以改善教学效果，如实验中心或者本专业各个课题组，并且申请部分经费，让学生能够边学习边实践，体验高速数字电路设计的过程和结果，教和学互相验证。虽然目前课程中已经充实了很多实物的照片或者范例，但是实际的操作会强化学习效果、加强记忆。在可能的情况下，增加更多实验课时，提供更多的实验器材，虽然是选修课，但是一样会对学生的成长起到巨大的作用。增强动手能力和创新能力。

4.评价方法指标的改革

课程的考核评价体系和考核方法主导着学生的学习动力和方向，因此必须匹配本课程的CDIO教学大纲，能有效引导学生开展相关能力的锻炼。本课程主要环节包括课上出勤、课堂表现和考试考核，权重大约在0.3 与 0.7。书面理论考试以基本概念、基本理论、基本技能以及工程项目设计等为主。考虑在今后的改革过程中加入一些课后作业以及更多实验部分，将权重分配得更合理，减小考试比例，更多强调CDIO中对综合能力的考量、团队能力的考察。

五、结束语

CDIO工程教育模式是理论与实际相结合，基于CDIO的高速数字电路设计课程的教学着重改革课程体系、教学模式、教学环境以及评价方法这几方面，从而调动学生主动学习、主动思考的能力，培养学生工程项目经验，提高团队意识，加强学生独立解决各种问题的能力，除了学到知识，更重要的是提高实践能力，在学习中不断实践，在实践中不断学习，相互促进，相互影响。

参考文献：

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