基于产出导向的电子技术课程设计教学改革

王 波， 王美玲， 刘 伟， 金 英， 肖 烜

(北京理工大学 自动化学院， 北京 100081)

0 引 言

《华盛顿协议》是工程教育本科专业认证的国际互认协议，1989年由美国、英国、加拿大、爱尔兰、澳大利亚、新西兰的工程专业团体发起成立，旨在通过工程教育本科专业认证保证工程教育质量，为工程师资格国际互认奠定基础，2016年6月我国成为《华盛顿协议》正式成员国[1]。加入《华盛顿协议》有利于促进我国工程教育按照国际标准培养人才，提高工程教育的质量，对我国工程技术领域人才走向世界具有重要意义。工程教育专业认证的核心理念是以学生为中心、产出导向和持续改进[2]。

电子技术课程设计是自动化类、电气类、信息类等相关专业大学生继学习完电子技术基础理论课、实验课之后的重要的理论和实践综合设计环节[3-5]。随着教育教学改革的不断深化，在传统教学过程中暴露出一些突出问题，主要表现在：① 教师在教学过程中居于主导地位，忽视了学生的主体性和能动性。② 教学内容的形式与工程实际相脱离，学生缺乏工程设计思想、方法的培养，不能综合运用所学知识解决工程实际问题。③ 教学内容更新缓慢，不能体现现代电子系统设计方法。④ 与工程实践和素质教育密切相关的自学能力、经济因素、团队合作等因素的培养在教学目标中没有体现。

1 产出导向教育理念

20世纪80年代到90年代早期,一种基于学习产出的教育模式(Outcomes-Based Education，OBE)最早出现于美国和澳大利亚的基础教育改革。OBE是以预期学习产出为中心来组织、实施和评价教育的结构模式，实施OBE教育模式主要有4个步骤：定义学习产出(Defining)、实现学习产出(Realizing)、评估学习产出(Assessing)和使用学习产出(Using)[6-8]。该教育模式采用“自顶向下”的“反向设计”方式，通过预先设定培养目标，再设计支撑该目标的课程体系和培养方式，即根据培养目标整合优化课程体系和教学过程。

2 课程目标

根据自动化专业毕业要求，细分毕业要求指标点，围绕指标点进行电子技术课程设计教学目标设计。该课程教学目标有:① 了解、掌握电子系统设计的基本方法；② 能够根据技术指标要求，进行任务分析，利用图书馆、网络等资源，结合经济性、可靠性、可实现性、可维护性等因素选择合适解决方案；③ 利用EDA仿真软件进行系统设计、验证与完善；④ 学会以小组为单位分析问题、解决问题，合理分解工作任务，相互配合；⑤ 能够通过硬件电路安装调试，完成设计目标，达到技术指标要求，完成设计报告；⑥ 在电路调试、故障排除中熟练使用常用仪器设备；⑦ 提高分析与设计电子系统的能力，为以后应用打下基础。

电子技术课程设计的课程目标与自动化专业毕业要求指标点的对应关系如表1所示。

表1 课程目标与自动化专业毕业要求指标点的对应关系

3 基于产出导向教育理念的教学设计

3.1 指导思想

电子技术课程设计具有工程性、实践性、综合性和系统性的特点。基于OBE教育理念的电子技术课程设计，除了实践动手能力培养外，更注重把与工程实际密切相关的创新意识、自学能力、经济因素、团队合作、总结与表达等因素的综合能力与素质教育贯穿于整个教学活动中。在教学过程中采用CDIO工程教育模式的项目教学法[9-12]，以项目的构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)及运作(Operate)全过程为载体来培养学生的工程实践能力。

3.2 项目教学法的实践

结合工程实际产品设计的一般流程[13]，将电子技术课程设计中课题的设计过程分为课题分析和方案论证，方案设计，方案实现和总结及成果展示4个阶段来进行教学。这4个阶段分别对应CDIO教育理念中项目的构思、设计、实施和运行4个过程。

(1) 课题分析和方案论证。电子技术课程设计所选的课题来源于工程实际，并且具有综合性、先进性和实用性。学生以团队合作的形式(人数限定为2人)选择不同的题目。每个团队成员根据课题的设计要求，做好充分的调查研究，弄清楚系统所要求的功能和性能指标，对各种不同的解决方案进行讨论交流及可行性分析，并进行成本预算，选择最优设计方案。例如，秒脉冲发生器的设计学生提出2种方案，如图1所示。方案1电路结构简单，但工作稳定性及精度差。方案2电路工作稳定性及精度好，如果集成电路选择合适，电路结构也很简单。经过比较采用第2种方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

图1 秒脉冲发生器的2种方案

在项目的构思阶段，主要培养学生的团队合作能力、工程系统能力及自主创新能力。

(2) 电路设计。确定了课题方案后，就要进行具体电路设计，要让学生利用软件仿真的方法来设计电路。对所设计的电路进行仿真，可以验证设计电路的正确性，减少故障出现的可能性，大大缩短设计周期。例如，浮点频率计课题中，学生利用Multisim软件设计的三节拍产生电路如图2所示，测量控制信号QT和节拍信号JP1、JP2和JP3的仿真波形如图3所示。

图2 节拍控制电路

由QT的下降沿启动三节拍发生器，产生的第1个节拍信号JP1封锁测量控制信号QT，使之不能送出后面的测量信号；第2个节拍信号JP2应在将近3s时产生，用来清除本次测量的结果，使测量结果显示时间约为3s；最后产生第3个节拍信号JP3，解除对测量控制信号QT的封锁，再次启动测量过程。

图3 节拍信号仿真波形图

在项目的设计阶段主要培养学生的单元电路设计能力、仿真分析能力及系统整体设计能力。

(3) 方案实现。目前电子系统的实现主要有以下几种方法[14]：① 采用通用的集成逻辑器件实现;② 采用可编程逻辑器件实现;③ 设计功能完整的电子系统芯片。

第1种是传统的方法，实际应用比较广泛。第2种方法设计的系统体积小、功耗低、可靠性高。第3种方法成本较高，不适合小批量生产。经过比较，采用第1种和第2种实现方法。选用第1种实现方法时引导学生选用市场上价格便宜、货源充足的集成电路。选用第2种实现方法时，引导学生采用Cypress半导体公司推出的PSOC(Programmable System on Chip)器件。PSOC器件是在一个芯片上集成了微控制器以及嵌入式系统中通常围绕控制器的模拟及数字组件[15-16]。

在项目的实施阶段主要培养学生的常用仪器仪表的使用能力、电路故障的检查与排除能力，系统的调试能力，同时让学生对工程中的经济、安全等因素有所了解。

(4) 总结及成果展示。在调试成功后，进行系统演示及课题验收。由团队推选主讲人，其他成员参与演示设计成果，介绍课题的设计思路、关键技术、工作原理、存在的问题等方面的内容。例如，学生设计完成的浮点频率计实物如图4所示，测量结果的显示为3位十进制数，前2位为有效数字，第3位为10的幂次。当输入信号频率为500 Hz时，输出显示为50×101。在课题验收后，要提交课题的研究报告，报告内容主要包括：设计目标、设计方案、设计电路及工作原理、软件仿真结果、硬件调试结果、原理图与印制电路板图的设计、应用领域等。

在项目的运作阶段主要培养学生知识的综合运用能力、语言表达能力和写作能力。

3.3 考核评价机制

课程考核上，坚持以学习产出为导向，在教学实施的各个阶段对学生达成课程目标的程度进行评价。考核内容与教学目标的对应关系如表2所示。

图4 浮点频率计实物图

表2 考核内容与课程目标的对应关系

4 结 语

以工程教育专业认证的毕业要求为导向，根据OBE教学理念，对电子技术课程设计进行了一系列的教学改革。教学改革中将能力培养与素质教育融于整个教学过程中，由以教师为中心转变为以学生为中心，以教材为中心转变为以项目为中心，以课堂为中心转变为以工程实践为中心，从知识、能力和素质三方面使学生得到了综合的工程训练和素质培养，为我校自动化专业毕业要求中多方面能力指标的完成提供了强有力的支撑作用。通过近几年教学改革的实践，激发了学生自主学习的主动性，提高了学生的实践动手能力，培养了学生的创新精神、团队精神、协作和配合能力、总结与表达能力，为学生整体素质的提高奠定了坚实的基础。