CDIO理念下基础电类实验的改革与探索

苏巧平1 ，刘原2，孙文娟

(1. 安徽新华学院 电子通信工程学院，安徽 合肥 230088；2. 安徽医学高等专科学校，安徽 合肥 230000；3.安徽新华学院 信息工程学院，安徽 合肥 230088)

随着工业的快速发展和科学技术的迅速发展，社会对工程技术的要求也越来越高。但是，长久以来重理论、轻实践的教育方式，使理论脱离实际、实践环节薄弱和产学脱节的问题较为严重，工程人才短缺和工程教育质量已成为人才培养面临的共性问题。

为了解决人才培养问题，世界各国先后开展了高等教育改革，提高了人才培养质量。CDIO工程教育模式是国际工程教育改革中相对成功的研究成果。CDIO是英文单词“构思”(Conceive)“设计”(Design)“实施”(Implement)“运行”(Operate)的缩写，它是由美国麻省理工学院与瑞典查尔姆斯理工大学、林雪平大学和皇家理工学院联合开发的一种新的工程教育概念和实施系统。该概念基于从研究和开发到运营的产品的生命周期，允许学生以独立、实用和课程之间有机链接的方式学习工程，培养学生各方面的能力。研究结果显示，CDIO工程教育模式在提高学生的实践能力、团队合作意识以及创新能力等方面效果显著[1-2]，并且在美国和欧洲(包括非英语教学的院校)普遍适用。因此，在工程教育大背景下，借助CDIO成功的工程教育模式，进行基础电类实验改革与研究，具有重要意义。

1 传统基础电类实验的弊端

基础电类课程包括电路、模拟电路和数字电路，是电类或相近专业的专业基础课程。上述三门课程通常采用的实验授课方式是在理论授课过程中穿插基础实验，便于学生对于所学理论知识的巩固和理解。目前，随着应用型人才培养的需要，实践教学水平已成为人才培养质量的关键因素，也是提高学生实践能力和创新能力不可分割的一部分，对提高学生的整体素质起着至关重要的作用。而现有的基础电类的实验课程无法满足这个要求，且存在不少问题，主要体现在以下几个方面：

1.1 基础电类课程实验时间分散，设备使用较多易忘

电路、模拟电路和数字电路三门课程的实验课分别安排于三个学期，时间跨度长，各个实验安排分散，在课程的讲授过程中，过分关注组件的内部结构，分析工作原理和一些复杂的推理计算，从表面上看，学生们似乎已经学到了很多东西。事实上，它无助于学生了解组件和电子设备的使用、安装、调试和维护。实验设备的操作使用方法由于时间原因学生基本忘记，甚至一些常用测量仪器学生也不能熟练使用。

1.2 基础电类课程各个实验相互独立，不具有系统性

由于基础电类课程实验较为基础，所以多数实验为课本理论知识的验证性实验，在实验设置上以分散的知识点为基础，由于知识点的独立性和分散性，使得各实验之间相互独立，缺乏系统性。系统性的缺失，致使学生在进行实验时，缺乏系统性思维，学生对课程的总体认知不清，对课程的理解也就很肤浅，实验效果不明显。

1.3 基础电类课程实验缺乏设计性，与生产实践脱节

基础电学课程实验基于电学理论知识和现有的实验设备，启发式教学很少，学生的主观能动性无法得到充分利用，不利于学生自主思考，阻碍学生独立分析和解决问题能力的培养。而实验中由于多数电路已经给出，缺少电路设计的部分，因此，实验课程贯穿的电子电路设计的思想较少，学生通过实验获得的认知还是基本停留在理论认知层面，获得的新知识较少。同时，由于实验设备中的各实验模块的线路基本连接完成，线路无须学生焊接、调试，学生只需完成简单的线路连接和测试，无法完整体现一个电子产品的具体的开发生产过程，因此与生产实践严重脱节。

1.4 实验考核方式不科学

由于电工电子实验没有单独的学分，实验教师只根据学生的实践能力和实验报告的完成情况给出实验的分数。它的分数仅占理论课总分的20%左右。整个实验的评价体系主要取决于学生是否在课前预习，是否完成实验内容，实验数据是否合理，以及数据分析是否合适[3]，这种评价方法不能充分反映实验水平，大大降低了学生对实验的关注程度。

1.5 学生学习兴趣不高

由于大部分同学进行的基础电类实验为进入大学后接触的较早的实验，学生心中会有很高的期望。而我校开设的验证性实验创新性不高[4]，对学生的动手能力要求不高，与学生高中时的实验相差不多，学生心理落差较大，学习提不起兴趣，“兴趣是最好的老师”，这严重影响了教学效果。

2 基于CDIO理念的基础电类实验课程的改革及实施

鉴于基础电类实验存在的上述问题，安徽新华学院采用的做法是将基础电类实验采用集中综合实训或分段式综合实训代替。具体做法如下：

2.1 确定实训后学生获得能力，制定实训内容架构，采用集中综合实训或分段式集中实训代替分散式实验教学

本实训课程是在电路、模拟电路、数字电路三门课程的基础上整合的一门综合实训，设置本实训的最初目的是希望学生通过本次实训获得掌握常用测试仪表的使用、利用Multisim软件进行模拟电路和数字电路设计仿真、并根据仿真结果进行实际电路焊接调试、初步掌握综合电路设计过程、提高学生工程应用的能力，启发学生的创新思维[5-7]。基于这样一种预期学习结果，本课程在实训内容设置上安排了如图1所示的6个授课模块，而最终结果是完成一个“篮球竞赛数显30S计时器”的完整设计与调试。其中：

(1)“常用仪表的使用、器件识别”主要保证学生掌握常用仪表的使用，熟练掌握常见物理量的测量方法，并在整个实训过程中贯穿仪表的使用，最终达到利用常见仪表进行电路测试、调试、故障排查的能力。

(2)“基础电路实验仿真”主要保证学生利用Multisim软件进行电路仿真、调试的能力，本部分为Multisim软件的入门学习，后续的各个模块的设计中均贯穿Multisim软件的使用，使学生利用仿真软件成为一种习惯，也为其他仿真软件的学习提供基础。

(3)“±5V直流稳压电源”主要为后续各个模块提供电源，培养学生进行电路设计，必然考虑电源设计及电源带负载能力问题。

(4)“方波产生电路”主要为30S计时提供秒脉冲，方波产生电路的形式可以是多样的， 可以使用模拟电路的知识，亦可使用数字电路的知识。

(5)“30S计时”模块完成30S倒计时的设计，主要利用数字电路中的计数器、译码器、数码管等器件进行电路的设计，培养学生数字电路设计与调试的能力。

(6)“基本放大电路”模块在30S计时完成时驱动蜂鸣器报警，可以通过三极管基本放大电路或集成放大电路和放大电路中的阻抗匹配来设计实现，培养学生设计和调试数字电路的能力。

图1 电工电子技术专业实践结构图

本实训的优势在于通过两周的实训课程，学生对于电子产品的整体设计过程有了全面的理解，体验产品从概念设计到产品实现的整个过程。

2.2 依据理论课程开设情况，确定实训课程开设时间模式及实训授课环节设置

基于不同专业对电类课程的需求不同，我校在基础电类课程设置上，主要包括三种模式，一种是电路、模拟电路、数字电路三学期分别设置，分别进行，一种是电工技术、电子技术两门课程分两学期进行，最后一种模式是一学期以电工电子技术课程方式学完电工和电子技术中的基础电路知识点。我校在进行电工电子技术综合实训代替基础电类实验之初，是在所有电路、模拟电路、数字电路知识授完后集中进行的，带来的问题是学生在进行实训时，理论知识已忘记，且由于学生入校后将近2年时间没有专业基础课程实验的进行，学生的实践机会和动手能力受到了限制，效果并不理想。后确定为集中实训分段式进行，以保证教学效果。以基础电类课程为电路、模拟电路、数字电路分三学期进行的情况为例介绍具体做法。

(1)确定实训课程的授课思路。由于实训内容较多，需要学生增加课外时间进行学习，因此，本实训按照图2模式进行课程设置。课前、课中、课后教学环节的设置，主要保证学生的课前预习、课后作业、课后拓展练习及自学，更要保证学生在课程中的学习效果。设计部分要求学生依据设计要求进行理论计算、Multisim仿真、器件选型及购买、实物的焊接。故障排查主要培养学生遇到问题、解决问题的能力。

图2 实训课程设计思路

(2)每个阶段的培训将分学期进行，分阶段的培训项目和过程表如表1所示。由表1可见，电工电子实训分别在大一(下)、大二(上)、大二(下)三学期分阶段进行。在电路课程的学期中，实施了理实一体化的教学方法。基本电路的Multisim仿真实验在整个学期贯穿进行。此种方式不仅能够使学生通过仿真现象加深理论知识的理解，更可促使学生养成借助仿真软件进行电路实验现象观测及判断的习惯，为后续电路仿真奠定基础。同时，鼓励学生利用课外时间进行更多电路的仿真验证及电路的设计仿真，并给予一定的激励措施，保证本阶段的课外学习能够保质保量地完成。然后，在模拟电路开设学期，进行Multisim基本模拟电路的实验仿真(此部分为学生课外学习)，在学期末，进行集中实训，讲解元器件的识别及常用仪表的使用，并且设计±5V直流稳压电源模块，蜂鸣器或扬声器驱动电路，方波发生电路模块，焊接、调试。此部分电路要求学生将实物保存至下学期数字电路的实训课程。最后，在数字电路开设学期，进行Multisim基本数字电路的实验仿真(此部分为学生课外学习)，在学期末，进行集中实训，仿真30S倒计时电路并进行实物的焊接调试。本部分使用的电源、报警电路和秒脉冲发生电路均使用上一学期模拟训练的结果。至此，本实训课程完成了一个完整的30S倒计时电路的设计，本电路中使用的所有模块均由学生设计完成，体现了一个产品的完整的设计过程，将CDIO理念真正贯穿始终。

表1 电工电子分阶段实训项目及进程表

2.3 考核方式上，产品完整性、稳定性、与预期目标的符合度，设计报告完整性、规范性、数据的科学性是考核的重点，同时，为保证课外学习的效果，课外作业的成绩亦纳入考核中

由于本改革的基础电路实验采用 Multisim仿真、由学生课外时间完成的方式进行，涉及内容多，且分学期进行，因此，本实训的考核方式也必须与新的实训体系相符，使其更合理、公平和可行。

本门课程作为一门独立课程，不再依附于相关的理论课程，总成绩由电路、模拟电路、数字电路三部分组成，三部分课程在每学期评分时均以百分制给出，总评时，电路占总评的20%，模拟电路和数字电路各占40%。

由于本实训均有课内学时和课外学时的存在，因此，三个模块的考核内容均包含课内实训的考核和课外实训的考核。课内实训考核通常是考察学生的到课情况、课堂表现、实训内容的随堂验证等，每一部分均做详细记录，给出相应分值。课外实训考核主要通过学习通移动教学软件，根据课外实训计划，定时通过学习通发布课外作业任务，学生按照时间节点提交任务，并由实训指导老师根据学生提交内容评定成绩，形成相应的积分，此积分作为总评成绩的一部分，学生可随时查看成绩积分情况，以督促学生努力提高积分，激励学生课外学习的积极性。

对于实训中的电路模块的实训，由于电路实训模块是纯仿真实验，因此在成绩评定上主要考察学生实验仿真电路及数据提交的及时性和正确性。此部分全部为课外学习，各次任务成绩由教师在学习通软件中评定，各次成绩累加后，以最高分者为满分，其余同学成绩在积分基础上除以最高分，则获得本模块的百分制分值。

而模拟电路、数字电路涉及内容较多，因此考核方式包含内容更多，通常按照图3方式进行。其中，预习，包括基础电路的课外学习及教师布置的预习作业，包括电路模块的原理及理论分析计算等，需学生按照时间节点完成，通过学习通软件及时提交作业，此部分占20%；电路仿真由学生课堂上完成需要设计的模块的电路仿真，鼓励学生创新，此部分占20%；实物焊接调试重点考察学生的焊接规范、功能完成的情况及解决故障的能力，此部分占20%；提高部分是实训过程中教师给出实训内容外的扩展功能，培养学生自主学习的能力，此部分占10%；设计报告有明确的规范要求，培养学生写作、数据整理、归纳总结的能力，此部分占30%。

本考核方式在我校实际使用中，实训课教师投入了大量的时间，以期对学生每一部分的表现均能给出公平的评价，取得了良好的效果。

图3 考核方式示意图

3 结论

基于CDIO模式的项目教学在基础电类实验中的应用，有效地培养了学生的自主学习能力、信息分析综合能力、创新意识、动手能力，表达能力和团队合作精神。而本实训环节在整个课程体系中属于基础实训，学生的工程理念、学生的基本电路焊接调试能力得到了很好的培养，为学生后续的实训课程的开展奠定了很好的基础，学生在后来的学科比赛中亦取得了不错的成绩。本实训课程的成功实施为CDIO理念应用于其他实训课程提供了思路。