基于CDIO模式的电子制作实验教学探究

张永芳， 张义红， 陈根龙， 邓开连， 沈利芳

（东华大学信息科学与技术学院，上海 201620）

0 引 言

随着社会信息化和经济全球化的不断发展，电子信息技术发展日新月异，新技术不断涌现并迅速渗透到国民经济各个部门。因而社会对教育界提出了更高的要求，不但要求学生拥有扎实的理论知识，而且要有很强的实践应用能力［1-3］及对新知识的探索能力。同时，大数据和人工智能时代的到来，推动了社会对信息类人才的知识结构和素质能力的要求也水涨船高，不仅要求熟练掌握如电路分析、数字电路技术和模拟电路等重要专业基础课程的内容，而且要求将这些课程所学的知识能够灵活应用于实际生活中，并能熟练运用这些知识解决实际生活中所遇到的问题［4-6］。实验课程不仅是联系理论与实践的桥梁和纽带，而且也是理论教学课程的重要补充，更是培养高素质创新型人才过程中不可或缺的实践环节［7-9］。然而传统的电子制作实验课程面临着内容陈旧，模式单一，脱离工程实际和以教师为中心等问题，很难适应当今快速发展的社会趋势［10-11］。为了培养出的信息技术专业人才具有更高的社会竞争力，较强的应用实践能力和创新思维能力，必须实现电子制作实验课程的改革。

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即构思－设计－实现－运作）教育模式是当前国际工程教育最新发展方式，是一种将理论与实践有机联系的工程项目教育模式，旨在培养学生的工程基础知识、个人能力、团队协作能力以及综合创新能力［12-15］。成都信息工程学院、云南大学、清华大学、北京交通大学等高校均将CDIO教学方法运用于教学实践，并取得了良好的教学效果，同时也成为CDIO国际合作组织亚洲区域中心成员［16］。为了满足社会对信息技术专业人才的需求，以及积极推进我校与国际接轨，将“项目制”思路融入电子制作实验教学中，提出了基于CDIO模式的电子制作实验教学方案。在学校激励政策的引导下，探索出一条适应时代发展、符合社会发展需求的新型信息技术专业人才培养模式。

1 电子制作实验课程特点与现状

电子制作实验课程是信息类专业必修的一门基础实践课程，该课程综合性强，教育内容覆盖面大，既要掌握电路分析、模拟电路、数字电路等专业理论知识，又要有很强的动手实践能力，因而在教学过程中既要注重理论知识的学习灌输，又要注重学生的动手实践能力的培养。同时，该课程又具有一定的发展性，由于时代的发展，制作内容也要及时更新从而适应市场的需求。然而大多数同学只会简单地组装现有产品，在完成制作内容后并不知道其中的原理、行业背景、设计过程以及如何将设计的成果转化为实实在在的电子产品，难以拓宽相关的知识面并进行相应的创新实验。

2 基于CDIO模式的电子制作课程体系建设

2.1 电子制作实验课程的改革

针对电子制作实验课程的特点和教学现状，结合国内外先进的CDIO教学模式，从制作内容、教学方式和教学内容等方面对电子制作课程进行改革。在实际教学过程中，把电路分析、模拟电路、数字电路等理论知识与半导体物理知识相融合，设计成新的电子制作项目，使教学内容紧跟科技发展。同时注重培养学生的系统工程能力、自学能力、组织沟通能力及项目的开发和实施能力。

2.2 体现创新人才培养的教学方法及过程考核方式

在教学中改教师为主的“听中学”消极学习模式为学生为主的“做中学”主动学习模式；采用CDIO工程项目教学法，选取难度适中、学生容易完成但包含的知识面较广、可挖掘空间大的实际工程项目（见表1），引导学生积极思考进而努力解决实际问题。同时依据CDIO工程教育理念，也可将拓展的相关学科知识，如半导体异质结（如PN结）制作知识、器件性能检测及测试知识引入课堂；同时根据项目的难易程度，采用递进式的方式，由简单到复杂，由点到线，再由线到面，由单一到综合的方式，将各个知识点渗透到项目中。最后根据学生实际完成情况，采用知识＋能力＋素质的综合过程考核模式。

2.3 光电二极管探测器件项目教学实践

在众多电子产品的构成元件中，二极管是再普通不过的元件了，然而人们常用的多是购买现成的二极管，而且主要运用二极管的正向导通（加正向电压时功能）和其稳压（加反向电压至饱和时的功能）这两个功能，信息类的学生大部分对于二极管的构成及其他功能，比如发光功能（如LED），气敏功能（如气敏探测器）及光电探测功能（如紫外探测器，红外探测器等，即加反向电压但是未饱和时的功能）了解甚少，这里以紫外－可见光光电探测器的设计和制作项目为例，探讨异质PN结加反向电压时的电流特性，及CDIO工程教育模式在电子制作实验教学指导中的应用。

2.3.1 项目总体要求

运用模拟电路中二极管的单向导通，反向截止功能及半导体异质结二极管（PN结）的制作工艺等相关知识设计并制作一个紫外-可见光光电探测器件，利用微小偏压或者不用偏压，仅用光照即可实现其探测功能，即实现该PN结在反向电压下（饱和前）的功能。

2.3.2 项目构思

在项目构思阶段，学生可按照5或6人自由组成一个团队，通过查找资料、选定方案、优化方案、并对拟实现的器件进行基本轮廓性的构建后，进一步确定制作元件的基本模块／元件。如设计所需要的基本材料（如Si片，化学药品等），所需要的基本仪器，如示波器，稳压源、光源、半导体性能测试仪，探针等。在此过程中，学生自主学习，指导老师尽量不加限制或者少干预，只把控正确的大方向，如选择何种材料做异质结，如何制作器件，以及会达到什么样子的性能等进行探讨，而不是直接告诉怎么做或者应该怎么做。

表1 结合CDIO工程教学目标的实践教学项目

2.3.3 项目设计

在教师对学生的方案进行初步论证后，学生便可进行进一步的制作。并利用稳压源、示波器、半导体测试仪等仪器协助，在测试的过程中进一步确定相应测量的最佳参数值，如光源可利用光电开关控制，选择开10 s，关闭10 s，然后再开10 s，再关闭10 s，如此循环往复。偏压可按照从小到大的顺序，缓慢增加。最后指导老师对测试参数选择及样品的安装进行进一步核查，确保所选择的参数正确合理。在此设计过程中，学生的工程设计能力、创新能力和推理能力得到了充分的训练。

2.3.4 项目实施

在项目实施阶段，学生根据自己设计的原理分工合作完成相应的二极管光电器件的设计、制作以及所需药品的采购、组装、调试和测量等工作。图1所示为设计和制作的异质结二极管光电探测器示意图。在此过程中既切实锻炼了学生的设计能力和实际动手能力，又培养了学生的交流与合作能力。

图1 设计和制作的二极管光电探测器示意图

2.3.5 项目运行

在项目运行阶段，学生团队派一个代表将自己团队制作的二极管光电探测器件展示给指导老师和其他同学观赏，并对其功能进行演示。同时学生代表对此项目做汇报总结，针对设计项目的具体指标要求，由指导老师和学生双方作出科学合理的评价。在此阶段，充分锻炼了学生的实践动手能力，团队协作能力、组织协调能力及现场解决问题的能力。图2所示为制作的二极管光电探测器在紫外光（350 nm）和可见光（600 nm）照射下的电流-电压特性图。由图可知，所制得的光电二极管满足二极管的伏安特性。图3所示为制作的光电二极管探测性能。由图可知，在紫外光照射下，该二极管探测器获得的光电流约为65μA／cm2，在可见光600 nm的光照下，获得光电流约为160μA／cm2，因而该探测器对紫外光和可见光具有明显的探测性能。

2.3.6 实验教学实践效果

在项目的整个实践过程中，是以学生为主体、主动学习的过程。通过选定的教学项目，学生组队完成项目的全部过程，包括资料搜集、方案设计及项目完成和展示。因而这种以CDIO模式的综合训练项目不仅锻炼了学生的实际操作能力，拓展了他们所学的理论知识，而且也提高了学生的团队协作能力、解决实际问题能力和综合创新能力。

图2 学生制作的光电二极管电流电压特性

图3 学生制作的光电二极管光电流随时间变化曲线

3 结 语

电子制作实验课程作为衔接理论知识与实际动手能力的重要桥梁，其教学模式和内容至关重要。从学校实际出发，采用CDIO工程教育模式，改革了传统教学的不足，以具体项目为载体，让学生在具体项目完成的过程中将所学的各个知识点融会贯通，灵活运用，不仅拓展了学生的知识面，提高了学生发掘和解决实际工程问题的能力，而且也大大提高了学生的自主学习能力、动手实践能力、团结协作能力以及交流沟通能力。因而，通过这种教学模式或者理念的渗透和贯彻，可以有效提升毕业生的就业竞争力，并实现信息类专业人才培养与企业实际用人需求的无缝对接。