“双一流”背景下实训课程CDIO教学模式研究

黄曌 王盟盟 梁建华 石伟 贺正芸

摘  要：针对“双一流”建设背景下的人才培养目标，文章提出CDIO教学模式，促进实践类专业课程教学改革。依托项目式教学，紧密衔接学生构思、设计、实施、运作能力的培养目标贯穿课前准备、课堂授课与课后反馈三个教学环节，并以本年度电子系统设计综合实训课程为案例完成实践研究。结果显示，相比传统课堂教学，CDIO教学模式更能突出学生的主体地位，更有利于调动学生的自主性和创新性思维，对提升教学效果及学生工程应用能力等方面均有较大的推进作用。

关键词：双一流;CDIO教学模式;电子系统设计综合实训;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）20-0046-04

Abstract： According to the objective of talents training under the background of "Double First-Class" university project， a novel CDIO teaching mode is put forward in this paper， to promote the teaching reform of practical courses. Relying on project-based teaching， the training objectives of conceiving， designing， implementing and operating are closely connected and run through the teaching process， which involves three stages： preparation before class， classroom teaching and feedback after class. The comprehensive training course of Electronic System Design is taken as a case to complete the practical research of the proposed CDIO teaching mode. The results show that compared with traditional teaching mode， CDIO teaching mode highlights the dominant position of students， which is more facilitated to motivate their autonomous and innovative thinking， and it may play a great role in improving the teaching effects and engineering application abilities of the students.

Keywords： Double First-Class; CDIO teaching mode; comprehensive training of Electronic System Design; teaching reform

2018年，在教育部提出的“雙一流”建设背景下，以学科为基础，以创新型人才培养为核心成为高校教育的中心任务[1]。实践类课程作为培养学生工程实践能力与综合能力的必选之道，是教学体系中必不可少的重要环节，将工程理念和创新思维培养深度融入实践教学中，则是“双一流”建设背景下高校人才培养的基本要求，也是提高学生创新能力的有效途径[2-4]。本院开设的电子系统设计综合实训是一门面向全院所有专业的集中性实践课程，在大二下学期末进行，旨在让学生通过整体项目的软硬件设计、制板焊接、电路调试、故障排查、性能测试、项目验收等教学活动，巩固实操技能，规范、系统地培养自身学习能力、分析能力、创新能力和运用理论知识解决实际问题的工程实践能力。

为推进“双一流”学科建设步伐，本课程团队对所承担的电子系统设计综合实训课程在教学内容和体系建设等方面进行优化和改进，结合创新人才培养目标，将先进的CDIO理念 （Conceive，构思;Design，设计;Implement，实施;Operate，运作）引入教学方案设计[5-8]，强调以教师引导为辅，学生自主实践为主的教学模式，并应用于2021学年实训课程中，作为“双一流”建设背景下的实践类课程建设及教学模式改革初探。

一、传统综合实训教学中存在的问题

（一）教学模式过于单一

由教师承担主体角色，以教师传授知识为重心，忽视了学生的自主能动性和学习积极性，知识教育未充分向素质教育转变，实训内容无法与创新能力培养紧密联合。教学内容安排详实，但效果一般。

（二）学生工程实践能力缺乏有效锻炼

学生对教学目标没有建立正确认知，对实训课重视程度不够，自主学习意识薄弱，主体角色淡化，典型表现有：实训课程中机械性地完成焊接等工作，对电路工作原理、设计理念理解不足;焊接、调试过程中遇到任何问题，第一反应不是通过独立思考分析问题、解决问题，而是依赖指导教师帮忙处理。长此以往，学生的实践动手能力和实际解决问题的能力得不到有效提升。

（三）实训内容安排不合理

实训教学通常是要求学生在规定的时间内完成某个模块化项目，学生跟着教师的节奏学习，仅在现成的电路板上进行成套器件的组装、焊接、调试，实现预期功能。据此流程，学生跳过了电路设计的步骤，不知其所以然，而电路设计理念的建立往往是创新思维的基础。此外，一些实训项目过于陈旧，或者无法与前导课程知识紧密衔接，实用价值不高。

（四）考核机制不够全面精准

沿用的实训考核机制过于简单粗略，对过程化的考核指标不够精细，学生实操能力的体现不明显，对学生自主创新意识的培养没有起到驱动作用。有学生借助教师、同学的帮助完成了实训，但是未形成正确的学习动机，对软硬件的设计过程依旧很模糊，而且存在实习报告抄袭现象严重的问题。

二、CDIO教学模式的构建与实施

为紧密衔接“双一流”建设的人才培养理念，课程团队提出电子系统设计综合实训的教学目标。

目标1：能根据要求进行小型电子系统设计，确定实验和调试方案;能根据实验结果得到合理有效的结论，并进行系统设计优化和改进。

目标2：能使用现代工程方法完成小型电子系统的硬件、软件设计，能合理选择电子设计软件。

目标3：能将设计方案、硬件设计、软件设计、实验数据、调试过程及验收结果等以设计报告的方式进行归纳总结，并能清晰表达个人观点和结论。

在持续几年的学情分析调查及课程改革基础上，课程团队逐步形成了配套的教学方案设计，从2021年春季学期开始采用以学生自主和创新思维培养为核心，任务具体化、指导个性化、考核过程化的CDIO教学模式，以具体的工程项目作为载体，对其进行设计与施工，有效衔接课前准备、课堂授课、课后反馈三个阶段，督促学生掌握专业实践技能，具体的CDIO教学模式设计构架如图1所示。

（一）课前准备

课程团队充分考虑新技术新工艺的发展，及目前的应用需求，择优筛选出以下五个具有先进性、实践性、工程应用性的项目组成实训题库：（1）数控电压源;（2）数控电流源;（3）信号发生器;（4）频率计;（5）工频电压电流表。实训一共开设72课时，学生1人/组，通过教师的适度指导，在已学前导课程模拟电子技术、微机原理与应用基础上，于规定时间内确定项目的系统设计方案，完成电子系统的软硬件电路设计，最终实现联调及功能测试。

教师在开展教学之前，首先线上发布教学目标和教学安排，布置课前教学任务，完成指导书及软、硬件教学资料上传。鼓励学生构思设计方案，充分发散创新思维，自主形成小组进行交流合作，集思广益确定最佳方案，并通过proteus软件仿真建模进行初步功能验证，从而引导学生“个性式、自主式、讨论式”完成课前预习任务。此外，学生借助课外资源，进行Altium Designer、Keil等软件的操作学习。

（二）课堂授课

利用超星学习通、雨课堂等平台进行线上考勤，针对学生在课前反馈的问题进行针对性解惑，教师敲定最终的项目方案，并引导学生在掌握项目电路工作原理的基础上，自主完成各子模块的具体设计。学生需充分了解电解电容、电阻、电位器等电路元器件，以及整流桥KBP206、集成运放OP07、三端稳压LM317等芯片的选型原则和各模块电路设计，如整流滤波电路、电流/电压采样电路、输出闭环调节电路等，绘制完成原理图，并在确定器件、芯片封装后完成PCB图纸。教师在学生的电路设计过程中予以耐心指导，鼓励学生之间加强交流沟通，敢于发表自己的设计思路和想法，不断提高自身独立分析问题和解决问题的能力，培养良好的创新意识。

指导教师督促学生独立完成自己的电路原理图和PCB图绘制，以及实际电路板制备、元器件的焊接和硬件电路的调试。采用多媒体视频、实际演示等方式，让学生充分了解电路板的制备工艺流程和插件、焊接的相关技术要求，外接变压器和负载后，确保电路安全上电工作，如图2所示。引导学生独立分析、处理电路出现的各种故障问题，能严格按照各子模块电路的功能进行调试和排查。

在完成硬件电路的制备及粗调基础上，学生需紧密衔接前导课程中所学的STM32编程知识，领取如图3所示单片机开发板及OLED显示屏，基于Keil软件完成代码编写，实现以下子功能模块：（1）给定量D/A转换子程序;（2）输出量采样A/D转换子程序;（3）OLED显示屏子程序。开发板芯片为STM32F103，学生根据芯片数据手册及已有例程，进行代码修改及调试。最终，将开发板和电源板的通讯线、地线相连，实现软硬件电路的联调，并同步记录OLED顯示数据及万用表实测数据，判断误差范围是否在预设范围内，验证设计方案的正确性。

学院充分整合实验室资源，提供元器件、PCB板、万用表、示波器、直流稳压电源、兆欧表、信号发生器等各类所需设备，为学生创造良好的实验环境和硬件条件。为保证学生有充足的时间和设备完成实训，学院为学生提供开放的实验条件，允许学生通过预约方式在非上课时段进入实验室进行实训项目设计和制作，从而为学生在创新研究和自主思考方面的培养提供了极大的优势。

为了培养学生的整体运作能力和独立性，课程团队在实训中新增了汇报答辩环节。验收完成后，指导教师组织学生进行项目的成果展示及汇报答辩工作。每位同学都作为汇报人参与到项目成果演示过程，汇报项目的方案设计思路、工艺技术、电路工作原理、调试过程中出现的问题及解决方法等，并对指导教师的问题进行解答。展示及汇报时间为10～15 min/人，一方面督促学生复习巩固实训中掌握到的知识和技能，了解项目实施流程;一方面鼓励学生发表自己的设计理念和想法，并锻炼口头表述能力，促进自身全面发展。

（三）课后反馈

学生在课后也可与教师互动交流，反馈问题，教师通过QQ、微信、超星等及时完成线上答疑。为保证教学效果，督促学生及时实现所学知识的内化和迁移，实训课程结束后，学生需完成课程设计报告，详细记录实训过程中的方案设计、软硬件制作调试、测试结果及心得体会等，并在一周内提交。课程团队采用了多元考核机制，对学生的综合能力进行考察，针对学生的实训过程提出量化性指标，从而督促学生主动完成每一项任务，改善教学实施效果。教师汇集线上平台提供的考勤数据，及线下各项测评成绩 （系统方案设计及器件选型、原理图设计、PCB设计、硬件电路制作调试、软件调试、系统联调、成果验收、汇报答辩、课程设计报告等），对学生实验过程中所展现的工程实践能力、创新能力、知识运用能力和解决问题能力进行全面评估。

实训课程结束后，指导教师发布问卷进行教学效果调查，全方位掌握学生学习情况及需求，为及时改良调整教学模式提供重要依据和正确导向。

三、CDIO教学模式实施效果

CDIO教学模式在电子系统设计综合实训课程中实施后，发现学生的学习积极性明显提高，绝大部分学生能够按要求进行课前预习，积极构思系统设计方案，且课堂氛围活跃，学生讨论交流与动手实践的积极性高，逐步建立了主动学习、重视过程的意识。本年度学生综合考核测评结果如图4所示，目标1-3达成情况较平均，整体良好，教学效果相比以往传统教学模式有显著提升，证明学生在设计、分析电子系统，独立解决实际工程问题的能力方面存在较大改善，CDIO教学模式取得了初步成功。

为了全面了解学生对CDIO教学模式的评价，课程团队对全体学生进行了问卷调查，结果显示，学生对教学模式及过程化考核机制予以了充分支持和肯定。此外，教学团队也调查了教学过程中学生存在的困难情况，以便深入了解学生需求，见表1。

由表1可知，38.24%的学生认为自己的实训过程开展比较顺利，证明在CDIO教学模式下，基于教师的适当引导，很多学生都能克服学习过程中的阻碍，顺利达到教学目标。最普遍的困难存在于：35.29%的学生认为自己能听懂课程，但在独立完成软硬件电路设计方面还存在困难，对比往年该选项的学生比例（>60%），学生应用创新能力的平均水平已有明显提升。电子系统设计综合实训是学生在大学期间接触的第一门集中性实践课程，其独立性和创新性思维得到初步培养，但部分同学可能因前导课程不到位而在方案设计构思、软硬件制作中面临困境，这需在后续课程中循序渐进地积累和强化。

四、结束语

“双一流”学科建设背景下，学生自主实践能力和科研创新思维的综合培养成为首要目标，实践类课程作为培养学生工程应用能力的重要渠道，是学院对高素质人才培养环节的关键构成因素。经探究，教学团队颠覆传统的课堂授课模式，将先进的CDIO理念引入到教学设计，并在2021年度电子系统设计综合实训课程中得到良好的改革成效，其充分利用项目式教学转变学习主体，引导学生在过程中提升构思、设计、实施、运作综合能力，不仅有利于调动学生自主能动性，也督促教师提升自身教学水平。实施效果证明，该模式在培养学生工程应用、自主学习、科研创新能力方面起到重要推进作用，适用于创新性人才的培养方式，对学院开设的实践类课程发展建设提供一定指导意义。

参考文献：

[1]郭秀梅，王成义，张萍.“双一流”战略背景下电子信息类课程体系群建设初探[J].高教学刊，2018（12）：21-23.

[2]方璐，陳浩文，万敏，等.“赛训融合、协同创新”构建电工电子实训教学新模式[J].实验室科学，2020（2）：168-171.

[3]刘美华，屈喜龙，刘伟成.依托电工电子实训开展大学生创新性实验计划[J].实验研究与探索，2016（1）：209-211+266.

[4]支双双，金大海，师卓.基于“学习产出”的“电子实训”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2019（2）：130-134.

[5]宋殿义，苟亚军，龚佑兴，等.基于CDIO理念的“研究型课程+创新性计划”模式构建与实践[J].高教学刊，2020（3）：34-37.

[6]孟艳艳，贾长洪，刘萌.新工科背景下基于CDIO工程教育理念的应用型本科院校人才培养研究[J].高教学刊，2021（3）：152-155.

[7]魏海蕊.基于CDIO教育模式的工业工程专业实验教学改革探索[J].高教学刊，2019（19）：130-132.

[8]胡克用，郑江楷，张慧熙，等.基于CDIO教育理念的创新型复合人才培养模式研究[J].高教学刊，2020（1）：39-41.