基于CDIO的電子工程訓(xùn)練教學(xué)體系的探索和實(shí)踐

黃雄華

（韶關(guān)學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)大學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力，提出了更高的要求［1］。CDIO工程教育模式是近年來國(guó)際工程教育改革的新成果［2］，它不但繼承和發(fā)展了歐美20多年來工程教育改革的理念，而且系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的12 條標(biāo)準(zhǔn)［3］。

CDIO 代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate），它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體 ,讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO培養(yǎng)大綱將工程畢業(yè)生的能力分為工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、人際團(tuán)隊(duì)能力和工程系統(tǒng)能力四個(gè)層面，大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

信息學(xué)科具有實(shí)踐性強(qiáng)、工程性強(qiáng)的雙強(qiáng)特點(diǎn)?；贑DIO工程教育模式對(duì)學(xué)生開展工程訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)“學(xué)中做”和“做中學(xué)”，貫徹“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”原則［4］，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、系統(tǒng)分析能力，有利于其適應(yīng)現(xiàn)代工程團(tuán)隊(duì)和新產(chǎn)品開發(fā)的需求。

一、電子工程訓(xùn)練現(xiàn)狀

近年來，隨著國(guó)家對(duì)教育經(jīng)費(fèi)投入的增加，教學(xué)設(shè)施不斷得到改善，但是總體上工程教學(xué)水平還不能很好地滿足企業(yè)對(duì)人才的需求，尤其是地方本科院校由于基礎(chǔ)薄弱，經(jīng)費(fèi)不足，設(shè)施并不完備，工程訓(xùn)練體系尚需進(jìn)一步完善。

（一）場(chǎng)地儀器不足，訓(xùn)練體系不全

1977年，全國(guó)高校招生27萬，隨后逐年增加，1998年全國(guó)高校招生108萬人，1999年高校開始擴(kuò)招，當(dāng)年增加54萬，至2016年，高校招生已達(dá)772萬人。期間，國(guó)家在高等教育資金投入數(shù)量方面有了很大的提升，但就目前的現(xiàn)狀和實(shí)際國(guó)情來看這種提升還非常不足，它還遠(yuǎn)不能達(dá)到我國(guó)公民對(duì)于高等教育的需求。高等教育資金投入不足首先會(huì)導(dǎo)致高等教育所需的某些基礎(chǔ)設(shè)施無法完善［5］。尤其是地方本科高校和非重點(diǎn)高校的投入增長(zhǎng)十分緩慢，辦學(xué)場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)不足問題十分明顯?，F(xiàn)代電子工程訓(xùn)練所需的新型儀器設(shè)備短缺，電子工程訓(xùn)練內(nèi)容大多是傳統(tǒng)的手工電路板制作、手工焊接、電子產(chǎn)品的組裝、常規(guī)的性能參數(shù)測(cè)試等等。學(xué)生沒有接受高密度PCB（Printed Circuit Board）板的制作工藝、SMT（surface mounting technology）加工工藝的工程訓(xùn)練過程，缺乏重要的參數(shù)檢測(cè)訓(xùn)練等等，與企業(yè)對(duì)應(yīng)用型人才的需求有較大差距。

設(shè)備不足，尤其是高價(jià)值設(shè)備的缺乏，電子工程訓(xùn)練只能“偷工減料”，不能形成完整的電子工程訓(xùn)練體系，學(xué)生實(shí)踐能力不能得到充分的培養(yǎng)。

（二）思想認(rèn)識(shí)不足，工程意識(shí)不強(qiáng)

受應(yīng)試教育的影響，學(xué)生從中學(xué)升入大學(xué)后，應(yīng)試心理仍然存在，學(xué)生中依然存在重理論，輕實(shí)踐的思想；在教學(xué)體系中，傳統(tǒng)的重視科學(xué)研究的工科人才培養(yǎng)模式依然根深蒂固，傳統(tǒng)的注重科學(xué)知識(shí)傳授的人才培養(yǎng)體制機(jī)制依然保持很強(qiáng)的慣性［6］。這些思想和理念，在電子工程訓(xùn)練中具體表現(xiàn)出重視不夠、投入不多、課時(shí)不足、訓(xùn)練不嚴(yán)等等問題。

（三）訓(xùn)練內(nèi)容趨同，缺乏特色亮點(diǎn)

受多種因素的影響，國(guó)內(nèi)很多普通本科在工程實(shí)訓(xùn)中，其教學(xué)理念、教學(xué)模式、培養(yǎng)目標(biāo)等“同質(zhì)化”傾向明顯，缺乏特色，沒有亮點(diǎn)，工程訓(xùn)練內(nèi)容與理論課程不能很好地銜接，與工程實(shí)踐應(yīng)用也不能很好地結(jié)合，把工程訓(xùn)練當(dāng)作實(shí)驗(yàn)來做，機(jī)械地重復(fù)、驗(yàn)證的多，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的少，閉門造車的多，結(jié)合產(chǎn)業(yè)變革的少。

（四）考核體系機(jī)械，創(chuàng)新激勵(lì)不足

電子信息類專業(yè)應(yīng)用性強(qiáng)，對(duì)動(dòng)手能力要求較高，傳統(tǒng)的工程訓(xùn)練對(duì)學(xué)生的考核方式不外乎操作是否能完成、報(bào)告是否上交、出勤是否完全等等，而忽視了學(xué)生對(duì)工程訓(xùn)練電路功能的理解、分析、優(yōu)化、改進(jìn)、設(shè)計(jì)等等具有創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)過程，缺乏對(duì)學(xué)生深入鉆研的激勵(lì)機(jī)制，不利于培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。

（五）師資隊(duì)伍不足，隊(duì)伍質(zhì)量欠佳

長(zhǎng)期以來，受重理論、輕實(shí)踐傾向的影響，高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員在高校人事體系中是一個(gè)容易被忽視的群體，相對(duì)教學(xué)、科研系列的教師，無論從社會(huì)地位、收入水平、職級(jí)晉升均處于一定的劣勢(shì)［7］，實(shí)驗(yàn)、工程訓(xùn)練崗位招人難、用人難、留人難的現(xiàn)象一直存在。優(yōu)秀的人才從事實(shí)驗(yàn)、工程訓(xùn)練工作的意愿較低，優(yōu)秀的人才招不到，招到的優(yōu)秀人才受到地位不高、待遇偏低、工作雜碎、個(gè)人發(fā)展空間有限的影響，也留不住，能堅(jiān)守在實(shí)驗(yàn)和工程訓(xùn)練工作崗位的人才不多，直接導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)、工程訓(xùn)練師資隊(duì)伍數(shù)量不足，質(zhì)量欠佳的問題。

二、電子工程訓(xùn)練教學(xué)體系設(shè)計(jì)

建立科學(xué)合理、符合現(xiàn)代電子工程訓(xùn)練要求的電子工程訓(xùn)練教學(xué)體系，對(duì)培養(yǎng)新一代工程科技人才，深化工程教育改革，加強(qiáng)大學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)具有重要意義［8］。韶關(guān)學(xué)院是一所地處粵北山區(qū)的地方本科院校，上述電子工程訓(xùn)練中的問題基本都存在，在省市共建的大好環(huán)境下，精心設(shè)計(jì)教學(xué)體系，是提高辦學(xué)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要途徑。

（一）設(shè)計(jì)原則

第一，流程完整原則。為加強(qiáng)工程訓(xùn)練，使學(xué)生接受較為全面的電子工藝流程訓(xùn)練，需要從電子產(chǎn)品的電路圖設(shè)計(jì)、加工制作、性能測(cè)試整個(gè)流程進(jìn)行規(guī)劃。相比僅有手工制作的電子工程訓(xùn)練，需要增加PCB板的阻焊層、字符層的制作過程，在電壓、電流、波形等參數(shù)測(cè)試的基礎(chǔ)上，增加頻譜分析、失真度分析等參數(shù)的測(cè)試，完善工藝流程的訓(xùn)練。完整的流程設(shè)計(jì)，為CDIO四階段的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

第二，工藝先進(jìn)原則。傳統(tǒng)的電子工程訓(xùn)練，一般只進(jìn)行手工焊接練習(xí)，為了與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐工藝接軌，訓(xùn)練中需要引入貼片元件的組裝，相應(yīng)地要增加貼片機(jī)、錫膏機(jī)、回流焊等新工藝的訓(xùn)練；傳統(tǒng)的電子工程訓(xùn)練，一般通過手工的方法制作PCB的電路層，為使學(xué)生了解PCB板制作的客觀真實(shí)工藝，引入PCB板化學(xué)蝕刻電路板的流水線，可以完成電路層、阻焊層、字符層的制作工藝過程，以便滿足CDIO的設(shè)計(jì)——實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

第三，功能齊全原則。工程訓(xùn)練室在規(guī)劃過程中，本著投入產(chǎn)出比最大化的原則，設(shè)計(jì)的電子工程訓(xùn)練室，在完成電子工程訓(xùn)練教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)具備對(duì)外培訓(xùn)、科學(xué)研究、小批量生產(chǎn)的能力。因此，在測(cè)試室除常規(guī)測(cè)試儀器如100 M示波器、萬用表、毫伏表等等外，還需配置少量的高頻示波器（1G Hz）、高頻毫伏表、數(shù)字掃描儀、數(shù)字頻譜儀、失真度測(cè)試儀等精密儀器；在PCB打樣室配置激光雕刻機(jī)；在電路板制作室配備手動(dòng)精密貼片臺(tái)，為科學(xué)研究工作的開展提供必要的條件。

（二）場(chǎng)地規(guī)劃

按CDIO標(biāo)準(zhǔn)，工程實(shí)踐場(chǎng)所的要求，學(xué)生有較多的機(jī)會(huì)在現(xiàn)代工程軟件和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)發(fā)展其從事產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)建構(gòu)的能力，實(shí)踐場(chǎng)所以學(xué)生為中心、方便、易進(jìn)入并易于交流。需要規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)房、電路板制作室、PCB打樣室、手工焊接室、貼片室、測(cè)試室六個(gè)電子工程訓(xùn)練室。

（1）設(shè)計(jì)機(jī)房。機(jī)器上安裝了專業(yè)的電子設(shè)計(jì)軟件Altium Designer，用于完成工程訓(xùn)練中電子產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)，包括電路圖的繪制、仿真，PCB圖形的生成和設(shè)計(jì)，以及后續(xù)電路板加工、制作文件的生成，是CDIO的設(shè)計(jì)階段。

（2）電路板制作室。電路板制作室有化學(xué)蝕刻流水線一條、菲林紙打印機(jī)、刮油墨機(jī)、曝光機(jī)等輔助設(shè)備，用于制作PCB板，是CDIO的實(shí)現(xiàn)階段。

（3）PCB打樣室。有激光雕刻機(jī)，專門用于小批量的PCB快速制作,方便科研和產(chǎn)品樣品PCB的制作。

（4）手工焊接室。主要用于 THT（through-hole technology）元件焊接的練習(xí)，兼顧SMT元件的手工焊接。在自動(dòng)焊接技術(shù)高度發(fā)展的今天，手工焊接還是電子信息類專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能，在研發(fā)初期、實(shí)驗(yàn)品試制、測(cè)試維修及售后服務(wù)等過程中，都需要具備手工焊接的基本技能。因此，手工焊接是重要的、基本的工程訓(xùn)練內(nèi)容，也是CDIO的實(shí)現(xiàn)階段。

（5）貼片室。貼片室主要用于貼片元件的安裝，屬于CDIO的實(shí)現(xiàn)階段，整個(gè)過程包括上錫膏、貼片、回流焊接三個(gè)核心步驟，因此對(duì)應(yīng)的設(shè)備主要有錫膏機(jī)、貼片機(jī)、回流焊機(jī)以及相應(yīng)的輔助設(shè)備。

（6）測(cè)試室。為驗(yàn)證電子產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，在測(cè)試室對(duì)其進(jìn)行系列的性能參數(shù)測(cè)試，這是產(chǎn)品包裝入庫進(jìn)入市場(chǎng)的質(zhì)量檢測(cè)過程，對(duì)參數(shù)不合要求的作品，要分析、查找原因，進(jìn)行設(shè)計(jì)的改進(jìn)或者廢棄處理，屬于CDIO操作階段的內(nèi)容。

（三）內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)電子工程訓(xùn)練的教學(xué)大綱和CDIO工程教育的理念，訓(xùn)練內(nèi)容要使學(xué)生根據(jù)需求，設(shè)立系統(tǒng)的目標(biāo)和要求，構(gòu)思系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)；掌握產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)；熟悉產(chǎn)品的加工過程；了解產(chǎn)品的運(yùn)作流程。

（1）手工焊接練習(xí)?？紤]到手工焊接的專業(yè)技能基礎(chǔ)屬性，這是所有參與電子工程訓(xùn)練學(xué)生必須完成的內(nèi)容。手工焊接不僅要練習(xí)THT元器件的焊接，還要練習(xí)SMT元器件的焊接，集成芯片的焊接。

（2）電子元器件的識(shí)別、使用訓(xùn)練和常用儀器的使用訓(xùn)練。

（3）收音機(jī)的組裝。通過選擇合適的電子工程訓(xùn)練用AM收音機(jī)型號(hào)，把SMT貼片焊接，集成塊的焊接融合在組裝過程中，訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)SMT工藝技術(shù)。對(duì)電子、通信等專業(yè)的學(xué)生，增加學(xué)生自行繪制原理圖（電路圖），并作改進(jìn)、優(yōu)化，然后制作PCB板內(nèi)容，替換現(xiàn)有PCB板，再組裝好收音機(jī)。

（4）收音機(jī)參數(shù)的測(cè)試。測(cè)試組裝好的收音機(jī)的信號(hào)失真度、頻譜、電壓、波形等參數(shù)。

上述四個(gè)訓(xùn)練內(nèi)容，基本上建立了CDIO的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)作四個(gè)過程的完整流程。

（四）過程管理

基于CDIO，學(xué)生考核是其12大標(biāo)準(zhǔn)之一，考核如何度量和記錄，是重要的環(huán)節(jié)。

通過分組的方法，在不同的工程訓(xùn)練室，交替開展訓(xùn)練，可以達(dá)到有效利用場(chǎng)地的目的；通過對(duì)每個(gè)訓(xùn)練步驟進(jìn)行考核，確立ABCDE五個(gè)等級(jí)，低于C等級(jí)的步驟要重做，以保證訓(xùn)練效果；獲得全A等級(jí)的學(xué)生，其組裝的收音機(jī)作為獎(jiǎng)品獎(jiǎng)勵(lì)給他們，借以激發(fā)學(xué)生的熱情。其他學(xué)生的作品收回供后續(xù)同學(xué)作為拆卸練習(xí)使用。

（五）隊(duì)伍建設(shè)

教師個(gè)人基本能力提升也是CDIO標(biāo)準(zhǔn)之一，應(yīng)該得到支持和鼓勵(lì)。相對(duì)于傳統(tǒng)電子工程訓(xùn)練，設(shè)計(jì)的電子工程訓(xùn)練中增加了SMT內(nèi)容和流水線PCB板的制作內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容增加了，工作量增大了，技術(shù)難度提高了，同時(shí)需要熟練使用電路設(shè)計(jì)仿真軟件 Altium Designer及 Create-DCM、CAM350等多種其它的專業(yè)制板輔助軟件，對(duì)工程訓(xùn)練教師的知識(shí)和技能要求大幅地提高了，補(bǔ)充新的工程訓(xùn)練師資的同時(shí)，對(duì)原有師資開展相關(guān)內(nèi)容的培訓(xùn)，也是電子工程訓(xùn)練教學(xué)正常展開所必要的。另外，由于技能要求高，傳統(tǒng)的師資培訓(xùn)也非一日之功，實(shí)行幫傳帶，師傅帶徒弟的模式，現(xiàn)場(chǎng)跟學(xué)的形式，也是重要的師資培養(yǎng)途徑。

三、結(jié)語

電子工程訓(xùn)練作為電子信息類專業(yè)的重要實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，其體系的建立是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要根據(jù)具體的辦學(xué)定位、教學(xué)大綱、資源條件來設(shè)計(jì)，也是一個(gè)不斷改進(jìn)和完善的過程。韶關(guān)學(xué)院的電子工程訓(xùn)練教學(xué)體系借鑒了多家兄弟院校的經(jīng)驗(yàn)，并充分考慮了本校的教學(xué)實(shí)際，按照CDIO工程訓(xùn)練理念，經(jīng)過反復(fù)論證，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)完善而成，經(jīng)過該體系的訓(xùn)練，學(xué)生能較好地掌握電子產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作過程，有效提高了電子工程訓(xùn)練效果，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量。