基于CDIO教育理念的數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革及探索

王懷平 鄧文娟 馮林 管小明

摘? 要 數(shù)字電子技術(shù)是電子信息類專業(yè)一門重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，具有很強的實踐性。該課程的傳統(tǒng)教學(xué)存在“重理論、輕實踐”的現(xiàn)象，其實驗教學(xué)往往作為理論教學(xué)的附屬，難以滿足當(dāng)前工程教育的課程教學(xué)要求。面向當(dāng)前我國高等工程教育深化改革的時代背景，引入CDIO教育理念，按照“整體布局、興趣驅(qū)動、項目導(dǎo)向、分層遞進”的基本思路，對該課程的實驗教學(xué)進行改革及探索，在深入分析CDIO標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建滿足課程實驗教學(xué)需要的“一體化、多層次”實驗教學(xué)體系;整合并優(yōu)化實驗室的資源配置，做好實驗室平臺建設(shè);另外，對實驗室的師資隊伍建設(shè)與實驗教學(xué)的考核方法進行有益探索。

關(guān)鍵詞 數(shù)字電子技術(shù);實驗教學(xué);工程教育;CDIO;實驗室;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）02-0122-04

Experimental Teaching Reform and Exploration of Digital Elec-tronic Technology based on CDIO Education Concept//WANG Huaiping， DENG Wenjuan， FENG Lin， GUAN Xiaoming

Abstract Digital electronic technology is a significant technologic fundamental course for electronic information majors， which has strong practicality. The traditional teaching of this course has the phenomenon of “emphasizing theory and neglecting practice”. The experimental teaching is often regarded as the subsidiary of the theo-retical teaching， which is difficult to meet the current teaching require-ments of engineering education. Facing the background of deepe-ning the reform of Higher Engineering Education in our country， this paper introduces the concept of CDIO education， and according to the basic idea of “overall layout， interest driven， project oriented， hierarchical and progressive”， carries out the reform and exploration of the experimental teaching of this course. On the basis of in-depth?analysis of CDIO standards， it constructs the “integrated， multi-level”experimental teaching that meets the needs of the experimental tea-ching of the course. In addition， it also explores the construction of teaching staff and the evaluation standard of experimental teaching.

Key words digital electronic technology; experimental teaching; engineering education; CDIO; lab; teaching reform

1 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，“數(shù)字化”驅(qū)動“信息化”和“智能化”，在社會的科研、生產(chǎn)等各個行業(yè)中，數(shù)字電子技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電子技術(shù)課程是當(dāng)前電子信息類專業(yè)的重要專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課程之一，是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的入門課程，具有很強的實踐性，因此，實驗教學(xué)是該課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。然而，該課程傳統(tǒng)教學(xué)存在“重理論、輕實踐”的現(xiàn)象，實驗教學(xué)往往作為理論教學(xué)的附屬，導(dǎo)致出現(xiàn)課程建設(shè)相對落后、教學(xué)內(nèi)容更新緩慢、實驗教學(xué)與實際工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)等問題[1]。

工程人才短缺和工程教育質(zhì)量問題，是全世界面臨的共同問題。對如何有效推進工程教育改革，歐美國家展開了一系列的探索與研究，其中以美國麻省理工學(xué)院（MIT）為首的世界幾十所大學(xué)進行的CDIO工程教育模式改革，取得顯著的效果，深受學(xué)生歡迎，獲得產(chǎn)業(yè)界的高度評價。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）四個英文單詞的縮寫，以工程項目（包括產(chǎn)品、生產(chǎn)流程和系統(tǒng)）從研發(fā)到運行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程[2]。CDIO繼承和發(fā)展了歐美多年來工程教育大改革的理念，并提出系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實施指導(dǎo)、完整的實施過程和嚴(yán)格的結(jié)果檢驗等12條標(biāo)準(zhǔn)，具有很強的可操作性。

面向當(dāng)前我國正在實施的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”和“工程教育專業(yè)認證標(biāo)準(zhǔn)”時代背景，以電子信息類專業(yè)工程實踐應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，以數(shù)字電子技術(shù)課程實驗教學(xué)改革為突破口，引入CDIO教育理念，按照“整體布局、興趣驅(qū)動、項目導(dǎo)向、分層遞進”的基本思路，對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)進行改革和探索，并取得顯著成效。

2 數(shù)字電子技術(shù)傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的主要問題

在傳統(tǒng)教學(xué)中，數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)往往作為理論課程的附屬，教學(xué)內(nèi)容單一、陳舊，實驗手段落后，實驗學(xué)時偏少，存在的主要問題有[3-5]：

1）實驗教學(xué)內(nèi)容與實際工程應(yīng)用明顯脫節(jié)，實驗所用電子元器件仍以中小規(guī)模數(shù)字集成芯片（SSI/MSI）為主;

2）由于政策導(dǎo)向原因，地方高等院校存在“重科研、輕教學(xué)”的實際傾向，導(dǎo)致實驗室教師隊伍結(jié)構(gòu)欠合理，有工程實踐經(jīng)歷的“雙師型”實驗教師偏少，嚴(yán)重影響實驗室建設(shè)和實驗教學(xué)質(zhì)量;

3）實驗經(jīng)費欠缺、實驗儀器設(shè)備老舊等問題，給實驗室的正常運行、管理和維護帶來許多困難;

4）地方高等院校實驗室信息化管理相對落后，影響了實驗室的開放程度，不利于學(xué)生自主性、個性化學(xué)習(xí);

5）考核方式過于簡單，難以全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)效果，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 CDIO教育理念在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用

CDIO強調(diào)在真實的工程教育實踐環(huán)境中培養(yǎng)工程師的基本能力，并試圖創(chuàng)造真實的工程教育環(huán)境，使學(xué)生理解職業(yè)工程師所做的工作和所需的能力要求，通過改革課程體系、教學(xué)方法、教師實踐教學(xué)能力，讓學(xué)生以主動的、實踐的、多學(xué)科之間有機聯(lián)系的方式掌握深厚的技術(shù)基礎(chǔ)知識，理解研究和技術(shù)發(fā)展對社會的重要性和戰(zhàn)略影響，培養(yǎng)所需的知識、能力和態(tài)度[6]。CDIO是“做中學(xué)”的一種模式，它繼承和發(fā)展了歐美多年來工程教育改革的理念，并提出系統(tǒng)的能力培養(yǎng)、全面的實施指導(dǎo)、完整的實施過程和嚴(yán)格的結(jié)果檢驗等12條標(biāo)準(zhǔn)（如表1所示），具有很強的操作性。

課程是人才培養(yǎng)計劃得以實施的最基本的功能單元，對學(xué)生獲取知識、培養(yǎng)能力和提升素質(zhì)起直接作用。引入CDIO教育理念，遵循“興趣驅(qū)動、項目導(dǎo)向、虛實結(jié)合、分層遞進”的基本思路，對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)進行改革，將直接促進數(shù)字電子技術(shù)的課程建設(shè)，著力提升實驗教師工程實踐能力，有效培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計—實現(xiàn)經(jīng)驗與創(chuàng)新意識。其具體教學(xué)改革措施如下。

引入CDIO教育理念，構(gòu)建“一體化、多層次”課程實驗教學(xué)體系? 鑒于傳統(tǒng)數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)存在諸多問題，難以滿足當(dāng)前工程教育的課程教學(xué)要求，根據(jù)我國高校正在實施的“卓越工程師培養(yǎng)計劃”和電子信息類工程教育專業(yè)評估標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)字電子技術(shù)課程教學(xué)進行系統(tǒng)的、深層次的思考，按照工程教育專業(yè)評估標(biāo)準(zhǔn)中課程達成度的要求，重新制定課程的教學(xué)大綱，將實驗單獨設(shè)課，合理增加實驗教學(xué)學(xué)時，構(gòu)建一體化、多層次的數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)體系（如圖1所示）。

其中基礎(chǔ)原理型實驗，內(nèi)容主要包括常用實驗儀器設(shè)備的使用和中小規(guī)模數(shù)字集成芯片（SSI/MSI）的應(yīng)用，驗證理論課程中數(shù)字電路分析和綜合方法，強化理論知識的理解和實驗基本操作。其目的是著重培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能，使學(xué)生初步掌握科學(xué)實驗的基本方法和設(shè)計思想，要求所有學(xué)生在指導(dǎo)教師的幫助下能夠獨立完成實驗項目的任務(wù)要求。

綜合應(yīng)用型實驗，內(nèi)容側(cè)重數(shù)字電路基本知識和基本理論的綜合應(yīng)用，實驗項目經(jīng)過精心挑選或悉心設(shè)計，要求學(xué)生在給定的實驗條件下（主要是實驗儀器設(shè)備、集成芯片等）完成實驗的任務(wù)要求，目的是培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和對知識的綜合應(yīng)用能力。

創(chuàng)新設(shè)計型實驗，實驗項目的選題力求實用性、趣味性和多樣性，要求學(xué)生對實驗項目進行需求分析，查閱文獻資料，擬定實驗方案，在電腦上完成實驗電路仿真，自行購買電子元器件，最終實現(xiàn)實驗項目的任務(wù)要求，目的是更加系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

整合并優(yōu)化資源配置，搞好實驗教學(xué)的平臺建設(shè)? 實驗條件是保障課程實驗的教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生實驗技能的有力支柱。長期以來，地方高校的實驗室在建設(shè)和管理上存在資源分散、配置不合理等現(xiàn)象，課程的實驗室往往依托相關(guān)系部或院系實驗教學(xué)中心，實驗室小而全，對實驗室的建設(shè)缺乏長遠規(guī)劃，造成實驗室的人、財、物得不到有效利用。為了徹底改變這種不利局面，東華理工大學(xué)自2007年起成立電工電子實驗教學(xué)中心，對電工電子類實驗教學(xué)平臺進行系統(tǒng)的、全面的規(guī)劃，整合并優(yōu)化了實驗資源配置。電工電子實驗教學(xué)平臺主要由電工電子類課程實驗室、實驗室信息管理系統(tǒng)、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新基地三個部分組成（如圖2所示）。對數(shù)字電子技術(shù)實驗室進行改建，配置新型數(shù)字電路實驗箱、萬用表、信號發(fā)生器和示波器72（臺）套，2018年再次增添計算機和FPGA實驗箱70（臺）套，極大地改善了實驗條件。加強實驗室的信息化管理，利用校園網(wǎng)實現(xiàn)實驗室的限時開放預(yù)約，提高實驗設(shè)備的利用率，增強學(xué)生實驗的積極性。

采取多種激勵措施，不斷提升實驗教師的業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)? 實驗教師是根據(jù)課程的教學(xué)大綱有效地組織并開展實驗教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)實驗方法的根本保證，毫不夸張地說，實驗教師的教學(xué)能力與課堂施教水平直接決定著實驗課程的教學(xué)效果，最終反映在學(xué)生學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)和綜合素質(zhì)的提高方面。長期以來，地方高等院校的實驗教師隊伍存在人員不足、整體業(yè)務(wù)能力和管理水平欠缺等情況。近年來，電工電子實驗教學(xué)中心采取多種激勵措施，引導(dǎo)實驗教師不斷提升業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)，主要采用以下方法：

1）鼓勵實驗教師通過鉆研，努力提升學(xué)歷，增強專業(yè)素質(zhì);

2）充分利用教育部實施開展的校企合作“產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新”項目，加強實驗教師的工程實踐技能培訓(xùn)，通過企業(yè)

提供的工程項目不斷提高實驗教師的CDIO工程實踐能力;

3）積極組織參加各級大學(xué)生電子設(shè)計競賽，及時總結(jié)參賽經(jīng)驗，培養(yǎng)實驗教師分析問題、解決問題的能力。

注重過程，量化結(jié)果，完善數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的考核方法? 實驗課程的考核方法是能否有效達成實驗教學(xué)目標(biāo)的“指揮棒”。數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的傳統(tǒng)考核方法，主要是由課堂考勤（20%）+實驗操作（50%）+實驗報告（30%）組成，這樣的考核形式在實際操作上比較方便，但存在考核指標(biāo)不夠細，難以量化學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實際操作能力，造成部分學(xué)生在實驗時偷懶，難以滿足工程教育認證標(biāo)準(zhǔn)的要求等問題。

為更加有效地評價學(xué)習(xí)效果和CDIO能力，在數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)實施過程中應(yīng)注重實驗教學(xué)各個環(huán)節(jié)的過程考核，并給出量化的評分標(biāo)準(zhǔn)。CDIO教育理念注重的是能力本位的培養(yǎng)模式，本質(zhì)上有別于知識本位的培養(yǎng)模式，其重點在于幫助學(xué)生獲得產(chǎn)業(yè)界所需的各種能力和素質(zhì)。將CDIO教育理念融入數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)的考核方式，采取不同的方法來衡量學(xué)生的專業(yè)知識、個人自身能力、團隊合作能力、建造產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力。這些方法包括筆試、口試、學(xué)生表現(xiàn)的考查、評分、學(xué)生反映、論文、學(xué)生互評和自評等。

4 結(jié)語

本文以當(dāng)前的工程教育專業(yè)認證和高等工程教育改革為背景，引入CDIO教育理念，以課程的教學(xué)改革為突破口，對數(shù)字電子技術(shù)實驗教學(xué)進行改革和探索，分析該課程傳統(tǒng)實驗教學(xué)存在的主要問題，提出實驗教學(xué)改革的具體措施。實踐證明，這些改革措施的實施，極大地提升了實驗教師的業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的CDIO工程實踐能力，能滿足電子信息類工程教育專業(yè)認證對課程達成度的目標(biāo)要求。

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