基于CDIO模式的電子制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

張永芳， 張義紅， 陳根龍， 鄧開連， 沈利芳

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

隨著社會(huì)信息化和經(jīng)濟(jì)全球化的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)發(fā)展日新月異，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并迅速滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門。因而社會(huì)對(duì)教育界提出了更高的要求，不但要求學(xué)生擁有扎實(shí)的理論知識(shí)，而且要有很強(qiáng)的實(shí)踐應(yīng)用能力［1-3］及對(duì)新知識(shí)的探索能力。同時(shí)，大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的到來(lái)，推動(dòng)了社會(huì)對(duì)信息類人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)和素質(zhì)能力的要求也水漲船高，不僅要求熟練掌握如電路分析、數(shù)字電路技術(shù)和模擬電路等重要專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，而且要求將這些課程所學(xué)的知識(shí)能夠靈活應(yīng)用于實(shí)際生活中，并能熟練運(yùn)用這些知識(shí)解決實(shí)際生活中所遇到的問(wèn)題［4-6］。實(shí)驗(yàn)課程不僅是聯(lián)系理論與實(shí)踐的橋梁和紐帶，而且也是理論教學(xué)課程的重要補(bǔ)充，更是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才過(guò)程中不可或缺的實(shí)踐環(huán)節(jié)［7-9］。然而傳統(tǒng)的電子制作實(shí)驗(yàn)課程面臨著內(nèi)容陳舊，模式單一，脫離工程實(shí)際和以教師為中心等問(wèn)題，很難適應(yīng)當(dāng)今快速發(fā)展的社會(huì)趨勢(shì)［10-11］。為了培養(yǎng)出的信息技術(shù)專業(yè)人才具有更高的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，較強(qiáng)的應(yīng)用實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維能力，必須實(shí)現(xiàn)電子制作實(shí)驗(yàn)課程的改革。

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構(gòu)思－設(shè)計(jì)－實(shí)現(xiàn)－運(yùn)作）教育模式是當(dāng)前國(guó)際工程教育最新發(fā)展方式，是一種將理論與實(shí)踐有機(jī)聯(lián)系的工程項(xiàng)目教育模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力以及綜合創(chuàng)新能力［12-15］。成都信息工程學(xué)院、云南大學(xué)、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校均將CDIO教學(xué)方法運(yùn)用于教學(xué)實(shí)踐，并取得了良好的教學(xué)效果，同時(shí)也成為CDIO國(guó)際合作組織亞洲區(qū)域中心成員［16］。為了滿足社會(huì)對(duì)信息技術(shù)專業(yè)人才的需求，以及積極推進(jìn)我校與國(guó)際接軌，將“項(xiàng)目制”思路融入電子制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提出了基于CDIO模式的電子制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。在學(xué)校激勵(lì)政策的引導(dǎo)下，探索出一條適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、符合社會(huì)發(fā)展需求的新型信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

1 電子制作實(shí)驗(yàn)課程特點(diǎn)與現(xiàn)狀

電子制作實(shí)驗(yàn)課程是信息類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)實(shí)踐課程，該課程綜合性強(qiáng)，教育內(nèi)容覆蓋面大，既要掌握電路分析、模擬電路、數(shù)字電路等專業(yè)理論知識(shí)，又要有很強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，因而在教學(xué)過(guò)程中既要注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)灌輸，又要注重學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。同時(shí)，該課程又具有一定的發(fā)展性，由于時(shí)代的發(fā)展，制作內(nèi)容也要及時(shí)更新從而適應(yīng)市場(chǎng)的需求。然而大多數(shù)同學(xué)只會(huì)簡(jiǎn)單地組裝現(xiàn)有產(chǎn)品，在完成制作內(nèi)容后并不知道其中的原理、行業(yè)背景、設(shè)計(jì)過(guò)程以及如何將設(shè)計(jì)的成果轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的電子產(chǎn)品，難以拓寬相關(guān)的知識(shí)面并進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

2 基于CDIO模式的電子制作課程體系建設(shè)

2.1 電子制作實(shí)驗(yàn)課程的改革

針對(duì)電子制作實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的CDIO教學(xué)模式，從制作內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容等方面對(duì)電子制作課程進(jìn)行改革。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，把電路分析、模擬電路、數(shù)字電路等理論知識(shí)與半導(dǎo)體物理知識(shí)相融合，設(shè)計(jì)成新的電子制作項(xiàng)目，使教學(xué)內(nèi)容緊跟科技發(fā)展。同時(shí)注重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程能力、自學(xué)能力、組織溝通能力及項(xiàng)目的開發(fā)和實(shí)施能力。

2.2 體現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)方法及過(guò)程考核方式

在教學(xué)中改教師為主的“聽中學(xué)”消極學(xué)習(xí)模式為學(xué)生為主的“做中學(xué)”主動(dòng)學(xué)習(xí)模式；采用CDIO工程項(xiàng)目教學(xué)法，選取難度適中、學(xué)生容易完成但包含的知識(shí)面較廣、可挖掘空間大的實(shí)際工程項(xiàng)目（見(jiàn)表1），引導(dǎo)學(xué)生積極思考進(jìn)而努力解決實(shí)際問(wèn)題。同時(shí)依據(jù)CDIO工程教育理念，也可將拓展的相關(guān)學(xué)科知識(shí)，如半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（如PN結(jié)）制作知識(shí)、器件性能檢測(cè)及測(cè)試知識(shí)引入課堂；同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目的難易程度，采用遞進(jìn)式的方式，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由點(diǎn)到線，再由線到面，由單一到綜合的方式，將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)滲透到項(xiàng)目中。最后根據(jù)學(xué)生實(shí)際完成情況，采用知識(shí)＋能力＋素質(zhì)的綜合過(guò)程考核模式。

2.3 光電二極管探測(cè)器件項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

在眾多電子產(chǎn)品的構(gòu)成元件中，二極管是再普通不過(guò)的元件了，然而人們常用的多是購(gòu)買現(xiàn)成的二極管，而且主要運(yùn)用二極管的正向?qū)ǎ诱螂妷簳r(shí)功能）和其穩(wěn)壓（加反向電壓至飽和時(shí)的功能）這兩個(gè)功能，信息類的學(xué)生大部分對(duì)于二極管的構(gòu)成及其他功能，比如發(fā)光功能（如LED），氣敏功能（如氣敏探測(cè)器）及光電探測(cè)功能（如紫外探測(cè)器，紅外探測(cè)器等，即加反向電壓但是未飽和時(shí)的功能）了解甚少，這里以紫外－可見(jiàn)光光電探測(cè)器的設(shè)計(jì)和制作項(xiàng)目為例，探討異質(zhì)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的電流特性，及CDIO工程教育模式在電子制作實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)中的應(yīng)用。

2.3.1 項(xiàng)目總體要求

運(yùn)用模擬電路中二極管的單向?qū)ǎ聪蚪刂构δ芗鞍雽?dǎo)體異質(zhì)結(jié)二極管（PN結(jié)）的制作工藝等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紫外-可見(jiàn)光光電探測(cè)器件，利用微小偏壓或者不用偏壓，僅用光照即可實(shí)現(xiàn)其探測(cè)功能，即實(shí)現(xiàn)該P(yáng)N結(jié)在反向電壓下（飽和前）的功能。

2.3.2 項(xiàng)目構(gòu)思

在項(xiàng)目構(gòu)思階段，學(xué)生可按照5或6人自由組成一個(gè)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)查找資料、選定方案、優(yōu)化方案、并對(duì)擬實(shí)現(xiàn)的器件進(jìn)行基本輪廓性的構(gòu)建后，進(jìn)一步確定制作元件的基本模塊／元件。如設(shè)計(jì)所需要的基本材料（如Si片，化學(xué)藥品等），所需要的基本儀器，如示波器，穩(wěn)壓源、光源、半導(dǎo)體性能測(cè)試儀，探針等。在此過(guò)程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，指導(dǎo)老師盡量不加限制或者少干預(yù)，只把控正確的大方向，如選擇何種材料做異質(zhì)結(jié)，如何制作器件，以及會(huì)達(dá)到什么樣子的性能等進(jìn)行探討，而不是直接告訴怎么做或者應(yīng)該怎么做。

表1 結(jié)合CDIO工程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目

2.3.3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在教師對(duì)學(xué)生的方案進(jìn)行初步論證后，學(xué)生便可進(jìn)行進(jìn)一步的制作。并利用穩(wěn)壓源、示波器、半導(dǎo)體測(cè)試儀等儀器協(xié)助，在測(cè)試的過(guò)程中進(jìn)一步確定相應(yīng)測(cè)量的最佳參數(shù)值，如光源可利用光電開關(guān)控制，選擇開10 s，關(guān)閉10 s，然后再開10 s，再關(guān)閉10 s，如此循環(huán)往復(fù)。偏壓可按照從小到大的順序，緩慢增加。最后指導(dǎo)老師對(duì)測(cè)試參數(shù)選擇及樣品的安裝進(jìn)行進(jìn)一步核查，確保所選擇的參數(shù)正確合理。在此設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新能力和推理能力得到了充分的訓(xùn)練。

2.3.4 項(xiàng)目實(shí)施

在項(xiàng)目實(shí)施階段，學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的原理分工合作完成相應(yīng)的二極管光電器件的設(shè)計(jì)、制作以及所需藥品的采購(gòu)、組裝、調(diào)試和測(cè)量等工作。圖1所示為設(shè)計(jì)和制作的異質(zhì)結(jié)二極管光電探測(cè)器示意圖。在此過(guò)程中既切實(shí)鍛煉了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和實(shí)際動(dòng)手能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的交流與合作能力。

圖1 設(shè)計(jì)和制作的二極管光電探測(cè)器示意圖

2.3.5 項(xiàng)目運(yùn)行

在項(xiàng)目運(yùn)行階段，學(xué)生團(tuán)隊(duì)派一個(gè)代表將自己團(tuán)隊(duì)制作的二極管光電探測(cè)器件展示給指導(dǎo)老師和其他同學(xué)觀賞，并對(duì)其功能進(jìn)行演示。同時(shí)學(xué)生代表對(duì)此項(xiàng)目做匯報(bào)總結(jié)，針對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的具體指標(biāo)要求，由指導(dǎo)老師和學(xué)生雙方作出科學(xué)合理的評(píng)價(jià)。在此階段，充分鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、組織協(xié)調(diào)能力及現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題的能力。圖2所示為制作的二極管光電探測(cè)器在紫外光（350 nm）和可見(jiàn)光（600 nm）照射下的電流-電壓特性圖。由圖可知，所制得的光電二極管滿足二極管的伏安特性。圖3所示為制作的光電二極管探測(cè)性能。由圖可知，在紫外光照射下，該二極管探測(cè)器獲得的光電流約為65μA／cm2，在可見(jiàn)光600 nm的光照下，獲得光電流約為160μA／cm2，因而該探測(cè)器對(duì)紫外光和可見(jiàn)光具有明顯的探測(cè)性能。

2.3.6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐效果

在項(xiàng)目的整個(gè)實(shí)踐過(guò)程中，是以學(xué)生為主體、主動(dòng)學(xué)習(xí)的過(guò)程。通過(guò)選定的教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生組隊(duì)完成項(xiàng)目的全部過(guò)程，包括資料搜集、方案設(shè)計(jì)及項(xiàng)目完成和展示。因而這種以CDIO模式的綜合訓(xùn)練項(xiàng)目不僅鍛煉了學(xué)生的實(shí)際操作能力，拓展了他們所學(xué)的理論知識(shí)，而且也提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和綜合創(chuàng)新能力。

圖2 學(xué)生制作的光電二極管電流電壓特性

圖3 學(xué)生制作的光電二極管光電流隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

電子制作實(shí)驗(yàn)課程作為銜接理論知識(shí)與實(shí)際動(dòng)手能力的重要橋梁，其教學(xué)模式和內(nèi)容至關(guān)重要。從學(xué)校實(shí)際出發(fā)，采用CDIO工程教育模式，改革了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，以具體項(xiàng)目為載體，讓學(xué)生在具體項(xiàng)目完成的過(guò)程中將所學(xué)的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)融會(huì)貫通，靈活運(yùn)用，不僅拓展了學(xué)生的知識(shí)面，提高了學(xué)生發(fā)掘和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，而且也大大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力以及交流溝通能力。因而，通過(guò)這種教學(xué)模式或者理念的滲透和貫徹，可以有效提升畢業(yè)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，并實(shí)現(xiàn)信息類專業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)實(shí)際用人需求的無(wú)縫對(duì)接。