基于CDIO理念的“三層次”電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探究與實(shí)踐

李辰 舒睿 劉貴杰

摘? ? 要：隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和其在各個(gè)領(lǐng)域的不斷滲透，工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生除了要掌握好本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)以外，還要努力掌握好電工電子技術(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)電工電子實(shí)訓(xùn)存在的相關(guān)問(wèn)題，在CDIO（Conceive、Design、Implement and Operate）工程教育理念的支持下，文章提出了“三層次”電工電子實(shí)訓(xùn)模式，旨在通過(guò)基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層的訓(xùn)練方式，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電工電子技術(shù)的認(rèn)識(shí)，提升其綜合能力。

關(guān)鍵詞：電工電子;CDIO工程教育理念;“三層次”實(shí)訓(xùn)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2023）10-0063-03

一、引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和其在各個(gè)行業(yè)的不斷滲透，其應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。為了培養(yǎng)高素質(zhì)的電工電子應(yīng)用型人才，電工電子實(shí)訓(xùn)已成為高等工科教育必要的實(shí)踐環(huán)節(jié)之一 [1-3]。電工電子實(shí)訓(xùn)是理論與實(shí)踐相結(jié)合，專(zhuān)業(yè)知識(shí)與綜合運(yùn)用相結(jié)合，設(shè)計(jì)與驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)組織形式[4-6]，對(duì)學(xué)生工程應(yīng)用能力、解決技術(shù)問(wèn)題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及綜合素質(zhì)的提升至關(guān)重要。目前，我國(guó)技能型人才緊缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，因此，高校應(yīng)重視技能型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。如何在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中改善教學(xué)效果，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力已成為實(shí)訓(xùn)教學(xué)的重大研究課題，因此，實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式改革意義重大。

二、電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問(wèn)題

電工電子實(shí)訓(xùn)是對(duì)電類(lèi)及非電類(lèi)工科學(xué)生進(jìn)行綜合能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)，既是學(xué)生基本技能和工藝知識(shí)的入門(mén)向?qū)?，又是?chuàng)新實(shí)踐的開(kāi)始和創(chuàng)新精神的啟蒙[7-8]。但多數(shù)高校的傳統(tǒng)電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容一般是焊接組裝成套電子產(chǎn)品，即直接在電路板上焊接元器件，并測(cè)試其功能，這種教學(xué)模式存在很多問(wèn)題。

（一）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容單一，不具有遞進(jìn)性和漸進(jìn)性

電工電子實(shí)訓(xùn)旨在通過(guò)焊接元器件得到物理電路，并利用功能測(cè)試和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力及解決實(shí)際問(wèn)題能力的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)在實(shí)施時(shí)往往簡(jiǎn)單、直接且單一，并沒(méi)有根據(jù)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)背景、學(xué)科知識(shí)特點(diǎn)和認(rèn)知能力等擬定出具有針對(duì)性的訓(xùn)練模式，這使得學(xué)生在參加實(shí)訓(xùn)時(shí)產(chǎn)生跨度大、階梯性強(qiáng)的感覺(jué)，而缺乏遞進(jìn)性和漸進(jìn)性的學(xué)習(xí)方式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，極大阻礙實(shí)訓(xùn)目標(biāo)的完成[9]。

（二）實(shí)訓(xùn)模式固化，缺乏靈活性和創(chuàng)新性

高校電工電子實(shí)訓(xùn)往往承擔(dān)著全校理工科專(zhuān)業(yè)，以及部分文科專(zhuān)業(yè)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，但不同專(zhuān)業(yè)對(duì)于電工電子方面的理論教學(xué)目標(biāo)存在較大差異。實(shí)訓(xùn)模式固化易導(dǎo)致參加實(shí)訓(xùn)的學(xué)生對(duì)于相關(guān)理論知識(shí)的理解深淺不一，如電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生會(huì)認(rèn)為該實(shí)訓(xùn)內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，且偏向動(dòng)手操作，而機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生由于對(duì)此部分理論的理解不深，只能“依葫蘆畫(huà)瓢”地做一遍，缺乏深入思考。總之，由于專(zhuān)業(yè)的差異性，傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)模式難以做到因材施教，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（三）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容側(cè)重模仿式操作，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主

在傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，一般流程為：教師講解待焊接電路原理，闡述焊接要點(diǎn)，指明注意事項(xiàng)，演示焊接流程;學(xué)生按照電路圖，逐個(gè)選取元器件完成焊接，并進(jìn)行功能驗(yàn)證和測(cè)試。期間，教師協(xié)助學(xué)生解決遇到的焊接或驗(yàn)證問(wèn)題。但作者在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生采取模仿操作的方式，根據(jù)圖紙依樣焊接，遇到問(wèn)題不自行思考，而是直接咨詢(xún)教師或周?chē)耐瑢W(xué)予以解決，甚至索性不解決，這顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力。究其原因，部分學(xué)生事先并沒(méi)有進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)，只是在成品上焊接組裝，缺乏整體把握和完整的認(rèn)識(shí)，僅僅側(cè)重于功能驗(yàn)證，造成學(xué)生出現(xiàn)“只是模仿操作而不進(jìn)行深入思考”、參與度低等問(wèn)題。

（四）實(shí)訓(xùn)內(nèi)容較為傳統(tǒng)，缺乏對(duì)新技術(shù)的引入

創(chuàng)新思維和新技術(shù)是一對(duì)“孿生兄弟”，二者彼此交互、彼此促進(jìn)：創(chuàng)新思維推動(dòng)新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，而新技術(shù)又會(huì)增強(qiáng)人們的創(chuàng)新思維。如半導(dǎo)體收音機(jī)這類(lèi)產(chǎn)品的焊接訓(xùn)練雖然十分經(jīng)典，也涉及諸多基礎(chǔ)電路，如檢波電路、增益電路和功率放大電路等，但從應(yīng)用角度和市場(chǎng)角度出發(fā)，此類(lèi)產(chǎn)品占有率已經(jīng)相對(duì)較少，取而代之的是STM32、飛思卡爾單片機(jī)和Arduino開(kāi)發(fā)板等。因此，教師應(yīng)在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中適當(dāng)引入，主要使學(xué)生了解新技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進(jìn)一步鍛煉其發(fā)散思維，提升其解決復(fù)雜、綜合問(wèn)題的能力。

三、基于CDIO理念的“三層次”實(shí)訓(xùn)教學(xué)探究

針對(duì)上述問(wèn)題，文章基于CDIO工程教育理念，提出了面向電工電子實(shí)訓(xùn)的“三層次”教學(xué)模式。

（一）CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念涵蓋4個(gè)不同的能力層次，即構(gòu)思能力、設(shè)計(jì)能力、實(shí)現(xiàn)能力和運(yùn)行能力，給出了12條操作性強(qiáng)和適應(yīng)性廣的標(biāo)準(zhǔn)，如一體化教學(xué)計(jì)劃、工程實(shí)踐場(chǎng)所、主動(dòng)學(xué)習(xí)和綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)整個(gè)理念的實(shí)行和驗(yàn)證做了全面系統(tǒng)的指引[10]。CDIO工程教育理念以學(xué)生為中心，提供了“由點(diǎn)及線(xiàn)到面至體”的結(jié)構(gòu)層次序列，旨在通過(guò)系統(tǒng)的培養(yǎng)模式提升學(xué)生全方位的能力。從產(chǎn)品構(gòu)思到運(yùn)行為整個(gè)周期，讓學(xué)生在全周期里，通過(guò)主動(dòng)探究、實(shí)踐操作、有機(jī)融合的方式來(lái)了解工程、認(rèn)識(shí)工程，從而實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力及工程系統(tǒng)能力4個(gè)層面的全方位提升。

下面以“門(mén)禁自動(dòng)控制系統(tǒng)”為例，闡述CDIO工程教育理念在電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用過(guò)程（表1）。

通過(guò)分析上述教學(xué)流程不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)合CDIO工程教學(xué)理念，教師可以為學(xué)生提供一套項(xiàng)目化、系統(tǒng)化和一體化的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)流程。學(xué)生在該過(guò)程中，可以體會(huì)并認(rèn)識(shí)到一個(gè)簡(jiǎn)易系統(tǒng)從設(shè)計(jì)需求端起始，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制作、功能驗(yàn)證的中間過(guò)程，最終到成品的全流程。如學(xué)生通過(guò)需求分析可以有針對(duì)性地尋找設(shè)計(jì)要素并擬定設(shè)計(jì)變量，結(jié)合仿真分析策略，能夠更加有效地建立起設(shè)計(jì)端和制作端的聯(lián)系，預(yù)先排除制作過(guò)程中的部分問(wèn)題，以提升制作效率。該方式是目前實(shí)際設(shè)計(jì)制造的基本流程，可以幫助學(xué)生建立起理論知識(shí)與生產(chǎn)實(shí)際間的聯(lián)系。

利用CDIO工程教育理念可以顯著提升實(shí)訓(xùn)效果，同時(shí)，為了更好地解決電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問(wèn)題，教師還需基于CDIO工程教育理念，結(jié)合電工電子實(shí)訓(xùn)特點(diǎn)予以具體實(shí)施和改進(jìn)。

（二）“三層次”實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式探究

在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，以解決當(dāng)前電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)中存在的問(wèn)題為目標(biāo)，作者提出了基于CDIO工程教育理念的面向電工電子實(shí)訓(xùn)的“三層次”實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式（圖1）。

作者根據(jù)知識(shí)體系與能力要求，將實(shí)訓(xùn)內(nèi)容分為3個(gè)層次：基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層，3個(gè)層次既是知識(shí)循序漸進(jìn)掌握的過(guò)程，也是促進(jìn)學(xué)生能力不斷提升的過(guò)程。其中，基礎(chǔ)層主要是基本技能、方法的掌握，包括基本元器件（電阻、二極管等）的測(cè)量與檢測(cè)、手工焊接與拆焊方法、常用儀器儀表（萬(wàn)用表、示波器等）的使用方法等。該層次的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容聚焦學(xué)生運(yùn)行和操作能力的提升，側(cè)重于動(dòng)手實(shí)踐，同時(shí)，該層次是CDIO工程教育理念的基礎(chǔ)。綜合層是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)現(xiàn)和制作能力，是基礎(chǔ)層的進(jìn)一步延伸及面向創(chuàng)新層的銜接，通過(guò)裝配和調(diào)試收音機(jī)或單片機(jī)等綜合性較強(qiáng)的電子產(chǎn)品，掌握裝配、調(diào)試和故障排除的基本過(guò)程與方法。創(chuàng)新層側(cè)重于實(shí)現(xiàn)完整項(xiàng)目，為此，實(shí)訓(xùn)課程構(gòu)建了項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)（圖2），門(mén)禁系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐流程是該層次的一個(gè)具體實(shí)例。

各環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合，相互配合，實(shí)訓(xùn)教學(xué)過(guò)程從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從基礎(chǔ)到綜合，從接受基本知識(shí)和基本技能到培養(yǎng)綜合能力再到提升創(chuàng)新實(shí)踐能力，實(shí)訓(xùn)內(nèi)容逐步積累、深化和提高。

四、實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐及教學(xué)效果

作者依托中國(guó)海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心展開(kāi)電工電子實(shí)訓(xùn)，涉及7個(gè)專(zhuān)業(yè)，大部分專(zhuān)業(yè)進(jìn)行為期1周的實(shí)訓(xùn)?，F(xiàn)以機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例，對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)效果展開(kāi)說(shuō)明和論述。

基礎(chǔ)層的訓(xùn)練耗時(shí)2天，在對(duì)電阻、電感、電容、集成電路及電源模塊等基本器件介紹后，進(jìn)行上述器件的焊接訓(xùn)練，即可完成第1天實(shí)踐任務(wù);第2天選擇簡(jiǎn)易電路，如跑馬燈和定時(shí)器等，進(jìn)行焊接并測(cè)試，同時(shí)講解示波器、可編程電源和信號(hào)發(fā)生器等儀器設(shè)備的使用方法。第3天進(jìn)入綜合層的訓(xùn)練，選擇51單片機(jī)這種具有較強(qiáng)通用性和含有相對(duì)較新技術(shù)的器件作為實(shí)踐對(duì)象，由于該器件電路原理較為簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行訓(xùn)練;教師在講述基本原理后，即可指導(dǎo)學(xué)生完成焊接，在第4天，通過(guò)流水燈、繼電器和蜂鳴器的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，建立對(duì)51單片機(jī)功能的形象認(rèn)知。第5天進(jìn)入本次實(shí)訓(xùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即創(chuàng)新層的訓(xùn)練，此處選擇51單片機(jī)最小電路系統(tǒng)作為分析對(duì)象，組內(nèi)學(xué)生自行查閱資料，利用Multisim進(jìn)行仿真，同時(shí)，利用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)管，設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路;第6天依據(jù)設(shè)計(jì)電路，利用面包板完成電路搭建，進(jìn)行功能測(cè)試，即驗(yàn)證步進(jìn)電機(jī)能夠正常旋轉(zhuǎn)、調(diào)速和換向;第7天進(jìn)行小組答辯，闡述和總結(jié)設(shè)計(jì)原理和實(shí)施思路。

在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)方式，學(xué)生能夠更加有效地融入該過(guò)程，特別是在創(chuàng)新訓(xùn)練方面，與之前僅僅焊接收音機(jī)的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容相比，學(xué)生詢(xún)問(wèn)的內(nèi)容由“某個(gè)元器件怎么焊接”“收音機(jī)為何不發(fā)出聲音”轉(zhuǎn)向了“最小系統(tǒng)的基本原理是什么”“步進(jìn)電機(jī)為何要通過(guò)達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)”，以及“步進(jìn)電機(jī)的控制原理是什么”等。學(xué)生在思維方式上已經(jīng)不再過(guò)分在意基礎(chǔ)的操作技能，而是在思考所面對(duì)器件的基本原理，脫離了之前單純的模仿式學(xué)習(xí)，從而使其能力獲得了本質(zhì)上的提升，十分有助于激發(fā)其創(chuàng)新思維。除此之外，各組的PPT匯報(bào)也提高了組員的協(xié)同能力、展示能力和匯報(bào)能力等。

五、結(jié)束語(yǔ)

文章基于CDIO工程教育理念，提出了一種包含基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層的“三層次”電工電子實(shí)訓(xùn)模式，分析了該模式的關(guān)鍵組成要素，給出了實(shí)施步驟，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中提出了改進(jìn)策略，并進(jìn)行了效果論述，結(jié)果表明，該思路和策略能夠達(dá)到更好的實(shí)訓(xùn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 胡波，馮輝，韓偉力，等.加快新工科建設(shè)，推進(jìn)工程教育改革創(chuàng)新：“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”綜述[J].復(fù)旦教育論壇，2017，15（2）：20-27.

[2]? 孫金明，駱雅琴，施曉明，等.電工電子實(shí)習(xí)課的改革及發(fā)展構(gòu)想[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2003（1）：88-90.

[3]? 謝忠志，劉伯生，劉永勝.電工實(shí)訓(xùn)課教學(xué)的六要素[J].泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（6）：40-42.

[4]? 丁姜華.項(xiàng)目教學(xué)法在電工電子教學(xué)中的應(yīng)用[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（4）：168-169.

[5]? 李治林.電子電工實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)策略分析[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（11）：102-103.

[6]? 張瑞成.電子電工實(shí)訓(xùn)的教學(xué)實(shí)踐[J].集成電路應(yīng)用，2022，39（9）：178-179.

[7]? 張林媛，李釗，祁富貴，等.“電子電工實(shí)訓(xùn)”課程教學(xué)體系優(yōu)化探索研究[J].教育教學(xué)論壇，2022（32）：149-152.

[8]? 張圓圓，王躍飛，莊遠(yuǎn)，等.面向工程能力培養(yǎng)的“電工電子實(shí)訓(xùn)”課程改革[J].裝備制造技術(shù)，2022（6）：193-195;198.

[9]? 王永宜.電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)存在問(wèn)題及其突破[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2015，69（2）：41-42.

[10]? 于航，郭亞輝，成玉梁，等.基于CDIO現(xiàn)代工程教育理念“食品衛(wèi)生學(xué)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].食品與發(fā)酵工業(yè)，2021，47（18）：315-320.

收稿日期：2022-11-16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-03-05

作者簡(jiǎn)介：李辰（1988—），女，山東濰坊人，中國(guó)海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心助教，研究方向?yàn)殡姽る娮咏虒W(xué)。

基金項(xiàng)目：2022年山東省本科教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目“面向新工科的‘三觀協(xié)同現(xiàn)代化實(shí)踐育人體系建構(gòu)與實(shí)踐”（Z2022195）;2022年度中國(guó)海洋大學(xué)本科教育教學(xué)研究一般項(xiàng)目“基于CDIO工程教育理念的電工電子實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與實(shí)踐”（2022JY190）;2021年度中國(guó)海洋大學(xué)本科教研重點(diǎn)項(xiàng)目“新工科背景下工程實(shí)訓(xùn)教學(xué)模式及體系構(gòu)建與實(shí)踐”（2021ZD12）