“电子系统综合设计”教学改革与实践

刘 明，周 俊

（南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019）

“电子系统综合设计”教学改革与实践

刘 明，周 俊

（南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019）

针对目前电子系统综合设计课程教学中存在的问题，该文把CDIO工程教育理念引入到该课程的教学改革中，根据CDIO大纲和标准，分别从课题认知、课题规划、课题实施和课题评价4个方面进行分析，给出课程的改革方法。实践表明，该教学模式有利于培养学生的自主学习能力、动手能力、团队协作能力、表达能力和综合运用知识能力，提高学生的创新意识和学习兴趣，激发学生的创新思维，同时对提高教师的个人能力和综合教学水平起到积极的作用。

CDIO工程教育模式；电子系统综合设计；工程教育；认知

自主创新能力是国家竞争力的核心，是建设创新型国家的基石［1－2］，而建设创新型国家离不开创新人才的培养。高校的实验是高等教育创新体系中创新型人才培养的重要组成部分，在培养学生的动手实践能力和创新能力以及提高学生的综合素质方面发挥着十分重要的作用［3－5］。高校实验中，验证性实验目的是加深学生对系统原理理论知识的理解，综合性实验是培养学生系统的概念，设计性实验是培养学生的动手实践能力和创新能力。电子系统综合设计是针对我校自动化、电气类学生开设的一门整周实践课程，该课程是对相关课程知识的拓宽、提高和综合应用，目的是培养学生的系统设计能力，以适应电子信息时代对学生知识结构和能力的要求。电子系统综合设计实践环节对学生实践能力和创新能力的培养至关重要，建立适应社会发展、适应高校自动化、电气类综合设计深化改革需要的新型教学模式，是培养自动化、电气类学生工程创新意识和自主创新能力，提高教学质量的关键。

1 关于课程教学体系的改革思考

电子系统综合设计课程是为培养学生运用电子系统设计技术和方法的能力，通过本课程的学习和实验，使学生了解较复杂电子系统的高层设计理念、一般性设计方法和步骤，掌握电子系统工程中常见问题的处理原则、方法和步骤，为毕业设计及今后从事相关的工作奠定良好的实践基础。目前该课程教学基本情况是集中两周完成教师指定的课题，教学内容单一缺乏创新性，课题内容源于书本、服务于课本，缺乏开拓性，对新技术引入匮乏，课题内容尚处于纯硬件的单个元器件搭试阶段，技术与时代步伐脱节；教学模式单一落后，由于各种因素影响，学生设计往往流于形式，最终由教师给学生原理图，导致教学处于“搭积木”式教学模式；教学理念滞后，学生主观能动性较低，教师尚处于主导地位，难以激发学生的创新意识、创新思维和创新精神。

CDIO一体化教育模式是近年国际工程教育改革的最新成果，CDIO代表构思、设计、实现和运作，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程［6－8］。CDIO培养大纲将工程毕业生的能力分为工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力4个层面，大纲要求以综合的培养方式使学生在这，4个层面达到预定目标［9－10］。CDIO教育模式改变传统灌输式的教学模式，教学过程中更强调学生的主观能动性，让学生主动学习，独立思考，多练习，多实践，在实践中学习，改变对教师的依赖性，同学之间进行相互探讨，相互启发，相互补充，集思广益，互为导师，强调团队的协作能力，所选课题具有一定的工程背景和实际应用价值，强调学生系统能力的培养，培养学生设计工程产品的能力及产品系统的制作能力，提出的12条检验标准具有很强的可操作性。

2 课程教学改革与实践

将CDIO教育理念引入到电子系统综合设计教学中，以课题的构思、设计、实现和运作的过程培养学生，提升教师水平。首先将实践时间由原先的两周调整为一个学期，采用“半开放”教学模式；教学内容由单一课题变为具有一定工程背景的层次化课题；教学过程中开展探究式、启发式和参与式等教学方式，强调“做中学”教学理念；实行多元化的考核模式。

2.1 课题认知

课题认知是指教师对即将进行授课课程的认知度，即对所有可能影响教学结果的信息进行收集和处理，是教师对课程进行构思的阶段。传统实验教学过程中，教师课前认知主要停留在自我信息认知阶段，实验教学准备一定程度上依赖教学经验，学生和教师之间互通信息量少。对于电子系统综合设计课程，教师备好一次课，以后若干次教学可以使用该次课成果，这样教学方式不能与时俱进，因材施教，很难培养创新型人才。

2.2 课题规划

课题规划包含课题选题和层次化教学内容设计，是教师对课程进行设计阶段。进行层次化的电子系统综合设计教学遇到的首要问题就是如何选题，如何在有限时间和有限条件下进行正确选题是教学获得良好效果的关键。

传统的电子系统综合设计教学内容是由教师指定的课题，学生没有选择性，难以进行层次化教学，确保学生的学习兴趣，教师不能因材施教，使得课程的教学目的难以实现。基于CDIO教育理念，提出了电子系统综合设计课题选题和内容设计的5项基本原则。

1）工程性或工程背景原则：根据CDIO的标准1和标准4，实践课题需要把产品、过程或系统的构思、设计、实施和运行作为工程教育的环境，课题内容不再是某些理论的单纯验证，而是以某产品或系统工程为目标。课题的社会实用性使得学生所学更贴近现实生活，让学生了解社会需求，培养学生工程能力，激发学生学习兴趣。

2）专业性：根据CDIO的标准2，基本个人能力、人际能力和对产品、过程和系统的构建能力要满足专业目标并经过专业利益相关者的检验，电子系统综合设计课题选择与电工电子类专业知识和技能的关联程度较高的项目。

3）层次性和梯次性原则：根据CDIO的标准5，将实践项目内容分为不同层次和梯次，满足不同层次的学生实践需求，使得实践项目能够循序渐进地满足不同层次技能和综合知识能力的培养需求。

4）系统性原则：根据CDIO的标准3和7，学科体系、知识和能力培养一体化，学科学习和工程职业训练相融合，课题所选择的内容不单纯是理论知识的验证，而是一项系统的工程。

5）科学性和可操作性：根据CDIO的标准6，课题内容选择以高校现有的实践场所和其他学习环境支撑为前提，避免选题与现有条件脱钩，难以实现。

2.3 课题实施

基于CDIO教育理念的电子系统综合设计实践过程有别于传统的实践流程，在整个实践过程中，以项目的构思、设计、实现和运作的过程进行学生能力的培养。

1）项目构思：课题选定后，学生以团队为单位进行课题的调研工作，包括课题研究背景，研究现状和发展趋势，实践方法和技术路线，支撑条件和成果形式等，调研结束后自行组织讨论，每个同学阐述自己的想法，团队成员之间相互启发，相互辩论，相互补充，最终确立优化的课题方案。教师组织学生开题，通过开题确定学生课题方案的可行性，不同课题组间相互学习，亦可相互探讨，进一步优化课题方案。

2）项目设计：课题方案确定后，进行课题电路的具体设计，查阅相关资料，找出设计方案，进行方案论证和选择，方案论证一般采用软件仿真论证，最终结合实验室的实际条件进行方案选择，进行方案设计可行性探讨和交流，完善并确定设计方案。

3）项目实现：电路设计方案通过论证后，进行相应的实际电路搭试与调试。要求学生能正确选择相应的使用元器件，合理布局电路，规范连接电路，合理设置电路测试点，具备一定的电路故障检测、分析和纠错能力。团队成员间既有分工又有协作，充分发挥课题成员的自主能力和协作能力，避免对教师的依赖性。

4）项目运作：项目实现后，进行项目总结工作，展示课题成果。首先以团队为单位进行课题内容，设计思想，技术路线，具体方案实施和存在问题及展望进行汇报，然后由教师或其他同学进行相应的提问，最后课题组中成员进行相应的思考和反思。

2.4 课题评价

课题评价是对教学成果的一种衡量，是促进教学培养目标实现的一种手段，激发学生学习兴趣的有效方法，既要包含学生的考核，也要融入教师的自我评价。传统实践学生考核往往重结果轻过程，带有浓厚的教师个人色彩，不同教师成绩评定方法不一样，往往定性评价缺乏量化准则，难免带来成绩评定的不公平性。教师的自我评价以课程教学小结形式呈现。

根据CDIO的标准11，考核机制对学习有直接的导向作用，多元（知识＋能力）考核项目达到多元的培养目标，应将学生在构思、设计、实现和运作4个环节的表现相结合进行综合评定。为考核机制更加公平，具备一定激励性，引入模糊层次分析法，量化考核指标，定性定量相结合进行成绩评定，对学生各个环节的能力给予充分肯定，引入附加分（构思附加分、设计附加分、实现附加分和运作附加分），最大限度激发学生的潜力和学习兴趣。构思评价指标包括文献查阅、课题认知度和学习态度；设计评价指标包括设计能力、创新能力和学习态度；实现评价指标包括器件选用、电路布局及连接、个人及协作能力和学习态度；运作评价指标包括实践成果、成果汇报和报告撰写。

根据CDIO的标准9、标准10和标准12，通过实践教学，教师的教学能力得到提高。教师的自我评价不仅是教学的总结和反馈，也是自身能力提升的总结与反馈，把评估结果反馈给学生及其他利益相关者，促进持续改进，提高教学质量。

3 课程教学改革取得的成果

新的教学模式实施了3年，对存在的问题逐年进行改进，得到学生的支持和欢迎，取得理想的教学效果。

1）激发学生的学习兴趣，学生主动性和热情明显比以前高。课题具有工程实用性背景，学生兴趣明显，成就感激发学习激情。

2）学生个人实践能力、协作能力和工程能力提升较高。在整个实践期间，实践时间开放，学生有足够时间进行调研、设计工作，学生设计能力得到极大锻炼；团队课题使得学生组织、协作能力得到锻炼，学生间相互探讨，相互学习也减轻学生对课题的茫然、恐惧心理。解决具有工程背景的实际问题，学生工程能力和系统能力得到提升。

3）增强学生的科技创新能力。鼓励、激励学生自主立题，看重学生实践过程轻视结果，系统化考核，这都有利于学生创新能力的培养。

4）多元化考核机制，运用FAHP，量化考核指标，把考核指标贯穿于整个实践过程，使得考核更加公平，更具激励性。

4 结束语

电子系统综合设计是高校实践教学课程之一，其教学模式的研究是一项系统工程。基于CDIO教育理念的教学模式引入有效地培养学生的自主学习能力、组织协作能力、工程能力、表达能力和创新能力等，提升教师的教学水平和实践应用能力。当然，实践改革过程也遇到一些问题，如参加过科技活动的学生或动手能力较强的学生学习激情明显高于动手能力较弱的同学，教学效果差异较大；学校硬件条件相对有限，制约学生能力的发挥等，这些都有待于进一步研究和实践。

［1］曹燕琴.关注习惯养成实现高效课堂［J］.教学仪器与实验，2010（1）：49－50.

［2］周锦兰，王宏，聂进.多层次大学生创新实验平台的构建与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（4）：16－18.

［3］邢运民.本科教育应重视实践性教学环节［J］.高等教育研究：成都，2006（2）：44－46.

［4］黄凯.优化实验教学体系建设促进创新人才培养［J］.实验室研究与探索，2008，27（9）：79－81.

［5］王留芳，董德礼，周拓宇，等.多模式、多层次电子电工实践教学改革的探索与实践［J］.实验室研究与探索，2011，30（3）：94－96.

［6］崔贯勋，王勇，王柯柯，等.基于CDIO的物联网工程专业实践教学体系的研究与实践［J］.实验技术与管理，2013，30（5）：111－114.

［7］曹海平，管图华.基于CDIO理念的电工电子实训教学改革与实践［J］.实验室研究与探索，2013，32（1）：140－142.

［8］周睿，费凌峰.基于实务项目制的工业设计工程教育CDIO模式探索［J］.工程设计学报，2013，20（2）：151－156.

［9］任坤，刘红，杨旭东.CDIO指导下的创新性电工电子实验设计［J］.实验技术与管理，2012，29（4）：228－230.

［10］杨毅，唐西西.基于CDIO的开放实践教学模式［J］.中国高校科技，2011（7）：72－74.

比较可见第3种方案的测量不确定度最小，所以从不确定度大小角度看，最佳测量方案是通过测量内外尺寸L1和L2测量该箱体零件的轴心距离L。如在利用液体测量铜块的密度，可以选择煤油、酒精或者水作为参考液体。根据不确定度，可以发现水是最合适的参考液体。再比如，用拉伸法测钢丝的杨氏模量，如何选择测量仪器，是不是所有量都需要用精密仪器测量，是不是都需要多次测量，通过不确定度的分析［11］，学生应该知道怎么处理。这样的例子有很多，都是可以根据不确定度来设计实验的。其实不仅可以利用不确定度，还可以利用其他因素结合在一起来设计实验。学生应该利用这些共性，转化这些知识为自己的能力，设计出自己需要的实验。

3 结束语

物理实验教学有很多方面共性，这里只是笔者根据多年的教学经验举例做些探讨。教师根据自己的授课特点和内容来挖掘它们的共性。教师在授课时不需要再向学生重复讲解共性，只需在教材中或课前预习时向学生提示即可，并提醒他们做好相关复习和准备，以便他们在实验课中使用，从而提高教学效率和节省授课时间。学生感受到这些共性，做实验前多多思考，做实验时有了程序化，而不再畏首畏尾，动手能力得到提高。总而言之，在以后的授课中，有所教而有所不教，教师在授课时少讲或不讲共性内容，多讲个性内容，适当引导学生从共性出发，将共性迁移到其他实验，举一反三，调动学生思考积极性［3，12］，提高教学效率，做到古人所倡导的授人以鱼，不如授人以渔。

参考文献

［1］姚橙.提高大学物理实验课教学效率的研究与探索［J］.实验室科学，2010，13（3）：31－33.

［2］王家理.巧用电教手段提高普通物理实验的教学效率［J］.六盘水师范学院学报，2002，14（4）：71－73.

［3］李登峰，周平.提高基础物理实验教学效率的策略与方法［J］.实验室科学，2012，15（1）：17－19.

［4］康良溪.抓共性明要求指导实验［J］.中学物理教学参考，1997（6）：33－35.

［5］张怀作.大学物理实验［M］.北京：科学出版社，2011.

［6］郭志和.测量教学实验仪器常见问题的处理及维护［J］.装备制造技术，2012（1）：100－101.

［7］赵春芝，陈利平，张玉红，等.实验仪器设备故障产生的原因与维护管理［J］.教学仪器与实验，2009（11）：52－54.

［8］马建玲.拉伸法测钢丝杨氏模量实验剖析［J］.泰山学院学报，1996（5）：60－64.

［9］窦金兰，王新春，沈家旺，等.对静态拉伸法测杨氏模量实验的改进及误差分析［J］.楚雄师范学院学报，2012，27（6）：31－35.

［10］杨达晓，唐海燕，杨耀辉.Origin软件在普朗克常量测定实验中的应用［J］.大学物理实验，2010，23（5）：67－69.

［11］林登清，王新春，沈佳旺，等.测定钢丝杨氏模量的实验方案研究［J］.物理通报，2013（2）：47－50.

［12］王琰，雷利.物理实验课教学中学生学习积极性的培养［J］.重庆工商大学学报（自然科学版），2002，19（4）：72－74.

Reform and Practice of Comprehensive Design of Electronic System

LIU Ming，ZHOU Jun
（School of Electrical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China）

In response to the current problems in comprehensive design of electronic system teaching，this paper applies the idea of CDIO to the course reform，according to the CDIO syllabus and standard，analyses it from four aspects which are project cognition，project planning，project implementation and project evaluation，propose some reform methods.The application of CDIO－based teaching mode can not only effectively cultivate the autonomous learning ability，the hand－on skills，teamwork ability，expression capability and comprehensive ability，increase innovate consciousness and thought，but also playe a positive role on improving teachers’individual ability and comprehensive teaching level.

CDIO；comprehensive design of electronic system；engineering education；cognition

G642

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.045

2015－03－10；修改日期：2016－10－21

江苏省大学生创新创业训练计划重点项目（201410304023Z）；南通大学教改课题（2013B082，2014B46，2014B48）。

刘明（1981－），男，硕士，讲师，主要从事电工电子类实验教学及应用研究方面的工作。