CDIO模式下电子综合实践课程教学改革

许宣伟，罗　凯，唐　溢

(电子科技大学成都学院　电子工程系，成都　611731)



CDIO模式下电子综合实践课程教学改革

许宣伟，罗凯，唐溢

(电子科技大学成都学院电子工程系，成都611731)

摘要针对当前电子信息类实践教学环节存在的缺乏工程实践等问题，开展了基于CDIO工程教育理念的电子综合实践课程的教学改革，把传统的实验课程转变成项目化的工程实践课程，对相关实验课程进行有机整合，对教学内容、教学形式、教学手段和考核考核方法进行创新，构建了从基础到工程创新的实践教学体系。实践表明，这项改革大大激发了学生的专业学习兴趣，有助于培养学生良好的工程实践能力与创新能力。

关键词CDIO工程教育；实践教学改革；创新能力培养

实验课程作为高等工科教学的重要环节，在培养学生实践动手能力、激发学生专业学习兴趣方面显得尤为重要。在CDIO[1]工程教育理念的指导下，电子科技大学成都学院电子工程实验中心积极参与CDIO实验教学改革，提出应用工程实验中心新实验教学体系，以工程实践教学为主，培养创新性应用人才为目的，进行各种层次的实践技能训练，培养学生分析、解决问题的能力，增强团队合作意识，逐步提高学生研究创新的能力。基于CDIO的电子综合实践课程项目实施至今，已取得良好成效。

1工程实践课程改革的相关内容

1.1改革的目标

本次电子综合实践课程改革的主要目的在于通过模拟现实社会中的工程项目，开设一门具有贯穿性的CDIO式课程系列。改革之后的课程贯穿大学第二到第四学期，共计3个学期，在合理整合部分现有课程内容的同时增开部分新内容。通过3个学期的理论和实际相结合的仿工程项目化教学使学生真正理解和掌握开展工程项目的各项基本技能，对工程项目的流程、实施过程及各环节中所采用的各种方法有一个基本的概念性认识，并能对“一个完整的真实的工程项目到底是怎么样的”有一个框架性[ 2]的认识。

1.2教学内容改革及创新

在确定教学内容之前，预先设定电子综合工程项目开发目标。在此目标下，把之前独立的电路设计、电子装配、单片机应用、C语言等课程用项目本身进行串联，形成服务于项目本身的教学和知识体系，把离散的知识点以项目实施过程进行搭建，完全强调了学练结合，注重实践。整个教学内容以学、做、想3个步骤[3]为主线，以提高学生的理论水平、实践技能和创新能力为中心，让学生在学习众多课程后对以后的发展或者规划自己的工作方向不再迷茫。

1.3教学团队的改革与创新

大多数工科高校中明确细分了专职理论教师和专职实验教师，简而言之，理论教师只负责教授学生所需理论课知识，而实验教师只就教学计划中的所有实验课程进行教授。长期以来，这样的教学形式将相辅相成缺一不可的两个教学环节割裂成两种类型的课程加以区别对待，使得学生在学习中不能以一种完整的形态经历C(构思)、D(设计)、I(实现)、O(运行)四大环节[4]，无法掌握完整的工程实践知识，无法积累相关的实用经验。因此，在CDIO工程教育理念的指导下，我实验中心打破理论教学和实践教学的界限，摒弃了“一门课程由一名教师从头至尾承担所有环节的教学任务”“理论教师只负责理论教学、实验教师只负责实验教学”“一间教室在同一时刻只能有一名教师执教”等不尽合理的形式，重新整合教师资源，由多个教师共同完成电子工程实践课程的设计、制作与调试、程序编写等教学内容。在以教师团队为执教主体进行CDIO式的教学模式下，有利于每名参与该课程教学的教师将各自所擅长的领域高水平地传授给学生，从而提高课程的整体教学水平，同时教师之间由于各自承担教学部分有紧密的前后衔接关系，有利于提高教师的责任心并加强教师间的相互沟通与交流。

1.4工程教育模式下的教学手段创新

采用“教、学、做”相结合的引探教学法[ 5]，以实例为引导，注重培养学生的动手能力、表达能力、协作能力和自学能力。教学过程中可以采用实际案例驱动、实际项目驱动[6]、团队教学、分组教学、互动式、探究式、分阶段分层次教学[7]等多种教学手段。

显然，以往的传统教材不能够满足CDIO工程教育模式的需求，因此开发与之匹配的实验课程教材至关重要。在探索电子工程实践课程改革的过程中，我们创新性地提出了“教材+课程手册”的想法。其中，教材部分整合了离散的知识点[8]，以项目完成的过程为主线，手把手地引导学生完成设计，语言通俗易懂。而在教材中出现的一些需要的补充学习的知识，就可以让学生到配套的课程手册中查询，培养学生自我学习及查阅资料文献的能力。

依据基于CDIO的电子综合实践课程的内容安排，实验中心开发了相应的硬件实验平台并完成调试。学生经过电子综合工程实践课程学习以后，都有一块自己制作的硬件实验平台，这个硬件平台在今后的学习过程当中，每个学生都可以用来完成软件和硬件的实验，这样可以改变目前我中心硬件条件不足的现状。

1.5学生成绩考核办法的改革与创新

在电子综合实践课程考核形式上，我们放弃了以前单纯的实验报告检查及理论试卷考试的形式，采用类似当前毕业设计的“实物作品+相关报告或论文+现场答辩”的三合一模式进行考核[9]，这种考核模式比只看最终得分结果的卷面考核更能充分考查学生在C(构思)、D(设计)、I(实现)、O(运行)四大环节中对各环节相应能力的掌握情况，能更加全面的考察学生的学业水平。

以CDIO 倡导的“过程评价”为基础，关注知识、技能的学习过程，关注实践环节及工程应用能力，关注学生在整个过程中每个环节的表现，做出客观和实际的评价[10]。并且每个环节都有自身的作品，以“实物作品+相关报告或论文+现场答辩”相结合的方式进行考核，侧重强调的是学生课程实践能力和解决问题的能力。考核办法具体实施方案如下：

1)考核总体分为3个环节，分别是设计环节、制作与调试环节、程序编写环节。

2)考核每个环节的内容分别是：当前环节的作品任务、当前环节的实践报告、当前环节的答辩情况。

3)考核每个环节用定性的考核方式代替传统的分数考核。在每个环节实施过程当中都以定性的方式，通过或不通过的形式进行考核，强调对学生是否具备每个阶段的能力来实施考核。

4)考核的每个环节都要进行现场分组答辩，让学生锻炼自我的表达能力。

学生成绩考核变单一考核为复合考核，变静态考核为动态考核，既提高了学生对平时学习的重视程度，激发了学生学习的进取性，又考核了学生实践每个环节的掌握情况，真实且客观地对每位学生进行全方位的考核，潜移默化地提高了学生综合素质。

2教学改革实践及效果

将CDIO教学理念融入实验课程，让实验课程变成工程实践课程，对目前课程教学状况的改善、学生的动手能力和职业素质的培养具有重要意义。具体改革实践如下。

2.1教学改革案例

2.1.1电路版图设计实践

“工程实践”课程整合和扩充了部分现有课程的内容并开设了部分新的内容：在内容上该课程整合和扩充了现有的“PCB版图绘制”的内容，将原来作为理论课的PCB绘制作为整个课程的第一个环节，为这门本该有大量实践的课程配备了后续的实践验证环节，弥补了原课程只有理论没有实践的缺陷。在这个环节中学生除了能学到原课程中关于Altium Designer的使用方法和绘制PCB的基本步骤以外，还将增加：如何根据器件数据手册创建原理图符号和PCB封装；如何根据器件实物创建原理图符号和PCB封装；多层PCB的绘制；高速PCB的绘制；如何导出工厂制作PCB所需的各个文件；PCB的实际制作等6个环节。这6项新内容，让学生了解设计PCB的全套流程并掌握能够用于实际工业生产的PCB板的绘制规则，最后通过在学生的设计中选择品质较高的进行加工制造，让学生体会到PCB版图设计的真实感并增强学生的成就感，激发学生对后续课程的学习热情。

2.1.2电子装配实践教学

借鉴“电子装配实训”的模式，紧密衔接第一环节的内容，以第一环节中学生设计并提交给工厂生产出的PCB为核心材料新增装配环节的内容。该部分内容作为前一环节的后续着重让学生在掌握相关基本原理的前提下，借助“电子装配实训”所奠定的基本焊接技能组装并调试相应的硬件。该环节同第一环节构成整个课程的硬件设计环节。本环节内容将带来以下优势：

1)让前一环节设计出的PCB投入实际制作，让学生进一步理解PCB设计的重要性，明白PCB设计中所绘制的版图是做什么用的；

2)在“电子装配实训”所打下的基础上深化内容，由单纯的不求深入理解原理只为训练基本焊接技巧进一步深化为深入理解原理、自行设计硬件、自行制作硬件，以体验现实项目工程中的硬件设计流程；

3)为后续内容提供学生自己亲手制作的硬件平台，激发学生进一步深入学习的同时也使学生意识到如果这一环节不认真学习不仅将会影响该环节的考核结果，还会造成后一环节的学习受到影响，从而避免现在常见的考完试就立马将所学知识忘得一干二净的情况。

2.1.3C语言实践教学

扩展了现有“C语言”的内容在原课程的基础上结合单片机或SOC等硬件进行针对性的嵌入式C语言实训作为工程实践的嵌入式软件基础环节。该环节以第二环节制作的硬件成果作为目标硬件实验平台，着重培训学生掌握针对既定硬件的C语言编程方法。本环节内容将带来以下优势：

1)巩固C语言课程中学习的基础内容，深入学习嵌入式编程中常用的部分，加深对所用部分的理解；

2)学习掌握常用嵌入式集成编译环境软件的使用方法以及在集成编译环境软件中如何编写、调试嵌入式软件；

3)结合硬件进行编程学习，使学生进一步了解C语言是如何控制嵌入式硬件进行工作的。

通过这一部分的学习，将会使学生了解嵌入式C语言编程同普通C语言编程的区别、嵌入式C语言编程的一些特点以及嵌入式C语言程序的调试方法，避免了以前的教学体系中学生直接从普通C语言编程突然转到对单片机编程时因为没有中间过渡环节而手足无措的问题。

2.1.4单片机实践教学

整合和扩展了现有“单片机原理”“单片机应用实验”的内容，将原来独立开来分别作为纯理论课的“单片机原理”和作为纯实验课的“单片机应用实验”两门课程融合在一起并增加部分新内容后作为“工程实践”课程的最后一个环节即软件设计环节。该环节同样以第二环节制作的硬件成果作为软件调试的硬件实验平台，相比原课程直接使用现成的实验箱有如下优势：

1)使用学生自己亲手设计制作的硬件平台，对硬件拓扑结构及连接逻辑认识更清晰，避免原课程中经常出现的不熟悉硬件拓扑结构而导致的各种连接错误；

2)出现硬件故障时能及时分析可能的故障点并排除，避免原课程中经常出现的遇到故障后一头雾水不知从何入手排除的情况；

3)学生使用自己亲手设计制作的硬件平台会更加爱惜，避免原课程中经常出现的实验箱配件损坏和遗失；

4)学生自己亲手设计制作的硬件平台可以随身携带，方便在任何时候进行实验，有利于学生在课后复习预习或者做扩展实验，避免原课程中经常出现的课后找不到地方做实验的问题，课程结束后还可作为后续毕业设计或者课程设计的硬件平台，解决现在毕业设计及课程设计中学生常常受累于找不到合适硬件平台的问题。

2.2教学改革效果

电子综合实践课程教学改革实践证明，融入CDIO教学理念的教学改革对学生有效掌握电子基础知识和进行电子设计项目实践有显著的效果。主要体现在以下几个方面。

1)激发了学生的学习兴趣。

不再局限于课堂讲授的多样化教学形式激发了学生的学习兴趣。学生成为教学活动的主体，改变了以往被动的学习方式，从“被动学习”变成为“主动学习”，增加了学习的主动性，明显提高了学习效率。

2)积累了项目实践经验。

改革后的教学环境为学生提供了工程项目实践机会，学生按照实际工作的要求参与到项目的设计与实现中来。通过动手操作，学生将所学理论知识用于实践。

3)培养了团队合作精神。

教师以小组合作模式来组织教学活动，学生通过团队交流、分工合作、克服困难，从而培养学生的团队协助精神[11]，提高了学生的综合素质。

4)学生对课堂教学评估。

3结束语

将CDIO工程教育模式引入到电子综合教学实践课程的改革当中，既适应现代教学模式的要求，也符合电子类学生对本综合系列课程的需求。成功地实施教学改革，不仅能够达到本课程的教学目标和满足学生对知识的需求，还能提高学生的综合素质和整体能力，为他们以后的人生之路打下良好的基础。本次改革的教学内容在具体实施过程中，也发现不足之处，我们将进一步深化课程教学改革，完成全面电子类实践教学课程改革，建立以CDIO教学理念的实践课程体系，以培养更多具有工程实践能力的电子信息专业人才。

参 考 文 献

[1]梁启文，许棠.基于CDIO教育理念的电子技术实验教学改革研究[J].长春师范大学学报，2015(6):124.

[2]陶勇芳，商存慧.CDIO大纲对高等工科教育创新的启示[J].中国高教研究，2006(11):81-83.

[3]王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究，2009(5):86-87.

[4]顾佩华.重新认识工程教育—国际CDIO培养模式与方法[M].北京：高等教育出版社，2009.

[5]韩绍程，罗长杰.基于CDIO工程教育理念的电类基础实验教学改革探索[J].实验室科学，2011，14(4):47.

[6]张兴强.CDIO高等工程教育模式的研究与应用[J].中国科技信息，2008(23):55-56.

[7]张璇.结合CDIO教育理念与案例教学进行教学探索与实践[J].教育与教学研究，2008(24):155-156.

[8]高雪梅，孙子文，纪志成.CDIO方法与我国高等工程教育改革[J].江苏教育，2008(5):69-71.

[9]李曼丽.用历史解读CDIO及其应用前景[J].清华大学教育研究，2008，29(5)：78-87.

[10]康全礼，陆小华，熊光晶.CDIO大纲与工程创新型人才培养[J].高等教育研究，2008，31(4):15-18.

[11]雷环，汤威颐.培养创新型、多层次、专业化的工程科技人才[J].高等教育研究，2009(5):29-35.

收稿日期:2015-11-16；修改日期: 2016-01-22

基金项目：电子科技大学成都学院教改重点项目(CDIO 14040)。

作者简介：许宣伟(1965-)，男，硕士，副编审，主要从事高校电子类专业的教学管理与教学方面的研究。

中图分类号G642.0

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.03.030

Reform and Innovation of Electronic ComprehensivePractice Course in CDIO Mode

XU Xuanwei，LUO Kai，TANG Yi

(Department of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731,China)

AbstractCurrently,the practice teaching on electronic information cannot provide enough actual practices for students.To resolve this problem,the teaching reform is carried out,which is based CDIO engineering education concept of integrated electronic practice curriculum.This teaching reform changes the traditional experimental curricalm into project based engineering practice course.Specifically,the engineering practice course integrates different existing experimental courses in a reasonable way,and tries to improve teaching contents,teaching forms,teaching methods and assessment methods.Based on these works, a practice teaching system is created from basic to an innovative solution.According to actual applications,it shows that this teaching reform has greatly stimulated students’ professional learning interest,and helps to improve students’ engineering practice ability and innovation ability.

Key wordsCDIO engineering education;practice teaching reform;innovation ability cultivation