基于CDIO的逆向性实验方法对学生素质的培养

李维敏，张文娟，刘元盛

(1.北京交通大学　电子信息工程学院，北京　100044；2.北京联合大学　信息学院，北京　100101)



基于CDIO的逆向性实验方法对学生素质的培养

李维敏1，张文娟2，刘元盛2

(1.北京交通大学电子信息工程学院，北京100044；2.北京联合大学信息学院，北京100101)

摘要实践教学是培养和提高学生工程素质和科研素质的重要环节，传统实践教学多采用正向性实验方式，由于实践内容的预设和规范性，传统方法培养出来的学生缺乏解决实际问题的能力。文中提出的逆向性实验方法秉承CDIO的教学理念，以模拟电子技术实验为试点，在学生完成正向性实验的基本上，加入逆向性实验内容，使学生在职场工程背景下完成整个实践内容，以培养学生的工程应用能力和科研素质。

关键词逆向性实验；工程应用；科研素质；实验教学

科技是第一生产力，大学生的创新思想和科研素质是科技发展的潜在动力，加强本科生科研素质的培养是国家科技发展的需要。科研素质教育旨在帮助大学生掌握和理解专业基础理论知识，学会独立思考，掌握科研方法及思路，提高科研分析及动手能力，培养其尊重科学、尊重事实的态度。而科研素质教育的目标是让大学生清楚学习是基础、思考是关键、实践是根本，通过一系列教学改革和措施提高其科研素质，使大学生从象牙塔中走出来，摆脱单向思维模式，提高思考和动手能力，更加适应未来社会科学研究和工作，是当前高校教育发展的目标和趋势[1]。

电子技术实验是电子类专业学生的基础类实践课程，通过实验课程使学生能更好地学会如何将理论知识应用于实际。随着科技和社会的不断发展和变化，如何通过改革现有实验课程的方式和方法，以在此基础阶段为学生形成良好的工程、科研习惯和科研素质打下基础，使之今后能更好地学习专业知识、更快地将所学知识应用于科研当中，成为此实验课程改革的重要出发点。基于此，提出了将CDIO理念融入实验课程，并改革传统的单向思维的实验方法，利用逆向性实验方案，培养学生实际解决问题的能力，以此培养学生的工程概念，提高其科研素质。

1CDIO理念在实验教学中的实施

1.1CDIO

CDIO代表构思(conceive) 、设计(design) 、实现(implement)和运行(operate) ，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[2]。CDIO的核心在于根据工程行业对学生知识、能力和素质的要求，以工程设计为导向，以项目训练为载体，重新设置课程和教学模式。CDIO的12条标准和CDIO大纲在“回归工程”的理念下，将工程职场环境特征引入学校作为工程教育的环境特征，在课程体系设计、教学内容和方法、师资建设、评价评估方法等方面进行全面改革，对于培养具有产业需要的素质和能力的工程技术人员至关重要。

1.2CDIO理念对工程和科研素质的培养

实践教学体系是实施CDIO模式的重要载体，构建以项目为主导的知识、技术和能力培养一体化的实践教学体系是实施CDIO工程教育模式的重要环节。基于CDIO工程教育模式，对实验课程进行改革，以学生个性发展为核心，创造虚拟的工程职业环境，以能力培养为目的，将实验内容划分成多个等级的项目，通过分级式的教学过程，培养学生逐步克服困难的毅力。在完成一个个从简到繁、从易到难的分级项目的过程中，培养学生从发现问题到解决问题、把理论知识应用于实际的能力，提高其主动学习和收集信息的能力。CDIO理念在实验教学中的融入，使学生在完成各个实验项目的过程中始终以项目的实际工程应用为出发点来考虑问题，弥补了理论知识中的理想环境和理想参数所造成的一些理想特性与实际相背离和脱节的问题。学生在实验过程中建立的工程概念、养成的工程素质和科研素质，为今后的专业学习和科研工作打下了良好的基础。

2逆向性实验方法的研究

实验室是高校开展实验教学、科学研究和社会服务的基地，是培养学生实践动手能力、科学创新思维、求真务实精神的重要场所。实验教学对学生认知和发展具有促进功能，实验教学与科学研究相结合是培养创新人才的重要途径。本项目结合实际工作环境，以电子技术实验课程为试点，进行“逆向型实验”教学方法的研究，继而希望通过一系列逆向型实验的实践，培养学生在工程环境下的分析及创新能力。

2.1现有单一的正向式实验方式的局限性

图1　正向实验

电子技术实验是高校电类学生必修的专业基础实验课，具有涉及知识点多、仪器操作复杂、实践性强的特点，对学生的要求较高，可以锻炼学生的动手能力，加强学生理论联系实践的能力，为培养应用型、创新型人才打好坚实的基础，对后续课程的学习具有重要作用[3-4]。为了更好地培养学生的能力，电子技术实验的改革一直都在进行中，从片面强调验证性实验转移到加强基本技能的训练，从小单元局部电路为主的实验转移到多模块设计、综合系统电路实验，从单一的实验室内实验形式转移到课上课下、实验室内外多元化实验形式。除课上实验外，还要求学生在后期的设计阶段在课下完成整个的设计和调试过程，在设计过程中自己查找资料、挑选器件，通过仿真调试确定基本方案，然后自行到电子市场上购买所需器件，在实验室将设计好的电路进行焊接、调试、指标测试。通过这种将基本验证性实验、综合性实验和自主设计性实验相结合的形式，学生实践能力有了很大的提高。但在一系列的改革中，学生对于实验的过程始终都是一个正向的实验过程，如图1所示，无论是最初验证性实验还是到最后的自主设计性实验，都是给定实验目的、实验任务和指标，要求最终来完成它。这种过程对于提高学生的利用理论知识进行设计电路、正向分析电路工作原理、根据指标要求选定器件参数的能力有很大的帮助。但在多年的实验教学过程中，发现在整体实验的完成过程中，由于这种正向性的实验要求，使得学生始终专注于如何达到最终的目的，得到所要求的现象与数据，而忽略了在实验以及调试电路的过程中对电路中各种实验现象的测试、总结及分析，造成学生通过当前故障现象、数据指标结合理论知识，逆向分析电路当前工作状态、总结电路问题的能力不足；甚至于很多学生在得不到最终结果的时候，不知道该如何对故障电路进行测试，如何利用自己已经掌握的理论知识来解决当前电路所出现的问题；进而造成学生缺乏对已给定的整体系统进行测试、分析、总结和再设计、创新的能力。同时学生的设计往往只考虑到达到了实验目的，对所设计系统和电路的可靠性、性价比和应用指标范围等重要的工程因素忽略不计，造成学生毕业工作时不能很快地融入科研工作中。

2.2逆向性实验方法的教学方式

为了培养学生通过对整体系统的测试、分析和总结，从而进一步深层次分析电路，并在此基础上进一步创新设计的能力，在此提出逆向实验教学方法。通过这种教学方法，使学生能够从实际应用角度出发，结合所处的应用环境、指标要求以及性价比等工程因素，学会如何对由各单元电路所组成的一个完整的电路系统进行测试，通过测试的数据结果对系统的当前状态进行分析、总结，找出问题所在，从而进行改进和再设计以满足最终的工程应用要求。

这种逆向性的实验同样需要由浅入深的教学方式，分层次进行。

2.2.1第一层次

在前期的验证性实验阶段增加一些与此实验内容有关的故障检测内容，使学生在完成基本内容测试的前提下，学会如何对故障波形进行测试、并结合已掌握的理论知识对电路进行反向分析、计算和总结，从而确定问题，并通过电路结构或参数的调整来解决问题。如模拟电子技术实验中的经典实验“三极管单级放大器的测量”，这是一个经典的验证性实验，通常的正向性实验内容是要求测量参数发生变化时各种状态下的静态工作点，以及放大电路在最佳状态下的性能指标。基于第一层次的要求，此实验可先通过正向性实验方式测量实验所要求的各项内容，之后可进行逆向性实验内容测试：1)首先对电路输入小信号后观测是否实现了放大的功能；2)当电路没有实现放大功能时，测量电路的静态工作点，结合理论知识，通过对静态工作点数据的分析，确定电路的状态及电路中不合理的器件参数，经过计算后确定需要调整的参数范围，对电路进行参数调整已达到对小信号进行正常放大的功能；3)提出放大器的指标要求，当测量出现有放大电路的性能指标不满足要求时，确定没有满足指标要求的重点器件参数，重新计算参数或调整电路结构以满足指标要求。通过这一逆向性实验过程，使学生掌握：现象观察—数据测试—理论分析—改进问题这一分析调试过程，加强学生发现问题并通过理论与实践相结合解决问题的能力，从而增强学生调试电路的能力。

2.2.2第二层次

增加一些具有代表性的单元电路的测试、分析及总结的逆向性实验内容，供学生选择。要求学生对电路进行功能及极限参数的测试，通过对各波形、数据和电路结构的分析，总结电路功能，明确电路的关键结构和参数，并从工程应用的角度出发，总结电路的应用领域、应用的指标范围。例如运算放大器的应用，运算放大器根据其指标要求分成多种类型，如通用型、高精度型、高速型等等，可通过对同一电路在不同应用领域、不同指标范围的测试，使学生从现象及数据的观测中掌握不同条件下需要选择不同类型、不同指标的运算放大器，明确理论中的理想情况的讨论与工程实际应用中的差异，从而使学生学会如何将理论上的设计与具体的工程应用相结合，在实际应用中如何根据系统的参数、性价比等要求进行选型。

2.2.3第三层次

要求学生对一个现有的整体系统进行测试和总结，分析整体电路结构、参数特点，对系统的优缺点进行评价，提出改进思想，当应用环境、指标范围发生变化时，能够根据新的要求找出现有系统无法满足新要求的问题所在，并从工程应用的角度出发对电路进行再设计，以满足当前功能和指标的要求。

图2所示以一个成熟的产品作为逆向型实验的开始，该产品完全能够满足正向实验中的实验要求。逆向型实验中首先要求学生对产品进行功能和参数测试，对照测试数据和正向实验中所要求的功能和参数的差异；下一步要求学生通过测试重绘产品的电路图，并利用仿真工具对电路进行分析，对照正向实验要求完成产品的逆向理论分析；然后从产品性价比、适用范围、电路结构、参数及布局合理性等方面，将此产品的方案与其他类似方案相比较，总结其对应的优缺点，为系统的再次设计打下基础。

图2　逆向实验

3逆向性实验方法在教学中实施后的成果

在电子技术实验教学的实施中，将逆向性实验教学的理念融入其中，通过以上循序渐进的方式，从最基本的现象观测、数据逆向分析开始，先培养学生对现有电路的观测、调试能力，然后逐步引入工程实际应用的概念，在后续的实验过程中始终将各单元电路或电路系统置于实际情况的产品应用条件之下，使学生能时刻感觉到是对一个产品的某一电路环节进行分析、设计及调试，而不是单纯的对书本上的某一电路进行理论公式计算，这正是CDIO的“回归工程”理念的体现，这一理念通过一系列的逆向性实验过程及方法得以实现。学生在器件参数、选型上从小的单元电路开始到大的电路系统的设计和分析过程中，逐渐形成将电路和系统的分析及设计与实际工程应用相结合的习惯，不再仅仅是考虑功能和指标上的理论设计及参数计算，还同时结合此电路在实际应用中所处的温度、空间环境及性价比等实际要求，进行多方面考虑，从不同的角度出发比较选择出电路模型及器件型号的最优方案，最终实施。

4结束语

学生在实验的过程中提高了实践及理论水平，有了工程应用的概念，增强了学生将课堂上学到的理论知识应用到实际的工作、科研之中的能力，为其今后的工作和科研打下了良好的基础。

参 考 文 献

[1]梅瑞斌，齐西伟.浅谈大学生科技创新教育和科研素质培养[J].科教导刊，2012，28(10)：64-65.

[2]陈刚，张增良，崔瑞雪，等.基于CDIO的电子信息类专业教学改革[J].北华航天工业学院学报，2012，22(2)：28-30.

[3]王建平，马卫国.模拟电子技术实验教学改革与探索[J].中国教育技术装备，2012(30)：116-117.

[4]肖靓，刘凌.培养学生科研素质的实验教学改革与实践[J].实验科学与技术，2013，11(1)：134-136.

Method of Reverse Experiment Based on CDIO for Training Students’ Quality

LI Weimin1，ZHANG Wenjuan2，LIU Yuansheng2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering，BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044，China；2.InstituteofInformation，BeijingUnionUniversity，Beijing100101，China)

AbstractPractice teaching is an important link of cultivating and improving students’ engineering quality and scientific quality.The traditional practice teaching by using the forward experiment method to teach students do the experiment.Because of practice contents’ presupposition and normative，students cultivated by traditional method lack the ability to solve the actual problems and the whole process of training from as the carrier research and development of product to product operation under the market background.This paper puts forward reverse experiment method with the CDIO teaching philosophy which makes students complete the whole practice content on-the-job field engineering background using joining the reverse experiment contents based on the forward experiment in analog electronic technology experiment for the pilot.This method has a good effect on improving college students’ practical level and cultivating the engineering application ability and scientific research quality.

Key wordsreverse experiment；engineering application；quality of scientific research；experiment teaching

收稿日期:2014-11-19；修改日期: 2014-12-24

基金项目：北京交通大学实验室研究课题资助项目。

作者简介：李维敏(1972- )，女，硕士，高级工程师，从事电子技术课程的理论及实践教学工作。

中图分类号G642.0；G641

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.035