基于CDIO理念的“三层次”电工电子实训教学模式探究与实践

李辰 舒睿 刘贵杰

摘    要：随着电子技术的快速发展和其在各个领域的不断渗透，工科专业学生除了要掌握好本专业的知识以外，还要努力掌握好电工电子技术。针对传统电工电子实训存在的相关问题，在CDIO（Conceive、Design、Implement and Operate）工程教育理念的支持下，文章提出了“三层次”电工电子实训模式，旨在通过基础层、综合层和创新层的训练方式，进一步增强学生对电工电子技术的认识，提升其综合能力。

关键词：电工电子;CDIO工程教育理念;“三层次”实训模式

中图分类号：G642      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）10-0063-03

一、引言

随着电子技术的迅速发展和其在各个行业的不断渗透，其应用领域愈加广泛。为了培养高素质的电工电子应用型人才，电工电子实训已成为高等工科教育必要的实践环节之一 [1-3]。电工电子实训是理论与实践相结合，专业知识与综合运用相结合，设计与验证相结合的教学组织形式[4-6]，对学生工程应用能力、解决技术问题能力和创新能力的培养，以及综合素质的提升至关重要。目前，我国技能型人才紧缺问题日益严重，因此，高校应重视技能型和创新型人才的培养。如何在实训教学中改善教学效果，提高学生工程应用能力和创新能力已成为实训教学的重大研究课题，因此，实训教学模式改革意义重大。

二、电工电子实训教学存在的问题

电工电子实训是对电类及非电类工科学生进行综合能力培养的实践教学，既是学生基本技能和工艺知识的入门向导，又是创新实践的开始和创新精神的启蒙[7-8]。但多数高校的传统电工电子实训教学内容一般是焊接组装成套电子产品，即直接在电路板上焊接元器件，并测试其功能，这种教学模式存在很多问题。

（一）实训内容单一，不具有递进性和渐进性

电工电子实训旨在通过焊接元器件得到物理电路，并利用功能测试和验证实验，达到培养学生动手实践能力及解决实际问题能力的目标。然而，传统实训在实施时往往简单、直接且单一，并没有根据学生的专业背景、学科知识特点和认知能力等拟定出具有针对性的训练模式，这使得学生在参加实训时产生跨度大、阶梯性强的感觉，而缺乏递进性和渐进性的学习方式，导致学生学习兴趣降低，极大阻碍实训目标的完成[9]。

（二）实训模式固化，缺乏灵活性和创新性

高校电工电子实训往往承担着全校理工科专业，以及部分文科专业的实训教学任务，但不同专业对于电工电子方面的理论教学目标存在较大差异。实训模式固化易导致参加实训的学生对于相关理论知识的理解深浅不一，如电子类专业学生会认为该实训内容较为简单，且偏向动手操作，而机械类专业学生由于对此部分理论的理解不深，只能“依葫芦画瓢”地做一遍，缺乏深入思考。总之，由于专业的差异性，传统实训模式难以做到因材施教，不利于激发学生的创新思维。

（三）实训内容侧重模仿式操作，以验证实验为主

在传统实训过程中，一般流程为：教师讲解待焊接电路原理，阐述焊接要点，指明注意事项，演示焊接流程;学生按照电路图，逐个选取元器件完成焊接，并进行功能验证和测试。期间，教师協助学生解决遇到的焊接或验证问题。但作者在实训过程中发现，部分学生采取模仿操作的方式，根据图纸依样焊接，遇到问题不自行思考，而是直接咨询教师或周围的同学予以解决，甚至索性不解决，这显然不利于培养学生的实操能力。究其原因，部分学生事先并没有进行电路板设计，只是在成品上焊接组装，缺乏整体把握和完整的认识，仅仅侧重于功能验证，造成学生出现“只是模仿操作而不进行深入思考”、参与度低等问题。

（四）实训内容较为传统，缺乏对新技术的引入

创新思维和新技术是一对“孪生兄弟”，二者彼此交互、彼此促进：创新思维推动新技术的产生和发展，而新技术又会增强人们的创新思维。如半导体收音机这类产品的焊接训练虽然十分经典，也涉及诸多基础电路，如检波电路、增益电路和功率放大电路等，但从应用角度和市场角度出发，此类产品占有率已经相对较少，取而代之的是STM32、飞思卡尔单片机和Arduino开发板等。因此，教师应在实训过程中适当引入，主要使学生了解新技术发展脉络，以培养学生的创新思维，进一步锻炼其发散思维，提升其解决复杂、综合问题的能力。

三、基于CDIO理念的“三层次”实训教学探究

针对上述问题，文章基于CDIO工程教育理念，提出了面向电工电子实训的“三层次”教学模式。

（一）CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念涵盖4个不同的能力层次，即构思能力、设计能力、实现能力和运行能力，给出了12条操作性强和适应性广的标准，如一体化教学计划、工程实践场所、主动学习和综合性学习经验等，对整个理念的实行和验证做了全面系统的指引[10]。CDIO工程教育理念以学生为中心，提供了“由点及线到面至体”的结构层次序列，旨在通过系统的培养模式提升学生全方位的能力。从产品构思到运行为整个周期，让学生在全周期里，通过主动探究、实践操作、有机融合的方式来了解工程、认识工程，从而实现基础知识、个人能力、团队协作能力及工程系统能力4个层面的全方位提升。

下面以“门禁自动控制系统”为例，阐述CDIO工程教育理念在电工电子实训教学中的应用过程（表1）。

通过分析上述教学流程不难发现，结合CDIO工程教学理念，教师可以为学生提供一套项目化、系统化和一体化的实训学习流程。学生在该过程中，可以体会并认识到一个简易系统从设计需求端起始，经过设计、制作、功能验证的中间过程，最终到成品的全流程。如学生通过需求分析可以有针对性地寻找设计要素并拟定设计变量，结合仿真分析策略，能够更加有效地建立起设计端和制作端的联系，预先排除制作过程中的部分问题，以提升制作效率。该方式是目前实际设计制造的基本流程，可以帮助学生建立起理论知识与生产实际间的联系。

利用CDIO工程教育理念可以显著提升实训效果，同时，为了更好地解决电工电子实训教学中存在的问题，教师还需基于CDIO工程教育理念，结合电工电子实训特点予以具体实施和改进。

（二）“三层次”实训教学模式探究

在CDIO工程教育理念的指导下，以解决当前电工电子实训教学中存在的问题为目标，作者提出了基于CDIO工程教育理念的面向电工电子实训的“三层次”实训教学模式（图1）。

作者根据知识体系与能力要求，将实训内容分为3个层次：基础层、综合层和创新层，3个层次既是知识循序渐进掌握的过程，也是促进学生能力不断提升的过程。其中，基础层主要是基本技能、方法的掌握，包括基本元器件（电阻、二极管等）的测量与检测、手工焊接与拆焊方法、常用仪器仪表（万用表、示波器等）的使用方法等。该层次的实训内容聚焦学生运行和操作能力的提升，侧重于动手实践，同时，该层次是CDIO工程教育理念的基础。综合层是培养学生的实现和制作能力，是基础层的进一步延伸及面向创新层的衔接，通过装配和调试收音机或单片机等综合性较强的电子产品，掌握装配、调试和故障排除的基本过程与方法。创新层侧重于实现完整项目，为此，实训课程构建了项目式实践教学环节（图2），门禁系统教学实践流程是该层次的一个具体实例。

各环节有机结合，相互配合，实训教学过程从简单到复杂，从基础到综合，从接受基本知识和基本技能到培养综合能力再到提升创新实践能力，实训内容逐步积累、深化和提高。

四、实训教学实践及教学效果

作者依托中国海洋大学工程训练中心展开电工电子实训，涉及7个专业，大部分专业进行为期1周的实训。现以机械设计制造及其自动化专业为例，对实训教学实践和教学效果展开说明和论述。

基础层的训练耗时2天，在对电阻、电感、电容、集成电路及电源模块等基本器件介绍后，进行上述器件的焊接训练，即可完成第1天实践任务;第2天选择简易电路，如跑马灯和定时器等，进行焊接并测试，同时讲解示波器、可编程电源和信号发生器等仪器设备的使用方法。第3天进入综合层的训练，选择51单片机这种具有较强通用性和含有相对较新技术的器件作为实践对象，由于该器件电路原理较为简单，适合进行训练;教师在讲述基本原理后，即可指导学生完成焊接，在第4天，通过流水灯、继电器和蜂鸣器的实验和测试，建立对51单片机功能的形象认知。第5天进入本次实训的关键环节，即创新层的训练，此处选择51单片机最小电路系统作为分析对象，组内学生自行查阅资料，利用Multisim进行仿真，同时，利用达林顿驱动管，设计步进电机驱动電路;第6天依据设计电路，利用面包板完成电路搭建，进行功能测试，即验证步进电机能够正常旋转、调速和换向;第7天进行小组答辩，阐述和总结设计原理和实施思路。

在实训过程中，相对于传统实训方式，学生能够更加有效地融入该过程，特别是在创新训练方面，与之前仅仅焊接收音机的实训内容相比，学生询问的内容由“某个元器件怎么焊接”“收音机为何不发出声音”转向了“最小系统的基本原理是什么”“步进电机为何要通过达林顿管驱动”，以及“步进电机的控制原理是什么”等。学生在思维方式上已经不再过分在意基础的操作技能，而是在思考所面对器件的基本原理，脱离了之前单纯的模仿式学习，从而使其能力获得了本质上的提升，十分有助于激发其创新思维。除此之外，各组的PPT汇报也提高了组员的协同能力、展示能力和汇报能力等。

五、结束语

文章基于CDIO工程教育理念，提出了一种包含基础层、综合层和创新层的“三层次”电工电子实训模式，分析了该模式的关键组成要素，给出了实施步骤，在实训过程中提出了改进策略，并进行了效果论述，结果表明，该思路和策略能够达到更好的实训效果。

参考文献：

[1]  胡波，冯辉，韩伟力，等.加快新工科建设，推进工程教育改革创新：“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛，2017，15（2）：20-27.

[2]  孙金明，骆雅琴，施晓明，等.电工电子实习课的改革及发展构想[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2003（1）：88-90.

[3]  谢忠志，刘伯生，刘永胜.电工实训课教学的六要素[J].泰州职业技术学院学报，2006（6）：40-42.

[4]  丁姜华.项目教学法在电工电子教学中的应用[J].集成电路应用，2022，39（4）：168-169.

[5]  李治林.电子电工实训课程的教学策略分析[J].集成电路应用，2022，39（11）：102-103.

[6]  张瑞成.电子电工实训的教学实践[J].集成电路应用，2022，39（9）：178-179.

[7]  张林媛，李钊，祁富贵，等.“电子电工实训”课程教学体系优化探索研究[J].教育教学论坛，2022（32）：149-152.

[8]  张圆圆，王跃飞，庄远，等.面向工程能力培养的“电工电子实训”课程改革[J].装备制造技术，2022（6）：193-195;198.

[9]  王永宜.电工电子实习教学存在问题及其突破[J].黑龙江教育（理论与实践），2015，69（2）：41-42.

[10]  于航，郭亚辉，成玉梁，等.基于CDIO现代工程教育理念“食品卫生学”课程教学改革与实践[J].食品与发酵工业，2021，47（18）：315-320.

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

作者简介：李辰（1988—），女，山东潍坊人，中国海洋大学工程训练中心助教，研究方向为电工电子教学。

基金项目：2022年山东省本科教学改革研究重点项目“面向新工科的‘三观协同现代化实践育人体系建构与实践”（Z2022195）;2022年度中国海洋大学本科教育教学研究一般项目“基于CDIO工程教育理念的电工电子实训项目开发与实践”（2022JY190）;2021年度中国海洋大学本科教研重点项目“新工科背景下工程实训教学模式及体系构建与实践”（2021ZD12）