軟件工程專業的數字電路CDIO實驗教學設計

摘要：在軟件工程專業數字電路的實驗教學中，普遍存在硬件基礎薄弱、動手操作少、工程能力受限等特點，針對這些現狀，文章闡述介紹基于CDIO工程教育理念的數字電路實驗教學模式，提出將課程教學與涵蓋多數知識點的實際工程項目有機結合的授課方式，使學生在做中學，在學中做，不斷提升其工程實踐能力。

關鍵詞：數字電路；CDIO；實驗教學

軟件工程專業是實踐性很強的工科類專業。培養能夠適應經濟社會發展的高素質的應用型、創新型軟件人才是我們的最終目標。然而，目前國內外普遍面臨工程人才缺乏、工程教育質量良莠不齊等問題。因此，如何革新教育理念、改變教育模式、提高學生的工程素質是每一位教育工作者都應該思考的、不可回避的重要課題。

數字電路作為軟件工程專業的一門重要的專業基礎課，要求學生不僅要掌握數字邏輯電路的課程知識，還要具備分析和解決實際工程問題的能力，具有很強的工程實踐性。長期以來，由于本身的專業特點及學校對硬件課程的重視不夠等問題，學生中普遍存在電路及硬件基礎薄弱、動手操作能力差等現象，加上傳統實驗模式的諸多弊端，導致學生缺乏解決實際問題和工程綜合的能力，無法適應新世紀對軟件人才的需求。

1、全新的CDIO教學理念

傳統的數字電路實驗教學通常安排在理論教學之后，實驗內容基本按照理論課程的進展逐一開設，以驗證理論知識為主，實驗類型多是單純的驗證性實驗和簡單的設計性實驗。

這種模式的弊端在于：①實驗教學與理論教學的界線過于明顯，二者相輔相成、相互促進的關系無法得到體現；②實驗項目缺少工程性，各實驗內容孤立存在，缺乏相互間的銜接，學生對這些零散的知識很難融會貫通；③以教師為中心，教師是教育的主動實施者，學生則成為知識的被動接受者，學生的主觀能動性受到很大的抑制；④學生獲取的能力范圍有限，除知識能力外，其他方面的能力很難得到提升。

CDIO即構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運作（Operate）的縮寫，是近年來國際工程教育改革的最新成果。它是以美國麻省理工學院為首的全球幾十所著名大學探索實踐出來的一種全新的工程教育模式，給國內的工程教育帶來了一場新的教育改革風暴。

CDIO以產品研發至產品運行的生命周期為載體，以培養高素質的應用型、創新型工程師為目標，強調工程教育應當關注實踐，將教育過程置身于產品/系統生命周期的具體環境中，培養學生各方面的工程能力。這種能力不僅包括知識學習能力，而且包括工程組織能力、團隊交流能力以及在企業環境下的項目構思、設計、實施和運作能力等。

CDIO是一種倡導“做中學”的新型工程教育教學模式，將它引入到數字電路實驗教學的優勢在于：①打破先理論、后實驗的傳統教學模式，以實際工程項目為主線來組織課程，理論課與實驗課均圍繞項目來開展，實現理論和實踐的一體化教學；②實際工程項目被分解成不同的實驗子項目，并被穿插到平時的實驗中，實驗子項目間形成一個緊密聯系的有機整體；③堅持以學生為主體，教師為主導，通過項目的一步步實施，不斷激發學生探索的欲望和樂趣，不斷啟發學生對項目方案加以創新、完善，主觀能動性得到充分的發揮；④通過小組實驗及項目答辯的形式，學生的表達能力、解決問題的能力及項目組織能力等都得到很好的鍛煉，綜合素質得到提高。

圖1所示為傳統教學模式，圖2所示為CDIO理念下的教學模式，兩圖直觀地描述了CDIO理念下教學模式與傳統模式的區別。

2、CDIO理念下的實驗教學開展流程

根據CDIO的教育理念及其他院校的成功案例，我們對實驗教學的開展流程作了總結和規范，圖3所示為基于CDIO的實驗教學開展流程。

1）實際工程項目：將課程教學與實際項目緊密聯系起來，對教學資源進行優化重組，選取合適的工程項目，并以此為主線來組織課程教學。選擇的工程項目既要涵蓋多數的理論知識點，又要具有一定的實用性、趣味性，從而不斷激發學生學習的興趣。

2）項目分解：工程項目的分解與實施過程，就是學生學習與掌握知識的過程。通過分析，工程項目被分解為一個個由淺入深、層次分明的子項目。教師通過子項目的需求來講解相應的理論知識，實現對項目的自然引入。

3）學生分組及項目調研：將學生分成若干個項目小組，每個小組推選出一名項目經理，負責項目進展把握、資源調配及溝通交流，組織小組成員做好項目調研、資料搜索等工作。

4）方案設計及可行性論證：各項目小組根據所學的知識及充分的資料調研，給出初步的設計方案并對方案進行可行性和可靠性論證。

5）子項目的實施與完善：教師根據各項目組的進展情況及時穿插相關的理論知識，對學生作進一步的啟發和引導，以不斷完善和優化子項目的設計。

6）子項目驗收：項目小組在每一個子項目結束后要提交一份項目報告并由教師對其進行驗收。

7）其他新的子項目：教師根據總項目的進展需求引入其他新的子項目。

8）完成總項目及項目評價：如此周而復始，直至完成整個實驗總項目。最后教師補充項目案例中未涉及的知識點，并組織各項目組進行項目答辯和項目評價。在項目評價方面，針對不同階段的能力培養側重點不同，采取的評價方式也有所不同。

每一個階段都有相應的能力培養目標，基于CDIO教學模式的能力培養如圖4所示。項目分解和實施的過程，也是學生能力培養和發展的過程，通過一步步能力的提升，最終實現學生綜合素質的全面提高。

總之，在CDIO模式下，工程項目的分解與實施過程，就是實驗教學開展的過程，也是學生學習與掌握知識的過程。學生在做中學，在學中做，學習興趣不斷被激發，實現了快樂學習。

3、CDIO理念下的項目設計

結合上述CDIO實驗教學流程圖，我們選取交通燈控制系統為實際工程項目。最簡單的交通燈控制系統應包含如下功能：紅燈亮表示該通道禁止通行；綠燈亮表示該通道允許通行，且允許左轉彎；紅燈、綠燈按一定的時間交替顯示，顯示的時間可以相等，也可以不相等；紅綠燈交替顯示之前（如4s）黃燈閃爍；采用“手動/自動”開關對信號燈進行控制；手動控制狀態下，紅綠燈直接翻轉，黃燈不閃爍（功能擴展部分內容）。

根據以上要求，交通燈控制系統被分解成以下幾個子項目：

1）時鐘信號產生電路：可選用555定時器來產生時鐘信號，利用分頻器進行分頻，得到秒脈沖，作為計數譯碼顯示部分的計數脈沖。

2）減計數控制：實現紅燈或綠燈顯示時間秒遞減功能，可用觸發器實現，涉及時序邏輯電路知識。

3）譯碼控制：當減計數控制計數到4s時，黃燈閃爍，當減計數至0s時，實現紅綠燈交替，并重新置入設置的初始值，可通過譯碼器實現，涉及組合邏輯電路知識。

4）時間顯示電路：顯示計數器的計數結果，時間顯示為2位，故可用2位數碼管來顯示。

5）初始值設置電路：設定紅綠燈顯示時間長短，可由撥動開關和編碼器實現，涉及組合邏輯電路知識。

6）紅綠燈切換電路：實現紅綠燈的“手動/自動”切換，可用數據選擇器來完成，涉及組合邏輯電路知識。

7）紅綠燈控制電路：實現“手動/自動”狀態下對黃燈的不同要求，可由簡單的門電路實現。

根據上述思想，交通燈控制電路被分解成很多不同的實驗子項目，并被穿插到平時的實驗教學中。教師根據項目需求，講解基礎知識，又在講解基礎知識的過程中，導入相關的實驗目標，實現理論與實踐的一體化教學。同時，我們鼓勵學生積極思考、勇于探索，學會在眾多的知識中提取項目相關的知識，并學會將所學知識加以轉化以增強分析和解決實際問題的能力。

從項目的發布到一步步實施，學生的實驗興趣漸學漸濃。他們不僅從中體驗到了探索的樂趣，同時也加深了對知識的理解。而且，由于實驗項目涵蓋知識面廣泛，內容前后聯系性強，有利于學生掌握和構建完整的知識體系。

4、實驗評價方式

傳統的實驗考核模式大多是根據實驗報告和實際操作情況給出平時成績（約占30%～50%），期末考試是再進行一次統一命題的實驗理論考試和實驗操作考試（占50%～70%），最后再結合平時成績評定總成績。這種方法總體來說比較科學規范，但標準過于單一，不足以反映學生獨立綜合設計和創新能力。

基于CDIO的數字電路實驗教學的評價注重學生在項目活動中的能力培養及發展過程，評價體系更加多元化，評價內容包括專業能力、項目組織能力、團隊合作協調能力及創新能力等。

針對不同階段能力培養的側重點不同，我們采取的評價方式也有所不同。對階段性的子項目，主要采取提交項目報告及教師評定的辦法。而學期項目除上述評價方法外，還增加了學生互評及項目展示、答辯環節，并邀請企業工程師對學生的工程能力及項目的可靠性等進行評價。

5、結語

CDIO工程教育理念的核心是以“用”導“學”，在做中學，在學中做，理論與實踐緊密聯系、不可分割。這種教育模式可以實現4大轉變：授課方式由“知識講解型”向“項目導向型”轉變；教師由“灌輸者”向“引導者”轉變；學生由“被動接受者”向“主動學習者”轉變；考核方式由“單一化”向“多元化”轉變。

實踐初步證明，這種以項目為主線的、由簡到繁、由淺入深、層層遞進的CDIO教學模式，符合學生的認知規律，它不僅培養學生的知識能力，同時也培養學生項目組織能力、團隊合作能力和創新能力等多方位的能力，不斷促進學生工程綜合素質的提高。