基于CDIO的“數字電子技術”教學改革探討

摘要：在高等教育的電氣工程及其自動化專業中，“數字電子技術”一直以來是一門重要的專業基礎課，具有很強的理論性和工程實踐性。針對傳統“數字電子技術”教學中存在的理論與實踐脫節的問題，將近幾年新發展起來的CDIO教育理念引入“數字電子技術”的理論教學和實踐教學中，通過EDA軟件實現了理論教學和實驗教學的互補，提高了學生的學習興趣，使其能夠主動學習，實踐表明這樣的教學改革達到很好的教學效果。

關鍵字：CDIO；數字電子技術；電氣工程及其自動化；EDA；Protel

作者簡介：張妤（1980-），女，黑龍江哈爾濱人，東北林業大學機電工程學院，講師；白雪冰（1965-），男，黑龍江哈爾濱人，東北林業大學機電工程學院，教授。（黑龍江 哈爾濱 150040）

基金項目：本文系東北林業大學教育研究課題項目（項目編號：DGY2011-01）、東北林業大學重點課程建設項目“數字電子技術”、東北林業大學重點課程建設項目“電機及拖動基礎”、東北林業大學教育研究課題（課題編號：DGY2010-10）的研究成果。

中圖分類號：642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）26-0053-03

“數字電子技術”是電氣工程及其自動化專業教育中的一門重要的專業基礎必修課，與其他專業基礎課相比，不但具有很強的理論性，而且具有工程實踐性。除了要讓學生能夠扎實掌握基本理論和概念，還要具有分析和設計數字電子技術的能力，最終能夠進行常用邏輯電路的設計。所以，隨著社會的發展，以及學校規模的擴大，傳統的教學方法已經不能適應現代社會對工程人才的需求，因此優化該課程的教學方法，對提高該課程教學質量至關重要。

自從20世紀90年代起，針對工程人才教育質量難以適應社會需要的問題，國外的專家提出了對工程人才教育的改革，其中，CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）即“構想—設計—實施—操作”，是影響最廣泛、接受國家最多的一種教育模式。因而，將CDIO教育理念通過EDA（Electronic Design Automation）軟件應用到“數字電子技術”的實際教學當中，用EDA軟件構建虛擬的數字電路學習和設計環境，可以實現對基本理論和概念的闡述證明、實現實驗教學、進行課程設計等，便于學生們掌握相關知識。[1]

EDA即電子設計自動化，是工程技術人員進行設計、開發和制造過程中最重要的部分。EDA技術是在電子CAD技術基礎上發展起來的計算機軟件系統，以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果進行電子產品的自動設計。[2]

本文主要是針對傳統“數字電子技術”理論教學和實驗中的不足，分析了CDIO 教學理念，通過EDA軟件的使用，提高了學生的學習興趣，達到很好的教學效果，同時利于后續相關課程的學習，并為就業后的實際操作能力的培養奠定了基礎。

一、傳統“數字電子技術”教學方法的不足

目前，我國高等教育的改革熱點之一，就是如何培養兼具專業知識和能力素質的創造型工程人才。對于電氣工程及其自動化專業的畢業生，更要具備現代化工程環境中成長和生存的團隊精神，這已經成為這個新時代賦予高等院校的教育責任。

以往的經驗表明，無論國內還是國外，雖然工科高校畢業生畢業時已經學習了很多理論知識，也具備了一定的動手能力，但是在成為真正的工程師之前，還需要培訓1～2年的時間。[3]因此，培養學生的工程意識、創新意識是高等工程教育亟待解決的問題。“數字電子技術”的教學更是如此，因其具有較強的工程實踐性，更加需要培養學生的工程意識、創新意識。

在理論課教學方面，傳統教學方法多采用灌輸式、照本宣科式的講授方法，學生只是認識了一個電子器件的邏輯功能，并不能將其和實際的應用相聯系。學生大多數處于一個被動學習的狀態，遇到問題發現問題后不能主動學習。

在實驗課教學方面，傳統教學也有很多不足之處。例如：課程設計中大多采用“自上而下”的方法，用固定功能的芯片設計一個系統。這種方法不夠靈活而且效率低，需要的芯片數量品種多、糾錯困難。此外，每年千余名學生開設數字電子實驗，要投入大量的實驗器材和足夠的實驗場地，而且隨著題目的不斷更新，要不斷補充和更新器材。受到這些因素的制約，通常是一屆的學生都做1～2個題目，由于查錯困難，學生精力過多花在如何正確連線上，因而會覺得課程枯燥乏味，興趣索然。此外，實驗多為驗證性實驗，學生大多認為簡單不用預習，只是簡單觀察實驗現象。[4]因而，這樣的實驗不能夠培養學生分析問題解決問題的能力，有時甚至會影響到學生們對于這門課程的學習興趣。

由以上分析可見，傳統“數字電子技術”教學方法，已經不能跟上現代社會的發展步伐，不能夠激發學生的創造能力，因此改革勢在必行。教育創造學生價值，強調知識的運用比知識的擁有更重要。[5]

二、CDIO理念

由美國麻省理工學院等四所工程大學發起，全球23所大學參與，開發出的CDIO理念是一種新型的工程教育模式，其涵蓋的四個過程，來源于產品/系統的生命周期過程，涵蓋了絕大多數的工程師必要的專業活動。它以制造使用便捷的產品為目標來培養工程師。

Mc Kinsey Global Institute在2005年10月發表的一份報告稱，中國2005年畢業的約60萬工程技術人才中，適合在國際性公司工作的不到10%。而這其中的原因，其分析為“中國教育系統偏于理論，中國學生幾乎沒有受到項目和團隊工作的實際訓練，相比之下歐洲和北美學生以團隊方式解決實際問題”。

在法國有200多所工程師學院實行高等工程教育，學生需要經過2年的預科學習后考入學校，在之后的三年里去企業（國內或跨國公司）分別實習一個月、兩個月、三個月，共六個月的工業實踐時間。畢業后頒發在歐盟和北美有很強權威性的工程師證書，構成了國家、學校、企業、教師和學生五位一體的工程教育培養體系，確保了培養質量。

在我國，2010年中國民航大學召開2010年工作會議上提到，2010年該校將啟動人才培養模式改革，以電子信息工程專業為試點開展工程教育CDIO人才培養示范區建設，首次將CDIO改革列入工作計劃，并把它把在各項工作的首位。

2010年2月，由教育部CDIO工程教育模式研究與實踐課題組試點工作組主辦、汕頭大學和成都信息工程學院聯合承辦的“2010年度全國第一次CDIO工程教育模式試點工作會議”在北京召開，39所試點高校共派出近140名代表共同討論2010年度工作任務與計劃，國家第五批高等學校特色專業建設點中的11個CDIO特色專業的負責人，以及教育部高教司理工處代表共同出席了會議。2010年6月，華中科技大學光電學院在光電國家實驗室召開“光電器件專業方向CDIO本科培養計劃”專題研討會。

所以，無論在國內還是國外，“數字電子技術”的教學，正向著理論與實際相結合、設計與應用相結合的方向發展，更加注重學生動手能力的培養，從而激發學生的創造能力，為以后的工作奠定堅實的基礎。

三、基于CDIO理念的EDA軟件在“數字電子技術”課程教學中的應用

1.課堂理論教學方法的改進

“教”的質量的提升，要靠轉變教學理念，改變課堂教學方法。第一，根據授課內容特點，選擇和組織課堂內容，并著重于分析及解決問題的思路，還要與時俱進地引入本學科的新技術，豐富學生知識面。第二，多采用啟發式教學、引導式教學、提問式教學、實例分析教學、基于任務教學等先進的教學方法。第三，改變教師在教學中的角色，與學生一起學習，在教學活動中扮演亦師亦友的角色。由于CDIO強調把職場環境作為工程教育環境，而不是作為工程教育的內容，因此教師應通過積極參與的方式幫助學生調控好自己的學習態度，進而激發學生學習的主動性。

例如，不同于以往照本宣科式的授課方法，通過EDA軟件來演示信號流向或者器件之間的連接，讓單一的知識點能夠連接起來，讓枯燥的知識“動”起來，更加直觀，同時也調動了學生的學習興趣和熱情。

2.實驗教學方法改進

東北林業大學機電工程學院（以下簡稱“我校”）除了“數字電子技術”的實驗課之外，還有為期一周的單獨設課的電子綜合實驗課。大二學生在修完“數字電子技術”、“模擬電子技術”課程后，會進行電子綜合實驗，在實驗中引入EDA軟件做大量的嘗試。這樣做加強了實踐與理論教學的互補，貫穿整個課程體系，豐富了實踐內容。“數字電子技術”課程實踐教學的新路子改變了傳統“數字電子技術”課程實驗方法，在實驗題目選擇、實現過程、設計環境、結果評價四個方面做了有意義的嘗試，形成了行之有效的經驗與方法，取得很好的教學效果，具體體現在：

首先，嚴格要求學生課前預習。預習并不是簡單看看實驗指導書，不動腦思考抄抄實驗步驟，而是要求學生預習時，要利用計算機EDA軟件模擬仿真將要做的數字電路實驗。在此過程中，學生不但掌握實驗的預備知識，還能夠發揮自己的創造力，嘗試各種實驗方案。這樣，可以大大提高實驗教學質量，又可減少因電路連接錯誤而發生的儀器損壞。

其次，實驗安排中結合驗證性實驗和綜合性實驗。按照從易到難的數字電路設計過程，讓學生在完成實驗的過程中，掌握數字電路的設計思路和方法，掌握EDA軟件的應用方法，并且在實驗完成后，挑選部分學生與大家一起分享實驗部分典型的分析設計過程，幫助其他同學提高。

最后，合理地評價設計成果，客觀給出成績，并不以最后的實驗結果作為成績評定的唯一標準，而是對設計過程的每個環節都給出量化的評分標準，同時加入針對學生創新成果的評價，進一步鼓勵學生的創新意識。

3.關注個性化教育、培養創新型人才方面的改進

個性化教育是高等學校培養學生創新能力的重要途徑。在教學中首先要從培養學生對這門課程的興趣入手，如通過設計案例的演示，激發學生對所學知識的興趣。在具有感性認識的基礎上，循序漸進地總結解題思路、算法設計以及構思，再提升到理論高度，體會用計算機設計解決問題的技術與方法。其次是將學生從“被動實踐”引入到“主動實踐”中去。“被動實踐”是指實踐的對象、方法、程序各要素是由教師制定的，學生在教師制定的框架內去完成實踐內容，在預定的路徑中無需發揮個性和想象力，即可完成任務。而“主動實踐”的關鍵在于調動和激發學生對系統設計的興趣和渴求，讓學生最大限度地參與實踐設計的各個環節，包括對象的確定、方法的制定、電路設計以及問題質疑、分析總結等。在“主動實踐”中，學生的質疑力、觀察力、協同力等能力都能得到培養，個性才能夠得到充分的發揮，這是培養創新能力的關鍵。

四、結束語

通過我校電氣工程及其自動化專業近幾年的“數字電子技術”的實際教學成果表明，在電氣工程及其自動化專業的“數字電子技術”課程的教學中引入EDA軟件技術，克服了以往傳統教學方法中的一些不足之處，不但提高了理論教學質量，帶動了學生的主動學習能力，而且擴大了學生的知識面和解題思路，經常出現同一題目的多種設計方案。這樣教學的改革，使“數字電子技術”的學習既豐富多彩，同時又與模擬電子技術、電路、單片機等課程互成體系，學生們能夠感覺到學以致用的樂趣，鍛煉了學生對問題的綜合分析能力。學生們的數字電路設計能力大幅度提高，有三位同學分別獲全國大學生電子設計競賽二等獎，全國電子專業人才設計與技能大賽東北賽區一等獎一項，優秀獎兩項。這些成績的取得，均得益于現代CDIO教學理念和EDA軟件技術與“數字電子技術”教學相結合的實踐教學改革。

參考文獻：

[1]辛修芳，李媛.EDA技術與數字電子技術教學的整合[J].重慶電子工程職業學院學報，2010，19（2）：155-157.

[2]王玫，王桂珍，田麗鴻.基于EDA改革數電課程設計——培養學生創新能力[J].電氣電子教學學報，2006，28（4）：18-21.

[3]張相勝，孫蕾.數字電子技術課程教學和實踐內容的改革[J].江南大學學報（教育科學版），2009，29（3）：280-284.

[4]韓麗英，呂曉玲，喬良.以培養實踐技能為中心的數字電子技術教學方法探討與實踐[J].科技教育，2010，（12）：217-219.

[5]劉金華.“數字電子技術”基礎課程引入案例教學的探討[J].黃石理工學院學報，2009，25（4）：57-59.

（責任編輯：王意琴）