基于CDIO模式的模擬電路課程教學的改革與實踐

肖卓磊,李慶瑞,劉爭艷

（阜陽師范學院計算機與信息工程學院，安徽 阜陽236037）

基于CDIO模式的模擬電路課程教學的改革與實踐

肖卓磊,李慶瑞,劉爭艷

（阜陽師范學院計算機與信息工程學院，安徽 阜陽236037）

摘要：針對模擬電子技術基礎課程教學過程中存在的問題，運用CDIO工程教育理念，在教學內容、教學方法、實驗方式和考核方式等方面進行一系列的改革與實踐，有效提高學生的工程實踐能力和團隊合作能力.

關鍵詞：CDIO；模擬電子技術；項目實踐；教學改革

隨著電子信息科學技術的不斷發展，電子類及計算機類專業的就業問題日益突出，一方面社會對于工程技術人員的需求日益增大，另一方面，高校教育規模持續擴大，畢業生的工程技術能力和專業素養卻在下降，傳統的人才培養模式培養的人才只懂科學研究，不懂實踐創新，工程應用能力很差，無法適應社會或專業領域的需求.如何培養出能夠綜合應用理論和實踐，具備專業知識和技術手段的工程技術人才，是高等教育改革重要的關注點.CDIO高等教育模式通過構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運作（Operate）四步，在工程教育中聯系實踐，培養和提高學生的工程能力和團隊協作能力，從而為社會和企業造就合適的人才［1］.

“模擬電子技術基礎”作為高等院校電子技術專業的專業基礎課，課時少，知識點多，物理概念抽象，專業性強，學生學習的興趣往往不夠強烈.將CDIO高等教育模式引入該課程的教學與實踐環節中，能夠有效提高課堂的教學效率和學生的應用實踐能力.

1　模擬電子技術課程存在的問題

1.1教學內容取舍

“模擬電子技術基礎”課程共10章68個學時，其中51個講授學時，17個實驗學時，實驗共分為8次，在期中開始.模電課程的學習時間緊，任務重，理論學習平均每個大章有5個學時，目前各大高校采用的教材大多數是偏重于理論知識的描述，實踐內容偏少，知識點多，電路形式多變，教師為了整體教學進度，往往舍棄一些章節的學習.對于學生來說，模電課程的知識比較抽象，要在短時間內掌握如此多變的電路形式和計算分析方法，存在一定的難度，如何將理論知識應用于實踐中是迫切需要解決的問題.理論和工程實際應用的相脫節，造成前后知識不連貫，由此增加學習的難度，學生也容易因此產生畏難心理，不利于模擬電路課程的學習.

1.2教學方法不當

目前模擬電子技術課程的授課方式還是采用傳統的課堂講授方法，在課堂教學過程中，教師一般采用灌輸式講解，側重于講解各類器件和電路內部的結構和原理，討論如何去分析計算電路參數.學生想要完整掌握課堂知識需要耗費極大的精力，加上教師沒有刻意啟發引導，學生對于各類器件和電路的認識僅僅停留在看到電路圖會分析會計算的程度，對知識的綜合運用能力和實際操作能力十分欠缺.比如如何根據要求去構建一個合適的電路，選取哪些器件，如何去調整各類參數使電路達到最佳狀態等方面，沒有太多涉及.甚至有的教師本身缺乏工程實踐經驗，嚴重影響到工程教育質量的提高［2］.

1.3實驗環節匱乏

目前，大多數的模擬電路實驗安排在期中開始，只有17個實驗學時，共進行8次實驗內容，學生通過硬件實驗箱對實驗內容進行模塊化操作，只需用導線將電源連接到相應的實驗模塊上，然后進行相關電路參數的測量.這樣的實驗沒有太多的實踐操作性，無法鍛煉學生發現問題、分析問題及解決問題的能力，只是簡單的重復步奏.而且大多數實驗為理論驗證型實驗，設計性和綜合性實驗很少，再加上學生人數過多，實驗場地有限，只能進行分組實驗，最終每個學生的實際操作時間就會很少，學生對于這種應付式的實驗方式，自然沒有太大的興趣，自然不可能通過實驗掌握和提高自己的工程應用和設計能力.

1.4考核方式單一

模擬電子技術作為一門專業性很強的工程應用課程，考核方式應該和工程應用掛鉤，但是，現行高校的考核方式單一，往往利用傳統的閉卷考試，通過選擇、填空、計算等題型來考察學生對于書本理論知識的掌握程度，學生為了應付考試，只是單純的掌握書本理論知識就可以通過考試，同時由于實驗成績并不計入最終成績，導致學生對實驗課程缺乏熱情，最終學生損失的是他們的實踐能力和團隊協作能力.

2　CDIO模式下模擬電路課程的改革與實踐

基于CDIO工程教育理念，以CDIO的12條標準為指導思想，對“模擬電子技術”課程教學進行了初步CDIO應用探討，具體措施有以下幾方面.

2.1教學內容的改革

CDIO主張“做中學”和“基于項目的教育學習”，在教學過程中，以項目為動力，以案例為依托，把課堂教學環境模擬成CDIO模式下的工程教育環境，即以產品（項目）構思、設計、實現和運行的生命周期為載體來組織教學.

（1）緊跟當前電子技術的發展.電子技術的發展趨勢是分立元件向集成電路發展，因此單一元件或電路就顯得不重要，在后續章節及實踐教學中比例不高.半導體器件、二極管、三極管及場效應管，書本通常是對其內部結構、工作原理及伏安特性加以詳細的說明，任課教師唯恐講解的不夠深刻，結果就是學生覺得枯燥并且在后續章節根本用不到.因此，在教學過程中，教師只需講解半導體、二極管、三極管等器件的外部特性，說明它們在電路中能夠起到的作用，把教學的重點放在引導學生通過電路認識到這些器件，同時了解如何通過這些器件構成電路.

（2）采用“發散思維”［3］對教學內容進行分類闡述.傳統的模電課程教學中過于專注理想放大電路的分析和求解，并且由于時間緊，知識點多，有些章節跳過不講，容易造成學生被復雜多變的電路所困擾，因此，課題組采用“發散思維”的教學方法，通過生動的比喻，將基本電路和基本分析方法貫穿整個教學，引導學生透視復雜電路，在舊電路的基礎上引出新的電路分析，無論集成電路多么復雜，其核心還是最基本的放大電路.例如集成運放F007電路，在通過向學生展示此類電路的結構和功能的過程中，引導學生去將其拆分為最基本的模擬放大基本電路如共射、共集、共基電路，分析它們的共性和個性，討論每種電路在集成運放中所發揮的作用，計算相關參數，為學生建立起宏觀概念，對其中的共射及差分放大進行分析計算，培養學生的工程應用素質.

（3）從工程實際的需求出發，引出相關基本電路.通過將當前模擬電路實際工程應用的產品引入到課堂教學中，引導學生用所學知識去分析產品、發現問題、認識相關電路，在此基礎上進行分析計算，最終徹底掌握知識點，促使理論知識和工程應用技術相聯系，激發學生的學習興趣，加深對基礎理論知識的理解，開闊學生的視野.比如在實際教學中，通過展示LED旋轉燈［4］，向學生演示旋轉燈的功能模塊和具體電路，詳細講解系統的構想、設計、實現和運作，旋轉燈擁有多個三極管，由于電容的作用，每次只能有一個三極管處于放大狀態，通過對電路詳細的講解，學生會逐步了解三極管工作的基本原理以及三極管的三種基本狀態即飽和、放大和截止，能夠認識三極管輸出特性曲線對狀態的分類，以及如何進入三極管的放大狀態等.通過如圖1的內容講解，學生會對工程實際電路有一個初步的認識，通過對實物以及電路圖的學習，對理論知識的掌握更加深入.

圖1　課堂教學過程

2.2教學方式的改革

模擬電子技術知識點眾多，理論知識枯燥，將CDIO理念貫穿于教學方式中，以豐富的教學手段和網絡資源為依托，充分調動學生的自主能動性，激發學生學習興趣，調動其學習積極性.具體措施如圖2所示.

圖2　教學方式的改革

（1）轉變理念，以學生為中心.CDIO工程教育模式培養的是學生的專業基礎知識、工程實踐能力和創新能力等綜合素質，換言之，學生是整個CDIO模式的主體.在傳統的教學活動中教師是主體，學生被動接受知識，教師是整個課堂的中心.這就需要教師轉變原有的思想觀念，改變教學方式，將課堂的中心交還給學生，由課堂的講授者和灌輸者轉變為課堂教學的設計者、引導者和參與者.教師提出問題，鼓勵學生積極參加課堂討論，引導學生自己發現問題、分析問題、解決問題，鍛煉學生的思維能力，培養學生的理論研究能力和團隊合作能力，這些都是CDIO工程教育模式所要實現的目標.

（2）豐富教學手段.教師在教學過程中，采用多媒體與板書相結合的教學手段，在實際引導過程中，利用多媒體，結合EDA等計算機輔助軟件，向學生展示具體功能模塊的結構電路和功能，學生通過Multisim等仿真軟件，結合所學知識，設計并運行仿真電路，得出仿真結果并加以驗證.同時，在對電路分析的過程中，對于抽象的原理，采用flash動畫進行展示，對于一些公式推導計算的過程，教師采用板書和實驗電路仿真驗證的形式，使學生動手驗證電路，參與到整個分析過程中.最后，定期開展課程設計，讓學生自行完成教師給出的設計要求，鍛煉學生的工程實踐能力.

（3）充分利用網絡資源，實現翻轉課堂［5］.課堂時間總是有限的，為了培養學生的工程實踐能力，課題組建立了模擬電子技術網站，將全套的教學信息資料放在網絡上，方便學生隨時調閱查看.學生通過下載或在線觀看教學錄像和教學PPT進行預習或復習，將產生的問題帶入到課堂當中進行分組討論，教師參與到每個小組的討論中，適時引導學生對問題的認識.同時教師在每周都會在網站或者課堂發布一些小型的有關新知識的模擬電子研究項目，學生可以在業余時間研究項目，并帶入到課堂中對項目問題的認識和結果加以討論，教師根據每個小團隊對項目的完成程度進行一定的分數獎勵.通過采用這種“翻轉課堂”（Flipped Classroom）的教學模式，激發學生的學習興趣，提高學生分析問題及解決問題的能力，最終提高學生的CDIO綜合能力.

2.3實驗方法的改革

CDIO教學模式最重視的是學生的工程實踐能力，“模擬電子技術基礎”作為一門工程設計類課程，實驗課程尤其重要，課題組通過強化項目教學法，按照CDIO教學大綱，對實驗內容進行重新設計.

（1）摒棄單一的實驗方式，實現硬件實驗和軟件仿真的有機結合.教師在課堂或者網絡上發布實驗任務，并給出相關資料供學生參考，學生自由分組進行團隊合作，在實驗課堂中，教師參與到各個小組，針對各小組提出的解決方案進行討論交流，定下方案后學生通過EDA、Multisim等軟件對電路進行仿真，仿真結果正確后在硬件實驗箱上制作硬件電路，對其加以運行調試.這種軟硬件結合的實驗模式不僅可以使學生在項目實施過程中靈活應用理論知識，增強學生的工程實踐技術和產品研發能力，同時，也能提高學生的人際交往與團隊合作能力.

（2）以實驗引導理論.針對實驗項目驗證型實驗過多的問題，選取比較有代表性的2~3個實驗作為典型的驗證型實驗，其余的驗證性實驗將搬到理論課堂中，作為引出理論知識的平臺，通過對實驗項目的仿真及實現，對其中各個模塊進行詳細理論講解.在講解過程中，學生對整個理論知識和實驗項目都會有深刻的理解.比如單相橋式整流濾波電路仿真實驗，學生通過觀察仿真波形，比較半波整流和全波整流的不同，了解濾波電路的工作原理.在實際教學期間，可以故意在實驗結構圖中設置一些錯誤，引導學生去分析實驗仿真結果，發現問題乃至解決問題，從而更好地掌握相關理論知識，其余的實驗項目將以設計性和綜合性實驗為主，鍛煉學生的工程綜合素質.

（3）增加課外實訓活動.目前課題組依托校內實訓基地，組織學生進行進一步的深化學習及實踐，通過參加飛思卡爾智能汽車競賽及安徽大學電子技術大賽等比賽項目，使學生參與到真實項目的構思、設計、實現和運行，使理論知識和實踐開發有機結合，大幅提高學生的CDIO工程實踐能力.

2.4考核方法改革

傳統的模擬電子技術考核由平時成績的30%和期末考試成績的70%相加得到.平時成績包括出勤、作業、測驗和實驗環節，實驗成績所占比例很低，很難對學生的工程實踐能力做出客觀公正的評估.因此，在CDIO思想的指導下，課題組改革整個課程的考核方式.其中，期末考試成績占最終成績的50%，考察學生對書本理論知識的掌握程度和單獨設計電路的能力.實驗成績從平時成績中獨立出來，作為對學生工程實踐能力的考核，占最終成績的30%，實驗考試分為個人和團隊考試兩個階段，考察學生獨立完成實驗操作的能力和團隊協作能力.

3　結語

模擬電子技術基礎是一門專業性很強的工程設計課程，CDIO作為一種先進的工程教育模式，將其核心理念引入到模擬電子技術課程當中，在教學內容、教學方法、實驗方式和考核方式等方面進行一系列的改革和實踐，極大的激發學生的學習熱情，提高學生的工程技術能力和綜合素質，取得良好的教學效果.今后該課程可繼續結合CDIO教學模式進行進一步的探索改革，不斷完善和改進教學模式，培養符合社會和企業要求的高素質專業人才.

參考文獻：

［1］王天寶,程衛東.基于 CDIO的創新型工程人才培養模式研究與實踐［J］.高等工程教育研究,2010(1):31-37．

［2］韋良芬,王樂.本科計算機類專業CDIO培養模式的研究［J］.長春大學學報,2014,24(6):848-850.

［3］李蛇根.《模擬電子技術》教學中發散思維探索研究［J］.沈陽師范大學學報（自然科學版），2011,29(2):330-334.

［4］楊蓮紅,王超.EDA技術在模擬電子技術教學中的應用［J］.高師理科學刊,2010,30(1):93-96.

［5］張金磊.翻轉課堂教學模式研究［J］.遠程教育雜志.2012(4):46-51.

（責任編輯：李婉）

中圖分類號：G642.0

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）02-0087-05

［收稿日期］2014-10-29

［基金項目］阜陽師范學院校級教研項目（2012JYXM50）；阜陽師范學院校級教研項目（2013JYXM38）.

［作者簡介］肖卓磊（1983-），男，安徽阜陽人，阜陽師范學院計算機與信息工程學院助教，碩士；研究方向：電子線路.

The Reform and Practice of Analog Electronic Technique Based on CDIO Model

XIAO Zhuo-lei,LI Qing-rui,LIU Zheng-yan
（School of Computer and Information,Fuyang Teachers College,Fuyang 236037,Anhui,China）

Abstract:In this paper,the problems of Analog Electronic Technique existing in the teaching process are analyzed.Based on the CDIO engineering education model,a series of reforms and practice should be carried out in education contents,education system,experimental method and examination method,which will improve students’abilities of engineering practice and teamwork．

Key words:CDIO;analog electronic technique;project practice;teaching Reform