基于CFC-CDIO理念項目驅動的數(shù)字電子技 術 教 學 改 革

李瀅潞， 朱志強， 張 山， 連 劍

(山東科技大學 電氣信息系， 濟南 250031)

基于CFC-CDIO理念項目驅動的數(shù)字電子技 術 教 學 改 革

李瀅潞， 朱志強， 張 山， 連 劍

(山東科技大學 電氣信息系， 濟南 250031)

根據(jù)中外合作辦學模式要求，針對數(shù)字電子技術課程提出了基于CFC-CDIO理念項目驅動的教學改革方法，探討了以構思、設計、實施、運行為項目工程鏈的雙語教學流程思想，構建了多維度、立體化的考核機制。并以交通燈故障報警電路設計為例，設計完成了交通燈故障報警功能，通過了MAX+plus II 和Multisim 13軟件仿真。從而大大提高了學生的創(chuàng)造力和想象力，提高了學生工程實踐能力，為中外合作辦學的教學理念和教學方法進一步融合提供了參考。

CFC-CDIO理念； 項目驅動； 中外合作辦學； 數(shù)字電子技術； 教學改革

0 引 言

數(shù)字電子技術課程是電力類、自動化類和計算機類等專業(yè)必修的專業(yè)基礎課，具有舉足輕重的作用。但是目前，國內(nèi)外高校辦學理念存在較大差異，綜合測評體系也不盡相同, 這使得中外合作辦學背景下的數(shù)字電子技術課程教學亟需改革。

目前，中外合作辦學教學模式對數(shù)字電子技術課程理論知識和工程實踐要求都很高，即既要求學生具有扎實的理論基礎，同時又要有豐富、靈活的實際電路設計能力。因此，將CDIO工程式教學模式融入于數(shù)字電子技術教學改革中，結合中外合作辦學教學目標，提出了基于CFC-CDIO理念的項目驅動教學模式。這種教學模式采用工程實踐的教學思想，以教師為主導、以學生為主體，學生是教學的主要參與者，這極大地激發(fā)了學生的學習熱情，提高了學生的工程實踐能力以及創(chuàng)新能力，能實現(xiàn)學生知識、技能的內(nèi)化[1-3]，并達到中外合作辦學數(shù)字電子技術課程教學目標。

1 CFC-CDIO理念項目驅動的內(nèi)涵

CDIO[4-6]是在2000年由麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學聯(lián)合研究發(fā)起的，4年后，創(chuàng)立了CDIO工程教育理念，形成了CDIO國際合作組織。CDIO其含義為構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)和運行(Operate)，它是以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體的，讓學生以主動的、 實踐的、 課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。因此，CDIO[7-8]教學理念強調(diào)“做中學”的思想，旨在培養(yǎng)學生的學習熱情，從而提高學生的工程實踐能力。

CFC是英文單詞Chinese-Foreign Co-operation 首字母縮寫，CFC-CDIO其含義即為中外合作背景下的CDIO工程教育理念。基于CFC-CDIO理念的項目驅動教學模式是以中外合作辦學為背景，以項目為教學主線，按照“構思、設計、實施、運行”的工程鏈方式完成數(shù)字電子技術教學改革[9-11]。其具體做法為：首先從實際應用中提煉出與教學大綱吻合的若干個工程項目式教學內(nèi)容，然后把整個教學過程當做若干工程項目處理，其中，每個項目都采用項目構思、項目設計、項目實施和項目運行的“工程鏈”流程來完成。通過教師引導，學生逐一完成若干教學項目，從而驅動數(shù)字電子技術工程式教育教學完成，實現(xiàn)理論和實踐一體化，讓學生最大限度的獲得知識技能和技術技能。

基于CFC-CDIO理念的項目驅動教學模式改革，在教學方式上，采用項目驅動的教學方法，突出理論和實踐教學“一體化”[12-14]；在項目進行過程中，采用CDIO教學模式[15-16];在考核方式方面，采用多維度、綜合性方式，即根據(jù)筆試、項目完成過程、成品展示、報告情況綜合考核。此外，CFC-CDIO強調(diào)的是 CFC即中外合作辦學的教學背景，介于這種辦學特點，教師在項目題目構建、項目介紹、學生報告以及學生匯報答辯等環(huán)節(jié)都應用雙語完成，從而有效提高學生的英文能力，達到中外合作辦學的教學目標。

2 基于CFC-CDIO理念的項目驅動教學流程

2.1 項目構建

CFC-CDIO理念下項目驅動的數(shù)字電子技術教學改革關鍵是項目構建。其宗旨是打破原有的知識界限，將必要的知識編制到多個項目中去，要以項目為主要參照點重構其知識體系。具體的說，項目構建需遵循幾個原則：盡量涵蓋教學大綱基本內(nèi)容，并突出本門課程的重點；具有模塊化分析設計特點，能夠體現(xiàn)出整個課程體系結構；創(chuàng)新性強，能使學生產(chǎn)生濃厚的學習興趣。

本次教學改革強調(diào)工程項目的基本思想，將數(shù)字電子技術課程大綱內(nèi)容編制成了8個項目內(nèi)容。表1所示為構建的項目目標矩陣，列出了項目名稱、相應的理論知識以及學生通過項目學習需要達到的技術目標等內(nèi)容。

可見，項目目標矩陣基本覆蓋了數(shù)字電子技術教學大綱主要內(nèi)容，突出課程重點，并將孤立零散的知識點通過某幾個項目緊密聯(lián)系起來。此外，由于選取的項目都是應用廣泛、趣味性強的實際電路，因此大大激發(fā)了學生的學習和創(chuàng)新熱情。

表1 項目目標矩陣構建

2.2 項目執(zhí)行

表1中的8個項目在項目執(zhí)行過程中都遵從構思、設計、實施和運行4個教學活動環(huán)節(jié)來完成。此外，由于是國內(nèi)外合作辦學的教學模式，因此，在項目的構思、設計、實施、運行過程中均采用雙語完成，最終達到CFC-CDIO教學模式目標要求。

下面以項目3交通燈故障報警電路設計為例，從 CDIO的基本流程介紹項目執(zhí)行的全過程。

2.2.1 項目構思

交通燈故障報警電路是監(jiān)視交通燈工作狀態(tài)的邏輯電路。任何時刻必有一盞燈亮且只允許一盞燈亮，當出現(xiàn)兩盞燈點亮、三盞燈點亮或者無燈點亮狀態(tài)時電路發(fā)出故障報警信號提醒維護人員前去維修。通過教師啟發(fā)、引導的方式，讓學生構思該項目設計方案。經(jīng)過學生主動思考、歸納得出項目3交通燈故障報警電路設計包括兩套設計方案：基于小規(guī)模集成電路(SSI)的門電路設計方案以及基于中規(guī)模集成電路(MSI)的集成芯片電路設計方案。表2展示了兩套電路設計方案不同的設計流程。

表2 兩套設計方案的電路設計流程

2.2.2 項目設計

依據(jù)項目構思階段確立的兩套交通燈故障報警電路設計流程，教師引導學生逐一完成。如表2可見，兩套設計方案中的電路設計流程前三步基本相同，首先設定紅燈、綠燈、黃燈輸入狀態(tài)變量分別為R、G、Y，若R、G、Y值為0表示信號燈滅，若為1表示信號燈亮，輸出變量為Z，當Z=1時指示交通燈出現(xiàn)故障，當Z=0時表示交通燈無故障，根據(jù)交通燈報警電路的功能，列寫真值表，如表3所示。由真值表歸納其邏輯函數(shù)式，化簡或變換后可得Z=R′G′Y′+GY+RY+RG。

表3 交通燈故障報警電路真值表

由于兩套電路設計方案選用電路元器件不同，因此，邏輯電路接線是不同的。基于SSI的門電路設計方案根據(jù)邏輯函數(shù)式選用基本門電路完成電路接線，如圖1(a)所示。基于MSI的集成芯片電路設計方案，根據(jù)邏輯函數(shù)式選擇數(shù)據(jù)選擇器芯片型號為74LS153。確定數(shù)據(jù)選擇器74LS153輸出對輸入信號的邏輯函數(shù)表達式為:

最終提示學生對比74LS153的輸出函數(shù)表達式完成電路接線設計，如圖1(b)所示。

(a) 基于SSI的門電路設計方案

(b) 基于MSI的集成芯片設計方案

圖1 交通燈故障報警電路兩種設計方案

完成上述交通燈故障報警電路兩套設計方案后，引導學生利用MAX+plus II 軟件對兩套設計方案逐一仿真。基于SSI的門電路設計方案采用文本輸入設計法，即利用VHDL語言編寫程序，程序代碼如下：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY jiaotongdeng1 IS

PORT(r, y, g: IN STD_LOGIC;

z:OUT STD_ LOGIC);

END jiaotongdeng1;

ARCHITECTURE one OF jiaotongdeng1 IS

BEGIN

Z<=((NOT r) AND (NOT y) AND (NOT g)) OR (g AND y) OR (r AND y) OR (r AND g);

END one;

其仿真波形如圖2所示。基于MSI的集成芯片電路設計方案，采用原理圖輸入設計法完成電路仿真，其仿真電路截圖以及其仿真波形圖如圖3所示。

針對上述兩套方案的電路設計方法、設計流程、電路連線以及仿真方法等內(nèi)容作出如表4所示的方案比對。可見，兩套設計方案雖然設計原理、設計方法、設計流程、選用的芯片種類、仿真方法等都不同，但是兩套方案波形仿真結果圖是完全一致的，說明其邏輯功能的一致性。

圖2 基于SSI的門電路設計方案電路仿真波形圖

(a) 電路仿真圖

(b) 電路仿真波形圖

此外，在此階段，雖然使用了同一軟件MAX+plus II對兩套方案設計電路逐一仿真，但采用的仿真方法是不同的。基于SSI的門電路設計方案選用文本輸入設計法，即采用VHDL硬件語言編程方法對其電路進行描述和仿真，使學生更加深刻理解利用基本門電路設計的組合邏輯電路的電路邏輯關系；而基于MSI的集成芯片設計方案選用原理圖輸入設計法，該仿真方法電路結構直觀，從而使學生更加直觀體會到電路的連接方法，更深刻理解74LS153芯片功能、芯片引腳以及其應用。

可見，兩套電路設計方案的完成，使學生進一步理解了基本門電路器件和集成芯片的邏輯功能以及設計電路的方法。在電路設計過程中，教師和學生的角色發(fā)生了轉變，教學過程從以教師為中心變?yōu)榱私處煹淖饔弥皇恰耙龑А焙汀疤崾尽保鴮W生從原來被動接受者變?yōu)榱隧椖康闹饕獙嵤┱撸瑥亩鴮崿F(xiàn)“做中學”的目的。

2.2.3 項目實施

在上述項目設計階段采用了MAX+plus II軟件完成電路仿真。該仿真軟件可方便、快捷的完成電路設計、時序仿真等功能，它提供了一種與結構無關的設計環(huán)境，并提供VHDL硬件描述語言完成電路仿真。因此，在項目設計階段，利用MAX+plus II軟件通過文本輸入設計法和原理圖輸入設計法分別對兩套電路設計方案實現(xiàn)電路仿真，獲得電路波形仿真結果圖，從而使學生理解兩套電路設計方案功能的一致性。

在項目實施階段，電路仿真目的不再是電路的設計和波形圖仿真，而是需要模擬真實交通燈故障報警電路實物，驗證其功能正確性。因此采用Multisim 13軟件對兩種方案設計電路進行電路仿真，從而測試電路的交通燈故障報警功能。

如圖4所示為采用Multisim 13軟件分別對兩套設計方案進行電路仿真的截圖，在這兩個仿真圖中，3個開關分別控制紅燈、黃燈和綠燈，開關斷開表示信號燈不亮，開關閉合表示信號燈點亮，輸出連接故障報警燈，報警燈亮提示交通信號燈出現(xiàn)故障。從這兩個仿真截圖可見，當任意2盞信號燈同時亮，3盞信號燈同時亮或者3盞信號燈都不亮時，故障報警燈亮，提示工作人員故障出現(xiàn)；當有且只有1盞信號燈亮時，報警燈不亮，從而實現(xiàn)交通信號燈故障報警電路的功能。從兩套方案電路仿真結果分析可見，雖然二者電路設計方案不同，但是其仿真邏輯功能是一致的，都完成了交通燈故障報警的功能，說明兩套電路設計方案都是正確可行的。

(a) 基于SSI的方案

(b) 基于MSI的方案

圖4 兩種設計方案的Multisim13仿真結果圖

2.2.4 項目運行

在項目運行階段，學生首先采用雙語完成8個項目報告撰寫，報告包括項目分析、方案構思論證、電路設計、電路原理比對分析、MAX+plus II 軟件仿真結果分析、Multisim 13軟件仿真結果分析以及報告總結幾部分內(nèi)容。然后進入學生項目答辯階段，學生使用英語完成項目描述以及項目電路仿真功能展示，教師用英語向學生提出問題，學生用英語回答教師提問，從而完成8個項目運行。

2.3 項目考核機制

本次數(shù)字電子技術教學改革是基于CRC-CDIO理念項目驅動的教學模式改革，因此，項目考核機制需打破傳統(tǒng)的“一卷式”考核機制，建立新型多維度的工程項目教育考核機制。新型考核機制其考核內(nèi)容包括筆試測試和項目考核兩部分內(nèi)容。其中筆試部分考核學生對數(shù)字電子技術課程理論內(nèi)容的掌握程度；項目部分將從學生對項目的構思、設計、實施、運行等環(huán)節(jié)進行雙語考核，考核內(nèi)容主要包括8個項目仿真結果展示以及雙語報告撰寫兩部分。如表5所示，建立了多維度考核機制，展示了主要考核部分和其細化內(nèi)容，以及分數(shù)分配比例，最終考核總成績?yōu)楣P試部分和項目部分考核成績之和。

表5 多維度考核機制

本次教學改革是以中外合作辦學為背景展開的，因此要求學生報告總結、成果展示以及匯報答辯都以英語形式完成。對于能夠以全英文完成上述內(nèi)容的學生，并且報告書寫有條理，結構規(guī)范，答辯和結果展示英語描述流利，都應酌情給予加分。

完善的多元數(shù)字電子技術考核機制的建立，實現(xiàn)中外高校教育教學模式的并軌，大大提高了學生的積極性、主動性和創(chuàng)造性，提高了學生的工程實踐能力，實現(xiàn)了學生的技能和知識的雙豐收。

3 結 語

本論文針國內(nèi)外高等教育教學模式存在較大差異的問題，將CFC-CDIO教學模式融入于數(shù)字電子技術教學中去，并采用項目驅動的教學改革模式，即學生利用構思、設計、實施、運行的工程鏈流程逐一完成設定的若干教學項目，從而完成了以教師為中心到以學生為教學主要參與者的教學模式的巨大轉變，實現(xiàn)了工程項目實踐教學改革。

此外，基于CFC-CDIO教學理念的教學改革，要求師生在教學各環(huán)節(jié)中采用雙語完成，這就在縮小國內(nèi)外高校教學理念差異的同時也彌補了學生英語交流和專業(yè)英語詞匯的不足。從而有效地使國內(nèi)外高校教學模式相接軌，達到國內(nèi)外合作辦學的教學目標。

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Reform on Project-driven Teaching of Digital Electronic Technology under the CFC-CDIO Idea

LI Yinglu, ZHU Zhiqiang, ZHANG Shan, LIAN Jian

(Department of Electrical Engineering and Information Technology, Shandong University of Science and Technology, Jinan 250031, China)

According to the particular requirement of Chinese-foreign cooperation in running schools, we present a project-driven teaching reform method based on the CFC-CDIO idea, and focus on discussing the bilingual teaching flow idea through taking the “Conceive, Design, Implement and Operate” as the project chain, and constructing the multi-level, three-dimensional evaluating mechanism. Then to explain this new teaching idea, fault alarm equipment in traffic lighting system is taken as an example, especially, the corresponding simulation is performed by exploiting MAX+Plus II and Multisim 13. It can help the students to improve their creativity and imagination, enhance their practical ability of engineering. It also provides an important reference value for future integration of the teaching idea and the teaching method of Chinese-foreign cooperation in running schools.

CFC-CDIO idea; project-driven; Chinese-foreign cooperation running schools; digital electronic technology; teaching reform

2016-09-01

山東省自然科學基金資助項目(ZR2014FQ020)；山東科技大學優(yōu)秀教學團隊支持計劃(JXTD20160512)；山東科技大學高等教育研究項目(2015YB018)

李瀅潞(1981-)，女，遼寧朝陽人，碩士，講師，主要從事汽車電子技術、電工電子理論教學及實驗教學研究。

Tel.：18754169025；E-mail：yinglul@163.com

TP 331; G 642

A

1006-7167(2017)08-0195-05