基于CDIO與慕課的高速數字電路設計教學改革*

鄭文斌，鳳 雷，喬家慶，劉 冰，付 平

（哈爾濱工業大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱150080）

一、引言

《高速數字電路設計》是適合于工科弱電專業的選修課程，對今后從事電路設計、EMC分析等職業的學生而言，本課程的教學目標是使學生掌握高速數字電路在設計過程中使用到的相關基本概念，了解與高速數字電路設計與應用有關的電路原理。通常在實際學習過程中，教師發現學習內容過于枯燥、抽象，不利于本科生掌握，降低了學生的學習熱情。

針對這些問題，如何為實際工程提供合格的高速數字電路設計人才，如何使學生在職場中更加具有競爭力，在研究生學習階段可以更加如魚得水，充分調動學生的積極性和創造力成為教學工作重點。CDIO工程教育模式提倡如何在學習中實踐，并在實踐中學習，提供了一種非常好的解決問題的思路與方法。

二、CDIO和慕課相結合的教學模式與方法

1.CDIO工程教育理念

CDIO這一工程教育理念是最近十幾年來國際上在工程教育或者說工科教育領域的最新研究成果。最早是由麻省理工學院等4所大學組成的跨國研究團隊歷經4年時間的研究與探索，并且成立了國際合作組織繼續研究及應用了CDIO這一理念。[1]

CDIO是一個縮寫詞，它的四個字母分別代表巧妙的構思、精準的設計、完美的實現以及良好的運作，它的思想是將某一種產品從它的研發階段開始，一直到整個運行階段整個周期作為一款產品生命周期的整個過程，通過教師的教學，讓學生參與整個產品周期的實踐，同時與學習的理論內容聯系在一起的方式來學習并解決工程上的現實問題。CDIO培養理念中將一個畢業生的能力分為四個層面來評價分析，包括工程領域的基礎知識、個人各方面能力的相關展現、個人在人際交往和在團隊領導體現的能力以及統籌整個工程系統或者導向整個工程的能力。最終目的不僅僅培養一名工程師，還在各個方面綜合培養一名未來的工程領域的高管，當然，可能在初始階段仍然只是一名工程師。[2-5]

CDIO的大綱確立工程師必須具備上述四方面能力，所有的能力在整個CDIO培養訓練過程中以一定的方式表達出來，諸如各種不同表達分數、權重等等，這樣，通過分門別類細化以及綜合的評價等不同方式，讓教師和學生都能對被評價人有一個綜合的理解，這樣在今后的培養和鍛煉過程中具有針對性。CDIO具有良好的系統性和科學性，至少目前是符合國際上在工科領域的教學教育，具有一定的先進性，有可能成為未來工科領域教學教育的發展趨勢，其他領域也可以借鑒這種方法進行教育。[4-9]

2.基于MOOC的教學方法

“慕課”是一種大規模開放式網絡課程的統稱，可以通過互聯網為全世界想要學習的人提供豐富的教育資源和便捷的學習機會。“慕課”是MOOCs的諧音，其中“M”代表Massive（大規模），一般傳統課堂上只有幾十至幾百個學生，通常不會更多，但是MOOCs課程能達到傳統課堂十倍乃至百倍的學生數量；第一個“O”代表開放（Open），以興趣為指引方向，凡是真心想要學習的，可以不分國籍種族去學習，這樣欠發達國家和地區的學生可以在網上學習世界頂級學府的課程，接受最一流的教育；第二個“O”代表在線（Online），所有的學習內容通過互聯網在網上完成，這樣不受地域和時間的限制，可以有效地解決部分貧困或教育資源短缺地方的學習問題；最后一個“C”則代表課程（Course），整體的意思就是大規模開放的在線網絡課程。[10]

慕課這種形式最早起源于美國的高等學府，但是發展非常迅速，涉及的范圍非常廣，這是創始者沒有預料到的，它受眾之廣、資源之豐富、獲得容易、效果良好的特點得到了大家廣泛認可：[11-14]

（1）大規模的課程：世界的各大高校和有一技之長的個人都可以廣泛發布。

（2）開放的課程：抱有共享的理念，將知識開放給大家，知識是開放的。

（3）網絡的課程：課堂資源在網絡上，可以自己選擇學習時間和地點，只要擁有連接網絡的設備，就可以按自己的需求與興趣進行廣泛的學習和交流，并且獲得相關課程的合格證書。

（4）名師課程：網絡課程學習過程完全憑借學生的自愿和興趣，并且每門課程沒有人數的限制。同時，創建MOOC的教師一般都具有非常高的學術素養和教學能力，教學效果非常好。

人才培養、教學效果等是目前高等教育面臨的重大問題，面對慕課等更多更新穎的教學手段與教學方法，需要思考如何順利完成社會賦予的使命，將多種方式與傳統方式相結合提高教學質量，尤其是高校青年教師，如何在這場沖擊中提高自身能力和競爭力，在這場變革中處在領先地位，這個革命式的教改方式對教學能力、教學內容和授課方式的影響。

三、高速數字電路設計與應用課程教學現狀

目前《高速數字電路設計》課程作為一門測控技術與儀器專業的大四選修課，在大四秋季學期開展。這門課程具有較強的應用性，高速電路設計的過程非常復雜，系統復雜程度逐年提高，傳輸線效應、信號完整性問題是高速數字電路中面臨的最重要的問題，經常導致傳統方法設計的電路無法正常工作，并且無法很好解釋原因。而硬件的高速發展、通訊學科的飛速前進導致高速電路已經是工科學生必備的設計技術之一。本課程重點介紹數字電路的術語、邏輯門電路的高速特性及標準的高速測量技術，以及高速數字設計中涉及信號完整性方面的傳輸線、時鐘偏移和抖動、端接、過孔等問題。要求學生掌握邏輯門電路的高速特性、標準的高速測量技術以及高速數字電路設計應該注意的問題，并且能夠完成一般的高速數字電路的設計。但是目前學生普遍存在一些問題：首先就是學生的基礎知識掌握得并不扎實，很多以前學過的其他課程的知識點在本課程提起時，反應較慢，有學完就忘的現象，說明課程雖然結束了，考試成績也不錯，但是不具有長時間的記憶能力，只是應付考試而已。其次，對實際設計PCB電路板沒有深刻的認識，理論與實際結合得不好，并且由于以前只是不牢固，先修課程沒有為后續課程起到很好的輔導作用。通過對往屆學生的調查，反映了一些先修課程和對本課程的一些影響。盡管教學過程中教師能力出眾，知識淵博，具有非常豐富的經驗，注重從整體到細節的把握，理論講得很透徹，但是學生對這些知識的興趣不大。另外，由于學生沒有工程項目經驗，對PCB設計，尤其是高速數字電路設計，學生不具備相應的工程能力和動手能力，對整體把握和理解趨近于零，沒有認同感和代入感，因此學習效果不理想，造成所學的知識與實際相脫節，計算習題效果很好，但是在設計高速電路時，則缺乏相應的方法。因此，本課程需要進一步針對選修課的課程特點，借鑒先進的教育理念和方法，改變師生的角色，讓學生成為課堂主角，教師成為課堂的觀眾，從而激發工科學生主動學習的積極性及驅動性。

四、基于CDIO的高速數字電路設計課程改革

1.教學大綱的改革

按照CDIO的大綱要求，對現有的高速數字電路設計與應用課程大綱進行改革，明確課程需要達到的培養目標，主要包含由團隊合作能力、表達能力和溝通能力構成的職業能力目標。在教學中，要嚴格按照項目的設施流程來完成，把高速數字電路設計這門課程的知識點在學習過程貫穿于以某一個項目為例的整體過程中，實施基于CDIO 模式的過程，按照“構思”、“設計”、“實施”、“運行”以及基于“項目教學法”的要求，實現基于項目過程的教學。設計教學體系包括知識學習、個人能力、團隊協作、系統分析及管理四個部分，用A、B、C、D來表示對學生在學習完本課程后應具有的能力，同時，將部分課程以MOOC在線教學的方式引入課堂，讓學生課上課后學習不同的知識，如表1所示。

表1 CDIO模式下高速數字電路設計課程教學體系

2.教學內容的改革

教材的選擇改革，目前高速數字電路設計課程更多針對的是，在高速數字電路設計過程中需要注意到的工藝過程各個階段的注意事項及可能遇到的問題解決，針對方法的介紹相對少一些；針對大四本科學生實際工程經驗不足、理論基礎較好，因此建議增加一些動手的內容，利用CDIO中的基于項目機制，可以進行分組，幾個同學負責一個小項目，根據項目完成整個課程的學習，既可以提高熱情和積極性，也可以增加更多經驗，將理論與實際相結合，最大程度挖掘學生的創造能力，提高分析和解決實際問題的能力，同時培養了團隊的協作能力。根據CDIO的特性，改進教學內容如圖1所示。

圖1 高速數字電路設計課程教學內容

除此之外，由于引入了MOOC的教學方法和理念，可以選擇部分課程內容讓學生在線學習，選擇適合自己的課程完成相關內容的學習，如電源系統、時鐘等部分，很多MOOC課程中的部分內容有所涉及，而對高速數字電路的影響可能沒有涉及，那么可以在課上對其內容進行充分的講解，課上課下相結合的效果令人期待。

3.教學方法的改革

教學方法的改革主要將CDIO與MOOC的核心思想結合在一起，動手和理論學習相結合，邊學邊做，激發學生的學習興趣。為了獲得更好的激發效果和學習動力，考慮在今后的教學中，將部分課程的教學地點從教室轉換到課題組實驗室和課后的在線MOOC學習完成，增加學生對不同授課教師講述方式的理解，同時可以考慮學習部分國外知名課程的英文授課內容，雙語教學可以改善教學效果，如實驗中心或者本專業各個課題組，并且申請部分經費，讓學生能夠邊學習邊實踐，體驗高速數字電路設計的過程和結果，教和學互相驗證。雖然目前課程中已經充實了很多實物的照片或者范例，但是實際的操作會強化學習效果、加強記憶。在可能的情況下，增加更多實驗課時，提供更多的實驗器材，雖然是選修課，但是一樣會對學生的成長起到巨大的作用。增強動手能力和創新能力。

4.評價方法指標的改革

課程的考核評價體系和考核方法主導著學生的學習動力和方向，因此必須匹配本課程的CDIO教學大綱，能有效引導學生開展相關能力的鍛煉。本課程主要環節包括課上出勤、課堂表現和考試考核，權重大約在0.3與0.7。書面理論考試以基本概念、基本理論、基本技能以及工程項目設計等為主?？紤]在今后的改革過程中加入一些課后作業以及更多實驗部分，將權重分配得更合理，減小考試比例，更多強調CDIO中對綜合能力的考量、團隊能力的考察。

五、結束語

CDIO工程教育模式是理論與實際相結合，基于CDIO的高速數字電路設計課程的教學著重改革課程體系、教學模式、教學環境以及評價方法這幾方面，從而調動學生主動學習、主動思考的能力，培養學生工程項目經驗，提高團隊意識，加強學生獨立解決各種問題的能力，除了學到知識，更重要的是提高實踐能力，在學習中不斷實踐，在實踐中不斷學習，相互促進，相互影響。

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