基于產(chǎn)出導(dǎo)向的電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)改革

王 波， 王美玲， 劉 偉， 金 英， 肖 烜

(北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院， 北京 100081)

0 引 言

《華盛頓協(xié)議》是工程教育本科專業(yè)認(rèn)證的國際互認(rèn)協(xié)議，1989年由美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、新西蘭的工程專業(yè)團體發(fā)起成立，旨在通過工程教育本科專業(yè)認(rèn)證保證工程教育質(zhì)量，為工程師資格國際互認(rèn)奠定基礎(chǔ)，2016年6月我國成為《華盛頓協(xié)議》正式成員國[1]。加入《華盛頓協(xié)議》有利于促進我國工程教育按照國際標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)人才，提高工程教育的質(zhì)量，對我國工程技術(shù)領(lǐng)域人才走向世界具有重要意義。工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念是以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向和持續(xù)改進[2]。

電子技術(shù)課程設(shè)計是自動化類、電氣類、信息類等相關(guān)專業(yè)大學(xué)生繼學(xué)習(xí)完電子技術(shù)基礎(chǔ)理論課、實驗課之后的重要的理論和實踐綜合設(shè)計環(huán)節(jié)[3-5]。隨著教育教學(xué)改革的不斷深化，在傳統(tǒng)教學(xué)過程中暴露出一些突出問題，主要表現(xiàn)在：① 教師在教學(xué)過程中居于主導(dǎo)地位，忽視了學(xué)生的主體性和能動性。② 教學(xué)內(nèi)容的形式與工程實際相脫離，學(xué)生缺乏工程設(shè)計思想、方法的培養(yǎng)，不能綜合運用所學(xué)知識解決工程實際問題。③ 教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，不能體現(xiàn)現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計方法。④ 與工程實踐和素質(zhì)教育密切相關(guān)的自學(xué)能力、經(jīng)濟因素、團隊合作等因素的培養(yǎng)在教學(xué)目標(biāo)中沒有體現(xiàn)。

1 產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念

20世紀(jì)80年代到90年代早期,一種基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式(Outcomes-Based Education，OBE)最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎(chǔ)教育改革。OBE是以預(yù)期學(xué)習(xí)產(chǎn)出為中心來組織、實施和評價教育的結(jié)構(gòu)模式，實施OBE教育模式主要有4個步驟：定義學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Defining)、實現(xiàn)學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Realizing)、評估學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Assessing)和使用學(xué)習(xí)產(chǎn)出(Using)[6-8]。該教育模式采用“自頂向下”的“反向設(shè)計”方式，通過預(yù)先設(shè)定培養(yǎng)目標(biāo)，再設(shè)計支撐該目標(biāo)的課程體系和培養(yǎng)方式，即根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)整合優(yōu)化課程體系和教學(xué)過程。

2 課程目標(biāo)

根據(jù)自動化專業(yè)畢業(yè)要求，細分畢業(yè)要求指標(biāo)點，圍繞指標(biāo)點進行電子技術(shù)課程設(shè)計教學(xué)目標(biāo)設(shè)計。該課程教學(xué)目標(biāo)有:① 了解、掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法；② 能夠根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，進行任務(wù)分析，利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源，結(jié)合經(jīng)濟性、可靠性、可實現(xiàn)性、可維護性等因素選擇合適解決方案；③ 利用EDA仿真軟件進行系統(tǒng)設(shè)計、驗證與完善；④ 學(xué)會以小組為單位分析問題、解決問題，合理分解工作任務(wù)，相互配合；⑤ 能夠通過硬件電路安裝調(diào)試，完成設(shè)計目標(biāo)，達到技術(shù)指標(biāo)要求，完成設(shè)計報告；⑥ 在電路調(diào)試、故障排除中熟練使用常用儀器設(shè)備；⑦ 提高分析與設(shè)計電子系統(tǒng)的能力，為以后應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

電子技術(shù)課程設(shè)計的課程目標(biāo)與自動化專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 課程目標(biāo)與自動化專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點的對應(yīng)關(guān)系

3 基于產(chǎn)出導(dǎo)向教育理念的教學(xué)設(shè)計

3.1 指導(dǎo)思想

電子技術(shù)課程設(shè)計具有工程性、實踐性、綜合性和系統(tǒng)性的特點?；贠BE教育理念的電子技術(shù)課程設(shè)計，除了實踐動手能力培養(yǎng)外，更注重把與工程實際密切相關(guān)的創(chuàng)新意識、自學(xué)能力、經(jīng)濟因素、團隊合作、總結(jié)與表達等因素的綜合能力與素質(zhì)教育貫穿于整個教學(xué)活動中。在教學(xué)過程中采用CDIO工程教育模式的項目教學(xué)法[9-12]，以項目的構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實施(Implement)及運作(Operate)全過程為載體來培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力。

3.2 項目教學(xué)法的實踐

結(jié)合工程實際產(chǎn)品設(shè)計的一般流程[13]，將電子技術(shù)課程設(shè)計中課題的設(shè)計過程分為課題分析和方案論證，方案設(shè)計，方案實現(xiàn)和總結(jié)及成果展示4個階段來進行教學(xué)。這4個階段分別對應(yīng)CDIO教育理念中項目的構(gòu)思、設(shè)計、實施和運行4個過程。

(1) 課題分析和方案論證。電子技術(shù)課程設(shè)計所選的課題來源于工程實際，并且具有綜合性、先進性和實用性。學(xué)生以團隊合作的形式(人數(shù)限定為2人)選擇不同的題目。每個團隊成員根據(jù)課題的設(shè)計要求，做好充分的調(diào)查研究，弄清楚系統(tǒng)所要求的功能和性能指標(biāo)，對各種不同的解決方案進行討論交流及可行性分析，并進行成本預(yù)算，選擇最優(yōu)設(shè)計方案。例如，秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計學(xué)生提出2種方案，如圖1所示。方案1電路結(jié)構(gòu)簡單，但工作穩(wěn)定性及精度差。方案2電路工作穩(wěn)定性及精度好，如果集成電路選擇合適，電路結(jié)構(gòu)也很簡單。經(jīng)過比較采用第2種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

圖1 秒脈沖發(fā)生器的2種方案

在項目的構(gòu)思階段，主要培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作能力、工程系統(tǒng)能力及自主創(chuàng)新能力。

(2) 電路設(shè)計。確定了課題方案后，就要進行具體電路設(shè)計，要讓學(xué)生利用軟件仿真的方法來設(shè)計電路。對所設(shè)計的電路進行仿真，可以驗證設(shè)計電路的正確性，減少故障出現(xiàn)的可能性，大大縮短設(shè)計周期。例如，浮點頻率計課題中，學(xué)生利用Multisim軟件設(shè)計的三節(jié)拍產(chǎn)生電路如圖2所示，測量控制信號QT和節(jié)拍信號JP1、JP2和JP3的仿真波形如圖3所示。

圖2 節(jié)拍控制電路

由QT的下降沿啟動三節(jié)拍發(fā)生器，產(chǎn)生的第1個節(jié)拍信號JP1封鎖測量控制信號QT，使之不能送出后面的測量信號；第2個節(jié)拍信號JP2應(yīng)在將近3s時產(chǎn)生，用來清除本次測量的結(jié)果，使測量結(jié)果顯示時間約為3s；最后產(chǎn)生第3個節(jié)拍信號JP3，解除對測量控制信號QT的封鎖，再次啟動測量過程。

圖3 節(jié)拍信號仿真波形圖

在項目的設(shè)計階段主要培養(yǎng)學(xué)生的單元電路設(shè)計能力、仿真分析能力及系統(tǒng)整體設(shè)計能力。

(3) 方案實現(xiàn)。目前電子系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有以下幾種方法[14]：① 采用通用的集成邏輯器件實現(xiàn);② 采用可編程邏輯器件實現(xiàn);③ 設(shè)計功能完整的電子系統(tǒng)芯片。

第1種是傳統(tǒng)的方法，實際應(yīng)用比較廣泛。第2種方法設(shè)計的系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高。第3種方法成本較高，不適合小批量生產(chǎn)。經(jīng)過比較，采用第1種和第2種實現(xiàn)方法。選用第1種實現(xiàn)方法時引導(dǎo)學(xué)生選用市場上價格便宜、貨源充足的集成電路。選用第2種實現(xiàn)方法時，引導(dǎo)學(xué)生采用Cypress半導(dǎo)體公司推出的PSOC(Programmable System on Chip)器件。PSOC器件是在一個芯片上集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞控制器的模擬及數(shù)字組件[15-16]。

在項目的實施階段主要培養(yǎng)學(xué)生的常用儀器儀表的使用能力、電路故障的檢查與排除能力，系統(tǒng)的調(diào)試能力，同時讓學(xué)生對工程中的經(jīng)濟、安全等因素有所了解。

(4) 總結(jié)及成果展示。在調(diào)試成功后，進行系統(tǒng)演示及課題驗收。由團隊推選主講人，其他成員參與演示設(shè)計成果，介紹課題的設(shè)計思路、關(guān)鍵技術(shù)、工作原理、存在的問題等方面的內(nèi)容。例如，學(xué)生設(shè)計完成的浮點頻率計實物如圖4所示，測量結(jié)果的顯示為3位十進制數(shù)，前2位為有效數(shù)字，第3位為10的冪次。當(dāng)輸入信號頻率為500 Hz時，輸出顯示為50×101。在課題驗收后，要提交課題的研究報告，報告內(nèi)容主要包括：設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計方案、設(shè)計電路及工作原理、軟件仿真結(jié)果、硬件調(diào)試結(jié)果、原理圖與印制電路板圖的設(shè)計、應(yīng)用領(lǐng)域等。

在項目的運作階段主要培養(yǎng)學(xué)生知識的綜合運用能力、語言表達能力和寫作能力。

3.3 考核評價機制

課程考核上，堅持以學(xué)習(xí)產(chǎn)出為導(dǎo)向，在教學(xué)實施的各個階段對學(xué)生達成課程目標(biāo)的程度進行評價。考核內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖4 浮點頻率計實物圖

表2 考核內(nèi)容與課程目標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié) 語

以工程教育專業(yè)認(rèn)證的畢業(yè)要求為導(dǎo)向，根據(jù)OBE教學(xué)理念，對電子技術(shù)課程設(shè)計進行了一系列的教學(xué)改革。教學(xué)改革中將能力培養(yǎng)與素質(zhì)教育融于整個教學(xué)過程中，由以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，以教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂椖繛橹行模哉n堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨こ虒嵺`為中心，從知識、能力和素質(zhì)三方面使學(xué)生得到了綜合的工程訓(xùn)練和素質(zhì)培養(yǎng)，為我校自動化專業(yè)畢業(yè)要求中多方面能力指標(biāo)的完成提供了強有力的支撐作用。通過近幾年教學(xué)改革的實踐，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，提高了學(xué)生的實踐動手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神、團隊精神、協(xié)作和配合能力、總結(jié)與表達能力，為學(xué)生整體素質(zhì)的提高奠定了堅實的基礎(chǔ)。