新工科背景下CDIO理念在《電工電子學實驗》中的應用

劉揚

摘要：該文以“新工科”人才培養目標為指引，構建了基于CDIO理念《電工電子學實驗》課程三個級別的實驗項目。并以三級實踐項目“智力競賽搶答器設計”為例，研究了從項目構思、設計、實現到運作培養學生的思維能力、分析設計能力、實踐操作能力及自主創新能力。本文提出的基于CDIO的教學理念，能夠有效激發學生的學習興趣、提高學生動手操作能力及分析問題和解決問題的能力，為“新工科”人才培養奠定堅實的基礎。

關鍵詞：新工科;CDIO;自主創新

中圖分類號：TN710? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0142-03

Abstract： Based on the goal of "new engineering" personnel training， this paper constructs three experimental projects in "Electrical and Electronics Experiment” Based on CDIO concept. Taking the three-level practical project "intelligence competition grab answering device design" as an example， this paper studies the students 'thinking ability， analytical design ability， practical operation ability and independent innovation ability from project conception， design， realization to operation. The teaching concept Based on CDIO proposed in this paper can effectively stimulate students 'interest in learning， improve students' ability to operate and analyze problems and solve problems， and lay a solid foundation for the training of "new engineering" talents.

Key words： new engineering; CDIO; Independent innovation

CDIO代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）， 它是“基于項目”的工程教育模式，是以系統的構思—設計—實現—運行過程為背景的工程教育。該教育理念讓學生以實踐的、積極的方式學習工程，培養學生的工程意識和職業素養，體現了系統性、科學性和先進性的統一。在當前教育部積極推進“新工科”建設的大背景下，我國高等教育改革發展面臨新的挑戰和機遇，探索工科發展的新模式，已成為教育界共同關注的問題[1-3]。

本文以新工科理念為指引，將CDIO引入《電工電子學實驗》課程體系。從項目需求入手，以系統的構思—設計—實現—運行過程為背景，改進現有的教學模式，培養學生的實踐能力和分析問題解決問題的能力。

1 傳統實踐教學存在的問題

（1） 實驗內容固化，許多學生“照葫蘆畫瓢”，只是記錄數據，沒有思考;

（2） 驗證型的實驗項目多，綜合設計型實驗項目少，缺乏創新性，不利于學生個性的發展;

（3） 缺少課余自主設計實踐任務;導致學生自主查找資料以及自主設計的能力欠缺。

（4） 缺少與工程實際問題結合的綜合設計性實驗，學生綜合能力較難提高。

2 《電工電子學實驗》教學改革內容

《電工電子學》是機械工程等非電類專業的一門專業基礎課，它包含“電路分析”，“電機與控制”，“模擬電路”，“數字電路”和“可編程控制系統”五個方面的內容。自2014年起《電工電子學實驗》課程逐步引入CDIO工程教育理念，對原有松散的實驗項目進行重構。如圖1所示在基于CDIO的三級實踐教學體系中，一級實驗項目是基礎性實驗，目的是使學生在掌握基本操作的同時能夠理論聯系實際;二級實驗項目是綜合性實驗，通過提出簡單的項目要求，使學生體會構思、設計的過程，循序漸進地支撐三級項目;三級實驗項目是創新設計性實驗，學生根據項目工程需求完成構思、設計、實現和運作的整個過程題[4-5]。這三個層次的實踐項目由淺入深，由點到面，結合學生的創新能力進行培養，使得整個實踐教學體系形成一個有機的整體題。

2.1 教學實例

本文以培養“新工科”人才為目標，改革機械工程專業《電工電子學實驗》課程教學體系，現以第三級項目中的“搶答電路設計”為例，闡述CDIO理念在實驗課程中的應用。

2.1.1 給出項目需求

1） 設計內容：8路智力競賽搶答器

2） 設計要求：

（1） 基本功能：

? 搶答器能夠同時允許8位選手參賽。

? 設置整體控制開關，控制搶答器清零和開始搶答。

? 系統具有鎖存與顯示功能。即主持人控制系統開始，選手按下按鈕，存儲對應編號，并顯示。同時將編號鎖存，不再允許其余選手搶答。數碼管顯示電路將顯示優先搶答者的編號，直至系統重新復位。

（2） 擴展功能：

? 定時搶答功能：系統控制開始搶答，倒計時開始，并顯示倒計時時間;參賽人員在預設時間里搶答，搶答有效，同時顯示對應編號和剩余時間，并保持到系統復位為止。

? 超時鎖定功能：若所設置搶答定時時間到了之后，仍然沒有選手搶答，則此次為無效搶答，編碼電路將停止工作，選手無法搶答，顯示電路時間顯示0。

2.1.2 構思項目框架

該實踐項目以系統需求為導向，以學生為主體，采用團隊合作的形式分組討論，完成系統構思—設計—實現—運行的全過程。如圖3所示，智力搶答系統分為主體、擴展兩部分電路。主體電路實現搶答基本功能，即系統控制端口允許搶答后，若有選手搶答，則能夠顯示其編號，同時禁止其余搶答者搶答;擴展電路完成定時搶答的功能。

2.1.3 系統仿真、制作及調試

（1） 倒計時電路部分仿真

在Multisim14中，通過file/new命令創建新的仿真文件題[6-7]，根據要求修改電路設計窗口，分別命名為定時電路、搶答電路、整體電路。

在擴展電路的設計中，系統根據要求設置搶答時間，該時間的設定是對計數器進行預置數。因此，可以采用74LS192十進制計數器設計定時電路;通過NE555設計一個秒脈沖電路，為計數器提供計數脈沖，最后再通過74LS48譯碼電路，將倒計時時間在數碼管中顯示出來，如圖4所示為倒計時到5時的仿真調試圖。

（2） 搶答電路部分仿真

搶答電路能夠根據選手搶答的先后順序，鎖存最先搶答選手的編號，并顯示其編號;當有人搶答時，其他選手的按鈕操作無效。因此，根據設計要求，可采用74LS148、74LS279作為搶答電路編碼器和鎖存器的主體芯片。如圖6所示為S4選手按下時，經過編碼電路編碼后，在顯示電路中顯示選手編號為3，此時其他選手按下時，搶答無效。

（3） 系統整體電路仿真

通過以上分析，搶答電路和定時電路分別調試好后，連接整體電路，并進行整體電路仿真調試。在系統整體電路調試過程中，時序的控制是系統設計調試的關鍵，即要協調以下內容：

1） 當系統控制開關撥到“開始”時，系統進入正常工作模式;

2） 參賽選手搶答后，搶答電路顯示對應編號，定時電路不再倒計時并顯示余下時間;

3） 當定時時間到，且無參賽選手搶答，搶答、定時電路不再工作。因此，根據以上分析，完成系統整體電路設計。如圖7所示：

2.2 考核評價體系

未來社會對“新工科”人才要求具有較強的實踐創新能力和國際競爭力;他們不僅專注某一學科領域，更加具有“學科交叉”的特征。因此，新工科培養人才的目標即是使學生能夠在能力、知識和素質的多方面協調發展。在面向新工科的教學效果評價上，重點是學生全方位素質均衡發展的判定和考核。在多種能力和素質架構中，培養學生分析問題、問題推理與建模、實驗的設計和操作、口頭表達和寫作、團隊合作和管理能力，是新工科復合型創新人才綜合發展、評價學生綜合素質最為關鍵的五種能力題[8-9]。

如表1所示為CDIO三級實驗教學項目考核標準，該體系中項目完成情況占60%，主要考察項目的設計構思與實現情況;項目實施過程占30%，主要考察以項目為中心的團隊組織協調工作;總結及報告占10%。該考核標準力求從專業知識、動手能力、組織協調能力及創新能力等多方面全方位地對學生進行綜合評價。

3 實施成效

本項目依托集美大學誠毅學院兩大省級實驗示范中心——電子信息實驗教學示范中心和機電創新設計實驗教學示范中心，以“新工科”理念為指引，重構了基于CDIO模式的機械專業《電工電子學實驗》三級教學體系，以項目為載體，以系統的構思—設計—實現—運行過程為背景，引導學生主動積極地學習，并養成現代工程技術的職業素養。在機械15級、16級和17級開展實踐教學改革，學生中反響強烈，極大地提高了學生的動手能力和綜合應用能力，同時也激發了學生參加各類學科競賽和創新創業訓練項目的熱情。近幾年來，我院學生參加電子設計競賽、機器人大賽、智能車競賽，單片機應用設計競賽等各種級別的學科競賽，均取得較好的成績。同時獲批多項省級、國家級的大學生創新創業訓練項目。

4 結論

基于CDIO理念的教學模式關鍵在于引導學生從構思—設計—實現—運作這一過程中以主動的、積極的、實踐的方式學習工程，并提升學生的自主創新能力。本文以“新工科”理念為指引，將CDIO理念應用于機械專業《電工電子學實驗》課程體系，由淺入深、由點到面構建了三個級別的實驗項目，讓學生在“做中學，學中做”，將學生培養成知識、能力、素質協調發展的“新工科”人才。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】