基于CDIO模式的電子制作實驗教學探究

張永芳， 張義紅， 陳根龍， 鄧開連， 沈利芳

（東華大學信息科學與技術學院，上海 201620）

0 引 言

隨著社會信息化和經濟全球化的不斷發展，電子信息技術發展日新月異，新技術不斷涌現并迅速滲透到國民經濟各個部門。因而社會對教育界提出了更高的要求，不但要求學生擁有扎實的理論知識，而且要有很強的實踐應用能力［1-3］及對新知識的探索能力。同時，大數據和人工智能時代的到來，推動了社會對信息類人才的知識結構和素質能力的要求也水漲船高，不僅要求熟練掌握如電路分析、數字電路技術和模擬電路等重要專業基礎課程的內容，而且要求將這些課程所學的知識能夠靈活應用于實際生活中，并能熟練運用這些知識解決實際生活中所遇到的問題［4-6］。實驗課程不僅是聯系理論與實踐的橋梁和紐帶，而且也是理論教學課程的重要補充，更是培養高素質創新型人才過程中不可或缺的實踐環節［7-9］。然而傳統的電子制作實驗課程面臨著內容陳舊，模式單一，脫離工程實際和以教師為中心等問題，很難適應當今快速發展的社會趨勢［10-11］。為了培養出的信息技術專業人才具有更高的社會競爭力，較強的應用實踐能力和創新思維能力，必須實現電子制作實驗課程的改革。

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構思－設計－實現－運作）教育模式是當前國際工程教育最新發展方式，是一種將理論與實踐有機聯系的工程項目教育模式，旨在培養學生的工程基礎知識、個人能力、團隊協作能力以及綜合創新能力［12-15］。成都信息工程學院、云南大學、清華大學、北京交通大學等高校均將CDIO教學方法運用于教學實踐，并取得了良好的教學效果，同時也成為CDIO國際合作組織亞洲區域中心成員［16］。為了滿足社會對信息技術專業人才的需求，以及積極推進我校與國際接軌，將“項目制”思路融入電子制作實驗教學中，提出了基于CDIO模式的電子制作實驗教學方案。在學校激勵政策的引導下，探索出一條適應時代發展、符合社會發展需求的新型信息技術專業人才培養模式。

1 電子制作實驗課程特點與現狀

電子制作實驗課程是信息類專業必修的一門基礎實踐課程，該課程綜合性強，教育內容覆蓋面大，既要掌握電路分析、模擬電路、數字電路等專業理論知識，又要有很強的動手實踐能力，因而在教學過程中既要注重理論知識的學習灌輸，又要注重學生的動手實踐能力的培養。同時，該課程又具有一定的發展性，由于時代的發展，制作內容也要及時更新從而適應市場的需求。然而大多數同學只會簡單地組裝現有產品，在完成制作內容后并不知道其中的原理、行業背景、設計過程以及如何將設計的成果轉化為實實在在的電子產品，難以拓寬相關的知識面并進行相應的創新實驗。

2 基于CDIO模式的電子制作課程體系建設

2.1 電子制作實驗課程的改革

針對電子制作實驗課程的特點和教學現狀，結合國內外先進的CDIO教學模式，從制作內容、教學方式和教學內容等方面對電子制作課程進行改革。在實際教學過程中，把電路分析、模擬電路、數字電路等理論知識與半導體物理知識相融合，設計成新的電子制作項目，使教學內容緊跟科技發展。同時注重培養學生的系統工程能力、自學能力、組織溝通能力及項目的開發和實施能力。

2.2 體現創新人才培養的教學方法及過程考核方式

在教學中改教師為主的“聽中學”消極學習模式為學生為主的“做中學”主動學習模式；采用CDIO工程項目教學法，選取難度適中、學生容易完成但包含的知識面較廣、可挖掘空間大的實際工程項目（見表1），引導學生積極思考進而努力解決實際問題。同時依據CDIO工程教育理念，也可將拓展的相關學科知識，如半導體異質結（如PN結）制作知識、器件性能檢測及測試知識引入課堂；同時根據項目的難易程度，采用遞進式的方式，由簡單到復雜，由點到線，再由線到面，由單一到綜合的方式，將各個知識點滲透到項目中。最后根據學生實際完成情況，采用知識＋能力＋素質的綜合過程考核模式。

2.3 光電二極管探測器件項目教學實踐

在眾多電子產品的構成元件中，二極管是再普通不過的元件了，然而人們常用的多是購買現成的二極管，而且主要運用二極管的正向導通（加正向電壓時功能）和其穩壓（加反向電壓至飽和時的功能）這兩個功能，信息類的學生大部分對于二極管的構成及其他功能，比如發光功能（如LED），氣敏功能（如氣敏探測器）及光電探測功能（如紫外探測器，紅外探測器等，即加反向電壓但是未飽和時的功能）了解甚少，這里以紫外－可見光光電探測器的設計和制作項目為例，探討異質PN結加反向電壓時的電流特性，及CDIO工程教育模式在電子制作實驗教學指導中的應用。

2.3.1 項目總體要求

運用模擬電路中二極管的單向導通，反向截止功能及半導體異質結二極管（PN結）的制作工藝等相關知識設計并制作一個紫外-可見光光電探測器件，利用微小偏壓或者不用偏壓，僅用光照即可實現其探測功能，即實現該PN結在反向電壓下（飽和前）的功能。

2.3.2 項目構思

在項目構思階段，學生可按照5或6人自由組成一個團隊，通過查找資料、選定方案、優化方案、并對擬實現的器件進行基本輪廓性的構建后，進一步確定制作元件的基本模塊／元件。如設計所需要的基本材料（如Si片，化學藥品等），所需要的基本儀器，如示波器，穩壓源、光源、半導體性能測試儀，探針等。在此過程中，學生自主學習，指導老師盡量不加限制或者少干預，只把控正確的大方向，如選擇何種材料做異質結，如何制作器件，以及會達到什么樣子的性能等進行探討，而不是直接告訴怎么做或者應該怎么做。

表1 結合CDIO工程教學目標的實踐教學項目

2.3.3 項目設計

在教師對學生的方案進行初步論證后，學生便可進行進一步的制作。并利用穩壓源、示波器、半導體測試儀等儀器協助，在測試的過程中進一步確定相應測量的最佳參數值，如光源可利用光電開關控制，選擇開10 s，關閉10 s，然后再開10 s，再關閉10 s，如此循環往復。偏壓可按照從小到大的順序，緩慢增加。最后指導老師對測試參數選擇及樣品的安裝進行進一步核查，確保所選擇的參數正確合理。在此設計過程中，學生的工程設計能力、創新能力和推理能力得到了充分的訓練。

2.3.4 項目實施

在項目實施階段，學生根據自己設計的原理分工合作完成相應的二極管光電器件的設計、制作以及所需藥品的采購、組裝、調試和測量等工作。圖1所示為設計和制作的異質結二極管光電探測器示意圖。在此過程中既切實鍛煉了學生的設計能力和實際動手能力，又培養了學生的交流與合作能力。

圖1 設計和制作的二極管光電探測器示意圖

2.3.5 項目運行

在項目運行階段，學生團隊派一個代表將自己團隊制作的二極管光電探測器件展示給指導老師和其他同學觀賞，并對其功能進行演示。同時學生代表對此項目做匯報總結，針對設計項目的具體指標要求，由指導老師和學生雙方作出科學合理的評價。在此階段，充分鍛煉了學生的實踐動手能力，團隊協作能力、組織協調能力及現場解決問題的能力。圖2所示為制作的二極管光電探測器在紫外光（350 nm）和可見光（600 nm）照射下的電流-電壓特性圖。由圖可知，所制得的光電二極管滿足二極管的伏安特性。圖3所示為制作的光電二極管探測性能。由圖可知，在紫外光照射下，該二極管探測器獲得的光電流約為65μA／cm2，在可見光600 nm的光照下，獲得光電流約為160μA／cm2，因而該探測器對紫外光和可見光具有明顯的探測性能。

2.3.6 實驗教學實踐效果

在項目的整個實踐過程中，是以學生為主體、主動學習的過程。通過選定的教學項目，學生組隊完成項目的全部過程，包括資料搜集、方案設計及項目完成和展示。因而這種以CDIO模式的綜合訓練項目不僅鍛煉了學生的實際操作能力，拓展了他們所學的理論知識，而且也提高了學生的團隊協作能力、解決實際問題能力和綜合創新能力。

圖2 學生制作的光電二極管電流電壓特性

圖3 學生制作的光電二極管光電流隨時間變化曲線

3 結 語

電子制作實驗課程作為銜接理論知識與實際動手能力的重要橋梁，其教學模式和內容至關重要。從學校實際出發，采用CDIO工程教育模式，改革了傳統教學的不足，以具體項目為載體，讓學生在具體項目完成的過程中將所學的各個知識點融會貫通，靈活運用，不僅拓展了學生的知識面，提高了學生發掘和解決實際工程問題的能力，而且也大大提高了學生的自主學習能力、動手實踐能力、團結協作能力以及交流溝通能力。因而，通過這種教學模式或者理念的滲透和貫徹，可以有效提升畢業生的就業競爭力，并實現信息類專業人才培養與企業實際用人需求的無縫對接。