“雙一流”背景下實訓課程CDIO教學模式研究

黃曌 王盟盟 梁建華 石偉 賀正蕓

摘? 要：針對“雙一流”建設背景下的人才培養目標，文章提出CDIO教學模式，促進實踐類專業課程教學改革。依托項目式教學，緊密銜接學生構思、設計、實施、運作能力的培養目標貫穿課前準備、課堂授課與課后反饋三個教學環節，并以本年度電子系統設計綜合實訓課程為案例完成實踐研究。結果顯示，相比傳統課堂教學，CDIO教學模式更能突出學生的主體地位，更有利于調動學生的自主性和創新性思維，對提升教學效果及學生工程應用能力等方面均有較大的推進作用。

關鍵詞：雙一流;CDIO教學模式;電子系統設計綜合實訓;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）20-0046-04

Abstract： According to the objective of talents training under the background of "Double First-Class" university project， a novel CDIO teaching mode is put forward in this paper， to promote the teaching reform of practical courses. Relying on project-based teaching， the training objectives of conceiving， designing， implementing and operating are closely connected and run through the teaching process， which involves three stages： preparation before class， classroom teaching and feedback after class. The comprehensive training course of Electronic System Design is taken as a case to complete the practical research of the proposed CDIO teaching mode. The results show that compared with traditional teaching mode， CDIO teaching mode highlights the dominant position of students， which is more facilitated to motivate their autonomous and innovative thinking， and it may play a great role in improving the teaching effects and engineering application abilities of the students.

Keywords： Double First-Class; CDIO teaching mode; comprehensive training of Electronic System Design; teaching reform

2018年，在教育部提出的“雙一流”建設背景下，以學科為基礎，以創新型人才培養為核心成為高校教育的中心任務[1]。實踐類課程作為培養學生工程實踐能力與綜合能力的必選之道，是教學體系中必不可少的重要環節，將工程理念和創新思維培養深度融入實踐教學中，則是“雙一流”建設背景下高校人才培養的基本要求，也是提高學生創新能力的有效途徑[2-4]。本院開設的電子系統設計綜合實訓是一門面向全院所有專業的集中性實踐課程，在大二下學期末進行，旨在讓學生通過整體項目的軟硬件設計、制板焊接、電路調試、故障排查、性能測試、項目驗收等教學活動，鞏固實操技能，規范、系統地培養自身學習能力、分析能力、創新能力和運用理論知識解決實際問題的工程實踐能力。

為推進“雙一流”學科建設步伐，本課程團隊對所承擔的電子系統設計綜合實訓課程在教學內容和體系建設等方面進行優化和改進，結合創新人才培養目標，將先進的CDIO理念 （Conceive，構思;Design，設計;Implement，實施;Operate，運作）引入教學方案設計[5-8]，強調以教師引導為輔，學生自主實踐為主的教學模式，并應用于2021學年實訓課程中，作為“雙一流”建設背景下的實踐類課程建設及教學模式改革初探。

一、傳統綜合實訓教學中存在的問題

（一）教學模式過于單一

由教師承擔主體角色，以教師傳授知識為重心，忽視了學生的自主能動性和學習積極性，知識教育未充分向素質教育轉變，實訓內容無法與創新能力培養緊密聯合。教學內容安排詳實，但效果一般。

（二）學生工程實踐能力缺乏有效鍛煉

學生對教學目標沒有建立正確認知，對實訓課重視程度不夠，自主學習意識薄弱，主體角色淡化，典型表現有：實訓課程中機械性地完成焊接等工作，對電路工作原理、設計理念理解不足;焊接、調試過程中遇到任何問題，第一反應不是通過獨立思考分析問題、解決問題，而是依賴指導教師幫忙處理。長此以往，學生的實踐動手能力和實際解決問題的能力得不到有效提升。

（三）實訓內容安排不合理

實訓教學通常是要求學生在規定的時間內完成某個模塊化項目，學生跟著教師的節奏學習，僅在現成的電路板上進行成套器件的組裝、焊接、調試，實現預期功能。據此流程，學生跳過了電路設計的步驟，不知其所以然，而電路設計理念的建立往往是創新思維的基礎。此外，一些實訓項目過于陳舊，或者無法與前導課程知識緊密銜接，實用價值不高。

（四）考核機制不夠全面精準

沿用的實訓考核機制過于簡單粗略，對過程化的考核指標不夠精細，學生實操能力的體現不明顯，對學生自主創新意識的培養沒有起到驅動作用。有學生借助教師、同學的幫助完成了實訓，但是未形成正確的學習動機，對軟硬件的設計過程依舊很模糊，而且存在實習報告抄襲現象嚴重的問題。

二、CDIO教學模式的構建與實施

為緊密銜接“雙一流”建設的人才培養理念，課程團隊提出電子系統設計綜合實訓的教學目標。

目標1：能根據要求進行小型電子系統設計，確定實驗和調試方案;能根據實驗結果得到合理有效的結論，并進行系統設計優化和改進。

目標2：能使用現代工程方法完成小型電子系統的硬件、軟件設計，能合理選擇電子設計軟件。

目標3：能將設計方案、硬件設計、軟件設計、實驗數據、調試過程及驗收結果等以設計報告的方式進行歸納總結，并能清晰表達個人觀點和結論。

在持續幾年的學情分析調查及課程改革基礎上，課程團隊逐步形成了配套的教學方案設計，從2021年春季學期開始采用以學生自主和創新思維培養為核心，任務具體化、指導個性化、考核過程化的CDIO教學模式，以具體的工程項目作為載體，對其進行設計與施工，有效銜接課前準備、課堂授課、課后反饋三個階段，督促學生掌握專業實踐技能，具體的CDIO教學模式設計構架如圖1所示。

（一）課前準備

課程團隊充分考慮新技術新工藝的發展，及目前的應用需求，擇優篩選出以下五個具有先進性、實踐性、工程應用性的項目組成實訓題庫：（1）數控電壓源;（2）數控電流源;（3）信號發生器;（4）頻率計;（5）工頻電壓電流表。實訓一共開設72課時，學生1人/組，通過教師的適度指導，在已學前導課程模擬電子技術、微機原理與應用基礎上，于規定時間內確定項目的系統設計方案，完成電子系統的軟硬件電路設計，最終實現聯調及功能測試。

教師在開展教學之前，首先線上發布教學目標和教學安排，布置課前教學任務，完成指導書及軟、硬件教學資料上傳。鼓勵學生構思設計方案，充分發散創新思維，自主形成小組進行交流合作，集思廣益確定最佳方案，并通過proteus軟件仿真建模進行初步功能驗證，從而引導學生“個性式、自主式、討論式”完成課前預習任務。此外，學生借助課外資源，進行Altium Designer、Keil等軟件的操作學習。

（二）課堂授課

利用超星學習通、雨課堂等平臺進行線上考勤，針對學生在課前反饋的問題進行針對性解惑，教師敲定最終的項目方案，并引導學生在掌握項目電路工作原理的基礎上，自主完成各子模塊的具體設計。學生需充分了解電解電容、電阻、電位器等電路元器件，以及整流橋KBP206、集成運放OP07、三端穩壓LM317等芯片的選型原則和各模塊電路設計，如整流濾波電路、電流/電壓采樣電路、輸出閉環調節電路等，繪制完成原理圖，并在確定器件、芯片封裝后完成PCB圖紙。教師在學生的電路設計過程中予以耐心指導，鼓勵學生之間加強交流溝通，敢于發表自己的設計思路和想法，不斷提高自身獨立分析問題和解決問題的能力，培養良好的創新意識。

指導教師督促學生獨立完成自己的電路原理圖和PCB圖繪制，以及實際電路板制備、元器件的焊接和硬件電路的調試。采用多媒體視頻、實際演示等方式，讓學生充分了解電路板的制備工藝流程和插件、焊接的相關技術要求，外接變壓器和負載后，確保電路安全上電工作，如圖2所示。引導學生獨立分析、處理電路出現的各種故障問題，能嚴格按照各子模塊電路的功能進行調試和排查。

在完成硬件電路的制備及粗調基礎上，學生需緊密銜接前導課程中所學的STM32編程知識，領取如圖3所示單片機開發板及OLED顯示屏，基于Keil軟件完成代碼編寫，實現以下子功能模塊：（1）給定量D/A轉換子程序;（2）輸出量采樣A/D轉換子程序;（3）OLED顯示屏子程序。開發板芯片為STM32F103，學生根據芯片數據手冊及已有例程，進行代碼修改及調試。最終，將開發板和電源板的通訊線、地線相連，實現軟硬件電路的聯調，并同步記錄OLED顯示數據及萬用表實測數據，判斷誤差范圍是否在預設范圍內，驗證設計方案的正確性。

學院充分整合實驗室資源，提供元器件、PCB板、萬用表、示波器、直流穩壓電源、兆歐表、信號發生器等各類所需設備，為學生創造良好的實驗環境和硬件條件。為保證學生有充足的時間和設備完成實訓，學院為學生提供開放的實驗條件，允許學生通過預約方式在非上課時段進入實驗室進行實訓項目設計和制作，從而為學生在創新研究和自主思考方面的培養提供了極大的優勢。

為了培養學生的整體運作能力和獨立性，課程團隊在實訓中新增了匯報答辯環節。驗收完成后，指導教師組織學生進行項目的成果展示及匯報答辯工作。每位同學都作為匯報人參與到項目成果演示過程，匯報項目的方案設計思路、工藝技術、電路工作原理、調試過程中出現的問題及解決方法等，并對指導教師的問題進行解答。展示及匯報時間為10～15 min/人，一方面督促學生復習鞏固實訓中掌握到的知識和技能，了解項目實施流程;一方面鼓勵學生發表自己的設計理念和想法，并鍛煉口頭表述能力，促進自身全面發展。

（三）課后反饋

學生在課后也可與教師互動交流，反饋問題，教師通過QQ、微信、超星等及時完成線上答疑。為保證教學效果，督促學生及時實現所學知識的內化和遷移，實訓課程結束后，學生需完成課程設計報告，詳細記錄實訓過程中的方案設計、軟硬件制作調試、測試結果及心得體會等，并在一周內提交。課程團隊采用了多元考核機制，對學生的綜合能力進行考察，針對學生的實訓過程提出量化性指標，從而督促學生主動完成每一項任務，改善教學實施效果。教師匯集線上平臺提供的考勤數據，及線下各項測評成績 （系統方案設計及器件選型、原理圖設計、PCB設計、硬件電路制作調試、軟件調試、系統聯調、成果驗收、匯報答辯、課程設計報告等），對學生實驗過程中所展現的工程實踐能力、創新能力、知識運用能力和解決問題能力進行全面評估。

實訓課程結束后，指導教師發布問卷進行教學效果調查，全方位掌握學生學習情況及需求，為及時改良調整教學模式提供重要依據和正確導向。

三、CDIO教學模式實施效果

CDIO教學模式在電子系統設計綜合實訓課程中實施后，發現學生的學習積極性明顯提高，絕大部分學生能夠按要求進行課前預習，積極構思系統設計方案，且課堂氛圍活躍，學生討論交流與動手實踐的積極性高，逐步建立了主動學習、重視過程的意識。本年度學生綜合考核測評結果如圖4所示，目標1-3達成情況較平均，整體良好，教學效果相比以往傳統教學模式有顯著提升，證明學生在設計、分析電子系統，獨立解決實際工程問題的能力方面存在較大改善，CDIO教學模式取得了初步成功。

為了全面了解學生對CDIO教學模式的評價，課程團隊對全體學生進行了問卷調查，結果顯示，學生對教學模式及過程化考核機制予以了充分支持和肯定。此外，教學團隊也調查了教學過程中學生存在的困難情況，以便深入了解學生需求，見表1。

由表1可知，38.24%的學生認為自己的實訓過程開展比較順利，證明在CDIO教學模式下，基于教師的適當引導，很多學生都能克服學習過程中的阻礙，順利達到教學目標。最普遍的困難存在于：35.29%的學生認為自己能聽懂課程，但在獨立完成軟硬件電路設計方面還存在困難，對比往年該選項的學生比例（>60%），學生應用創新能力的平均水平已有明顯提升。電子系統設計綜合實訓是學生在大學期間接觸的第一門集中性實踐課程，其獨立性和創新性思維得到初步培養，但部分同學可能因前導課程不到位而在方案設計構思、軟硬件制作中面臨困境，這需在后續課程中循序漸進地積累和強化。

四、結束語

“雙一流”學科建設背景下，學生自主實踐能力和科研創新思維的綜合培養成為首要目標，實踐類課程作為培養學生工程應用能力的重要渠道，是學院對高素質人才培養環節的關鍵構成因素。經探究，教學團隊顛覆傳統的課堂授課模式，將先進的CDIO理念引入到教學設計，并在2021年度電子系統設計綜合實訓課程中得到良好的改革成效，其充分利用項目式教學轉變學習主體，引導學生在過程中提升構思、設計、實施、運作綜合能力，不僅有利于調動學生自主能動性，也督促教師提升自身教學水平。實施效果證明，該模式在培養學生工程應用、自主學習、科研創新能力方面起到重要推進作用，適用于創新性人才的培養方式，對學院開設的實踐類課程發展建設提供一定指導意義。

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