“雙一流”背景下實訓(xùn)課程CDIO教學(xué)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(shè)背景下的人才培養(yǎng)目標(biāo)，文章提出CDIO教學(xué)模式，促進實踐類專業(yè)課程教學(xué)改革。依托項目式教學(xué)，緊密銜接學(xué)生構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作能力的培養(yǎng)目標(biāo)貫穿課前準(zhǔn)備、課堂授課與課后反饋三個教學(xué)環(huán)節(jié)，并以本年度電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn)課程為案例完成實踐研究。結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)課堂教學(xué)，CDIO教學(xué)模式更能突出學(xué)生的主體地位，更有利于調(diào)動學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性思維，對提升教學(xué)效果及學(xué)生工程應(yīng)用能力等方面均有較大的推進作用。

關(guān)鍵詞：雙一流;CDIO教學(xué)模式;電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn);教學(xué)改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標(biāo)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(shè)背景下，以學(xué)科為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為核心成為高校教育的中心任務(wù)[1]。實踐類課程作為培養(yǎng)學(xué)生工程實踐能力與綜合能力的必選之道，是教學(xué)體系中必不可少的重要環(huán)節(jié)，將工程理念和創(chuàng)新思維培養(yǎng)深度融入實踐教學(xué)中，則是“雙一流”建設(shè)背景下高校人才培養(yǎng)的基本要求，也是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑[2-4]。本院開設(shè)的電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn)是一門面向全院所有專業(yè)的集中性實踐課程，在大二下學(xué)期末進行，旨在讓學(xué)生通過整體項目的軟硬件設(shè)計、制板焊接、電路調(diào)試、故障排查、性能測試、項目驗收等教學(xué)活動，鞏固實操技能，規(guī)范、系統(tǒng)地培養(yǎng)自身學(xué)習(xí)能力、分析能力、創(chuàng)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(xué)科建設(shè)步伐，本課程團隊對所承擔(dān)的電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn)課程在教學(xué)內(nèi)容和體系建設(shè)等方面進行優(yōu)化和改進，結(jié)合創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)，將先進的CDIO理念 （Conceive，構(gòu)思;Design，設(shè)計;Implement，實施;Operate，運作）引入教學(xué)方案設(shè)計[5-8]，強調(diào)以教師引導(dǎo)為輔，學(xué)生自主實踐為主的教學(xué)模式，并應(yīng)用于2021學(xué)年實訓(xùn)課程中，作為“雙一流”建設(shè)背景下的實踐類課程建設(shè)及教學(xué)模式改革初探。

一、傳統(tǒng)綜合實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題

（一）教學(xué)模式過于單一

由教師承擔(dān)主體角色，以教師傳授知識為重心，忽視了學(xué)生的自主能動性和學(xué)習(xí)積極性，知識教育未充分向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變，實訓(xùn)內(nèi)容無法與創(chuàng)新能力培養(yǎng)緊密聯(lián)合。教學(xué)內(nèi)容安排詳實，但效果一般。

（二）學(xué)生工程實踐能力缺乏有效鍛煉

學(xué)生對教學(xué)目標(biāo)沒有建立正確認(rèn)知，對實訓(xùn)課重視程度不夠，自主學(xué)習(xí)意識薄弱，主體角色淡化，典型表現(xiàn)有：實訓(xùn)課程中機械性地完成焊接等工作，對電路工作原理、設(shè)計理念理解不足;焊接、調(diào)試過程中遇到任何問題，第一反應(yīng)不是通過獨立思考分析問題、解決問題，而是依賴指導(dǎo)教師幫忙處理。長此以往，學(xué)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(xùn)內(nèi)容安排不合理

實訓(xùn)教學(xué)通常是要求學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成某個模塊化項目，學(xué)生跟著教師的節(jié)奏學(xué)習(xí)，僅在現(xiàn)成的電路板上進行成套器件的組裝、焊接、調(diào)試，實現(xiàn)預(yù)期功能。據(jù)此流程，學(xué)生跳過了電路設(shè)計的步驟，不知其所以然，而電路設(shè)計理念的建立往往是創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。此外，一些實訓(xùn)項目過于陳舊，或者無法與前導(dǎo)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(zhǔn)

沿用的實訓(xùn)考核機制過于簡單粗略，對過程化的考核指標(biāo)不夠精細，學(xué)生實操能力的體現(xiàn)不明顯，對學(xué)生自主創(chuàng)新意識的培養(yǎng)沒有起到驅(qū)動作用。有學(xué)生借助教師、同學(xué)的幫助完成了實訓(xùn)，但是未形成正確的學(xué)習(xí)動機，對軟硬件的設(shè)計過程依舊很模糊，而且存在實習(xí)報告抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重的問題。

二、CDIO教學(xué)模式的構(gòu)建與實施

為緊密銜接“雙一流”建設(shè)的人才培養(yǎng)理念，課程團隊提出電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn)的教學(xué)目標(biāo)。

目標(biāo)1：能根據(jù)要求進行小型電子系統(tǒng)設(shè)計，確定實驗和調(diào)試方案;能根據(jù)實驗結(jié)果得到合理有效的結(jié)論，并進行系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和改進。

目標(biāo)2：能使用現(xiàn)代工程方法完成小型電子系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，能合理選擇電子設(shè)計軟件。

目標(biāo)3：能將設(shè)計方案、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、實驗數(shù)據(jù)、調(diào)試過程及驗收結(jié)果等以設(shè)計報告的方式進行歸納總結(jié)，并能清晰表達個人觀點和結(jié)論。

在持續(xù)幾年的學(xué)情分析調(diào)查及課程改革基礎(chǔ)上，課程團隊逐步形成了配套的教學(xué)方案設(shè)計，從2021年春季學(xué)期開始采用以學(xué)生自主和創(chuàng)新思維培養(yǎng)為核心，任務(wù)具體化、指導(dǎo)個性化、考核過程化的CDIO教學(xué)模式，以具體的工程項目作為載體，對其進行設(shè)計與施工，有效銜接課前準(zhǔn)備、課堂授課、課后反饋三個階段，督促學(xué)生掌握專業(yè)實踐技能，具體的CDIO教學(xué)模式設(shè)計構(gòu)架如圖1所示。

（一）課前準(zhǔn)備

課程團隊充分考慮新技術(shù)新工藝的發(fā)展，及目前的應(yīng)用需求，擇優(yōu)篩選出以下五個具有先進性、實踐性、工程應(yīng)用性的項目組成實訓(xùn)題庫：（1）數(shù)控電壓源;（2）數(shù)控電流源;（3）信號發(fā)生器;（4）頻率計;（5）工頻電壓電流表。實訓(xùn)一共開設(shè)72課時，學(xué)生1人/組，通過教師的適度指導(dǎo)，在已學(xué)前導(dǎo)課程模擬電子技術(shù)、微機原理與應(yīng)用基礎(chǔ)上，于規(guī)定時間內(nèi)確定項目的系統(tǒng)設(shè)計方案，完成電子系統(tǒng)的軟硬件電路設(shè)計，最終實現(xiàn)聯(lián)調(diào)及功能測試。

教師在開展教學(xué)之前，首先線上發(fā)布教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)安排，布置課前教學(xué)任務(wù)，完成指導(dǎo)書及軟、硬件教學(xué)資料上傳。鼓勵學(xué)生構(gòu)思設(shè)計方案，充分發(fā)散創(chuàng)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(dǎo)學(xué)生“個性式、自主式、討論式”完成課前預(yù)習(xí)任務(wù)。此外，學(xué)生借助課外資源，進行Altium Designer、Keil等軟件的操作學(xué)習(xí)。

（二）課堂授課

利用超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等平臺進行線上考勤，針對學(xué)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(dǎo)學(xué)生在掌握項目電路工作原理的基礎(chǔ)上，自主完成各子模塊的具體設(shè)計。學(xué)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(wěn)壓LM317等芯片的選型原則和各模塊電路設(shè)計，如整流濾波電路、電流/電壓采樣電路、輸出閉環(huán)調(diào)節(jié)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(xué)生的電路設(shè)計過程中予以耐心指導(dǎo)，鼓勵學(xué)生之間加強交流溝通，敢于發(fā)表自己的設(shè)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(yǎng)良好的創(chuàng)新意識。

指導(dǎo)教師督促學(xué)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(diào)試。采用多媒體視頻、實際演示等方式，讓學(xué)生充分了解電路板的制備工藝流程和插件、焊接的相關(guān)技術(shù)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(dǎo)學(xué)生獨立分析、處理電路出現(xiàn)的各種故障問題，能嚴(yán)格按照各子模塊電路的功能進行調(diào)試和排查。

在完成硬件電路的制備及粗調(diào)基礎(chǔ)上，學(xué)生需緊密銜接前導(dǎo)課程中所學(xué)的STM32編程知識，領(lǐng)取如圖3所示單片機開發(fā)板及OLED顯示屏，基于Keil軟件完成代碼編寫，實現(xiàn)以下子功能模塊：（1）給定量D/A轉(zhuǎn)換子程序;（2）輸出量采樣A/D轉(zhuǎn)換子程序;（3）OLED顯示屏子程序。開發(fā)板芯片為STM32F103，學(xué)生根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊及已有例程，進行代碼修改及調(diào)試。最終，將開發(fā)板和電源板的通訊線、地線相連，實現(xiàn)軟硬件電路的聯(lián)調(diào)，并同步記錄OLED顯示數(shù)據(jù)及萬用表實測數(shù)據(jù)，判斷誤差范圍是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，驗證設(shè)計方案的正確性。

學(xué)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(wěn)壓電源、兆歐表、信號發(fā)生器等各類所需設(shè)備，為學(xué)生創(chuàng)造良好的實驗環(huán)境和硬件條件。為保證學(xué)生有充足的時間和設(shè)備完成實訓(xùn)，學(xué)院為學(xué)生提供開放的實驗條件，允許學(xué)生通過預(yù)約方式在非上課時段進入實驗室進行實訓(xùn)項目設(shè)計和制作，從而為學(xué)生在創(chuàng)新研究和自主思考方面的培養(yǎng)提供了極大的優(yōu)勢。

為了培養(yǎng)學(xué)生的整體運作能力和獨立性，課程團隊在實訓(xùn)中新增了匯報答辯環(huán)節(jié)。驗收完成后，指導(dǎo)教師組織學(xué)生進行項目的成果展示及匯報答辯工作。每位同學(xué)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(shè)計思路、工藝技術(shù)、電路工作原理、調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及解決方法等，并對指導(dǎo)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(xué)生復(fù)習(xí)鞏固實訓(xùn)中掌握到的知識和技能，了解項目實施流程;一方面鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的設(shè)計理念和想法，并鍛煉口頭表述能力，促進自身全面發(fā)展。

（三）課后反饋

學(xué)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(xué)效果，督促學(xué)生及時實現(xiàn)所學(xué)知識的內(nèi)化和遷移，實訓(xùn)課程結(jié)束后，學(xué)生需完成課程設(shè)計報告，詳細記錄實訓(xùn)過程中的方案設(shè)計、軟硬件制作調(diào)試、測試結(jié)果及心得體會等，并在一周內(nèi)提交。課程團隊采用了多元考核機制，對學(xué)生的綜合能力進行考察，針對學(xué)生的實訓(xùn)過程提出量化性指標(biāo)，從而督促學(xué)生主動完成每一項任務(wù)，改善教學(xué)實施效果。教師匯集線上平臺提供的考勤數(shù)據(jù)，及線下各項測評成績 （系統(tǒng)方案設(shè)計及器件選型、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計、硬件電路制作調(diào)試、軟件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、成果驗收、匯報答辯、課程設(shè)計報告等），對學(xué)生實驗過程中所展現(xiàn)的工程實踐能力、創(chuàng)新能力、知識運用能力和解決問題能力進行全面評估。

實訓(xùn)課程結(jié)束后，指導(dǎo)教師發(fā)布問卷進行教學(xué)效果調(diào)查，全方位掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況及需求，為及時改良調(diào)整教學(xué)模式提供重要依據(jù)和正確導(dǎo)向。

三、CDIO教學(xué)模式實施效果

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

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

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

四、結(jié)束語

“雙一流”學(xué)科建設(shè)背景下，學(xué)生自主實踐能力和科研創(chuàng)新思維的綜合培養(yǎng)成為首要目標(biāo)，實踐類課程作為培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用能力的重要渠道，是學(xué)院對高素質(zhì)人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵構(gòu)成因素。經(jīng)探究，教學(xué)團隊顛覆傳統(tǒng)的課堂授課模式，將先進的CDIO理念引入到教學(xué)設(shè)計，并在2021年度電子系統(tǒng)設(shè)計綜合實訓(xùn)課程中得到良好的改革成效，其充分利用項目式教學(xué)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)主體，引導(dǎo)學(xué)生在過程中提升構(gòu)思、設(shè)計、實施、運作綜合能力，不僅有利于調(diào)動學(xué)生自主能動性，也督促教師提升自身教學(xué)水平。實施效果證明，該模式在培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用、自主學(xué)習(xí)、科研創(chuàng)新能力方面起到重要推進作用，適用于創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)方式，對學(xué)院開設(shè)的實踐類課程發(fā)展建設(shè)提供一定指導(dǎo)意義。

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