基于E-CDIO-KS模式的电子类课程教学实践

陈 安，于兆勤，彭 端，陈灵敏，杜宇上

(广东工业大学实验教学部，广东广州510006)

0 引言

为了落实高校大学生创新行动计划，整合和利用校内优质实践教学资源，为学有余力和具有主动实践意识的学生搭建提高创新意识和实践能力的平台，2013年5月我校开设了电子设计实践能力提高班和机器人实践能力提高班等4个实践能力提高班，其中电子设计实践能力提高班的具体教学由实验教学部电工电子实验中心承担，中心通过笔试、实操和面试选拔了30名优秀学生进入提高班学习。

如何更好地提高学生的工程实践能力是摆在中心教师面前的一个首要问题。中心教师在广泛查询国内外相关文献，汲取国内外学者和同行的相关研究成果和实践经验，对有关学校进行调研的基础上，决定采用E-CDIO-KS(体验—构思、设计、实施、运作—知识化，共享)模式对电子设计实践能力提高班进行教学，通过1年的实践，提高班学生的专业技术知识、工程实践能力、团队合作和交流能力等综合素质都有显著的提高。

1 E-CDIO-KS教学模式的具体实施

整个电子设计实践能力提高班的学习分两个学期来完成，第一学期实行小班授课，主要学习元器件检测、焊接训练、PCB制作、常用电路模块制作、AVR单片机及扩展电路等实践课程，学生通过1个学期的基本训练，掌握一些电路设计的基本要求和专业知识，为下个学期的学习打下良好的基础［1-2]。整个学期的实践课程内容如图1所示。

图1 第一学期实践课程内容结构

第二学期实行分组制作，4到5名学生1组，每组指定一个负责人。每组学生可在指定的选题中任选1个设计题目，也可以根据自己的想法自选题目，自选题目的小组需先给出一个完整的设计方案。在整个设计过程中，教师只是提纲挈领地给学生指引搜集资料的方向，学生遇到实际问题时再进行单独答疑。

在具体的教学过程中，学校主讲教师主要负责设定教学目标、邀请校外教师、补充相关基础知识、课堂组织协调、实践活动设计、评价方式制定及实施和学生间的互动组织等［3]。由多位课内课外教师共同完成课程全部内容的讲授，并且邀请相关电子企业的工程师或创业成功的校友来校开展系列讲座，以弥补教学质量受限于教师水平的缺陷。

E-CDIO-KS教学模式贯穿于整个教学过程中，具体体现如下。

(1)在E(体验)环节中，讲叙具体产品(如开关电源、信号发生器)的制造时，我们通过联系，安排学生去相关企业参观学习，这样校外教师在讲授相关电子产品知识时，学生会有更直观更深刻的感触。例如信号发生器是学生在模拟电子技术实验中经常要用到的一种仪器，在学期末我们通过联系广州地区的信号源生产厂家，让提高班的学生去厂家进行参观学习，学生通过参观生产线上信号源各模块的组装、整机调试及现场工程师的讲解，对信号源的生产过程有了切身体会，回到实验室用信号源调试电路时，如果信号源出现一些小故障，都可以自行解决。

(2)CDIO(构思、设计、实施和运作)环节，是整个模式的核心环节。在学习过程中教师为学生提供辅助资源，如通过课堂上讲解电子产品(例如开关电源、信号发生器)的基本原理及发展趋势，启发学生发现创新点，形成良好的构思;通过讲解电子产品开发流程和设计的关键因素，鼓励学生做中学、学中做，发挥主观能动性。在CDIO整个过程中，如果学生有好的创意，根据学生的需求，开放实验室和购置所需器材进行具体的实物制作。

(3)K(知识化)和S(共享)环节贯穿整个学习过程中，通过知识共享，学生才能更系统的建构自己的思维。在基于E-CDIO-KS的教学模式下，采用面授为主，网络为辅的混合学习模式，提倡学生自主学习并通过使用网络教学平台的资源实现知识积累、知识共享(集体共享或个性化共享)、知识交流(师生交流、生生交流、人机交流)以及知识创新(隐显性知识转化)等。举办电子设计实践能力提高班学习论坛，教师和学生可以在论坛上交流学习问题和心得体会，教师可以答疑解惑。利用论坛可提供非实时答疑，方便师生互动交流。

总之，学生在E阶段感性地体验产品的实际生产过程和学习知识，教师和企业工程师发挥指导辅助的作用;在CDIO阶段学生通过实践所学到的知识，提升自己发现问题和解决问题的能力;KS阶段实现知识共享，促进学生构建自己的思维。

2 E-CDIO-KS模式下学期作品制作

根据电子设计实践能力提高班的教学计划，在第二学期，我们把学生分成信号发生器组、开关电源组和无线通信组等若干个小组，每个小组需要根据各自的课题任务要求，完成相应的实物制作。

以信号发生器组为例，设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、种类以及强度的控制。根据题目要求，信号发生器小组查阅相关资料，结合第一学期所学的专业基础知识，提出四种实现方案:①采用555集成芯片函数发生器，555芯片可以产生可变的正弦波、方波、三角波及实现频率控制，但产生的频率较低;②采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器ICL8038，产生频率(0.001～300 kHz)可变的正弦波、三角波、方波及数控频率调整。但是，由于ICL8038自身的限制，输出频率稳定度不是很高，而且，由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难;③采用MAX038函数发生器，MAX038是一个精密高频波形产生器。能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波(含方波)和正弦波信号，频率范围为0.1 Hz～20 MHz)。但此芯片目前已经停产且价格比较贵;④采用DDS(直接数字式频率合成器)波形发生技术，选用AD9851和单片机相结合的方式实现对频率的控制。AD9851高速DDS芯片时钟频率可达180 MHz，输出频率可达70 MHz，分辨率为0.04 Hz。

综合分析以上四种实现方法的性价比，信号发生器小组采用DDS芯片AD9851来设计信号发生器。整个硬件电路主要由AD9851为核心的DDS模块、单片机为核心的按键LCD显示控制模块、滤波模块、供电模块以及通信模块等构成。整个设计过程中，从方案比较到理论计算、从画原理图到PCB、从焊接到软件编程及最终的实物制作和调试，都充分体现了CDIO教育理念。学生制作的信号发生器实物和频率显示如图2和图3所示。

图2 信号发生器

图3 信号发生器频率显示

整个设计完成后，不同小组之间的学生可以相互交流心得体会，并把在设计过程中遇到的问题以及解决的方法放到电子设计能力提高班论坛上，实现知识共享［5]。

在学期末，我们要求学生提交设计和总结报告及相应的实物作品。报告需包含:①方案比较、设计与论证;②理论分析与计算;③电路图及有关设计文件;④测试方法与仪器;⑤测试数据及测试结果分析。

实物作品在提交时需在实验室现场演示，教师根据设计报告的内容对学生进行提问，最后根据现场演示的结果及学生回答问题的情况对学生进行综合评分。

3 E-CDIO-KS教学模式的实施效果

E-CDIO-KS教学模式在电子设计实践能力提高班的教学中实施了1年多，新的教学方法得到学生的支持，取得了很好的教学效果:

(1)激发了学生的学习兴趣，主动参与的热情非常高。在整个学习期间，学生经常中午和晚上都沉浸在实验室里，有时候为了调试一个程序很晚才回寝室。当其学期作品达到预期效果后，他们会为此感到非常自豪。

(2)提高了学生的实践技能、分析和解决问题的工程能力。通过设计方案的比较、计算机辅助设计软件的使用、印制电路板的制作和电路的安装与调试，使学生获得一次较为系统的训练。在训练过程中，电路的仿真设计和电路调试时的故障排除都是理论与实际相结合的重要体验，缩短了学生与实际工程的距离，对他们今后的发展有很大促进作用。

(3)增强了学生的创新能力及科技创新的自信心。提高班的学生开始主动与教师联系，积极申请参加学校组织的各种电子竞赛和项目，如大学生创新创业项目和大学生电子设计大赛等等。

4 结语

基于E-CDIO-KS模式的教学在电子设计实践能力提高班中的实践，有效培养了学生的自主学习能力、信息分析综合能力、创新意识、动手能力和团队合作精神。新教学方法的实施，使教师的综合业务素质也得到增强。E-CDIO-KS模式是一个比较新的创新模式，有利于学生个人能力的提升，但还未得到大规模的应用，以后的研究中要深入提取该模式的内涵，并进行进一步的具体实践，从中发现潜在的问题及有利因素，进行不断的完善。

［1] 顾佩华.从CDIO到EIP-CDIO-汕头大学工程教育与人才培养模式探讨［J] .武汉，高等工程教育研究，2008，12(1):12-19

［2] 王伟，王殿君，申爱明，等.基于CDIO人才培养模式的机械电子工程专业实践教学体系的改革与探索田［J] .芜湖，安徽师范人学学报(自然科学版)，2010，33(2):136-138.

［3] 周燕，淮文军.电子设计竞赛中CDIO教学模式的设计与实践［J] .苏州，苏州市职业人学学报，2010，21(2):71-73.

［4] 康亮，洪晓鸥，陈冠玲.CDIO教育模式在学生课外科技竞赛中的应用与探讨［J] .上海，实验室研究与探索，2012，31(2):128-130，147.

［5] 田海梅，朱保平，陈爱萍.基于CDIO模式的综合项目改革的实践［J] .北京，实验技术与管理，2011，28(4):130-132.