基于CDIO教育理念的数字电路教学设计*

宋彩霞　张金政　丁　男　李　霞

(1.青岛农业大学　理学与信息科学学院，山东　青岛　266109；2.大连理工大学　计算机科学与技术学院，辽宁　大连　116024)



基于CDIO教育理念的数字电路教学设计*

宋彩霞1张金政1丁男2李霞1

(1.青岛农业大学理学与信息科学学院，山东青岛266109；2.大连理工大学计算机科学与技术学院，辽宁大连116024)

文章以CDIO为教育理念，通过对当前数字电路教学中存在问题的分析，提出具体的教学改革方案。并以“多路智力竞赛抢答器”为例，探讨以项目驱动为基础，采取“自上而下”层层分解的教学方法，划分项目为5个阶段：发现项目、澄清项目需求、项目分解、项目实现、项目评价与改进，给出了每阶段的实施过程。实践表明这样的教学改革达到了很好的教学效果。

CDIO；自上而下；项目驱动；做中学；教学改革

人才是信息产业的主要因素，随着社会的发展进步，对人才的需求除了要具有扎实的基础知识之外，更关键的是要具备较强的实践能力、交流能力、创新能力、团队协作精神等工程师素质。2001年由美国麻省理工学院和瑞典皇家理工学院等4所大学组成的工程教育改革研究团队共同开发了一种全新工程教育理念和实施体系——CDIO[1-3]，CDIO是指构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，它以培养应用型人才为目标，以产品研发至产品运行的生命周期为载体，让学生以积极主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程，其更加注重培养学生工程理论基础知识、个人实践能力、创新能力、人际团队能力和工程系统能力等[4-6]。

数字电路是通信工程、计算机科学与技术等专业中一门非常重要的专业基础必修课。与其他专业基础课相比，不但具有很强的理论性，更重要的是具有较强的工程实践性。其侧重于通过对常用数字芯片、逻辑电路的学习，使学生在掌握基本理论知识的基础上，培养学生分析问题和解决问题的能力，为后续课程如单片机技术、微机原理等课程奠定坚实基础。本文从深入分析目前数字电路课程教学存在的问题入手，探讨将CDIO教育理念引入课程教学顶层设计之中，以自上而下的方式贯穿课程教学始终，进而配以实例对具体改革措施、方法、步骤进行阐述。作者通过对所在高校计算机专业、通信专业的课程改革的实施，证明该方法已在培养学生的动手实践能力、创新能力、团队协作能力方面取得良好的效果。

一、CDIO工程教育模式

CDIO是一种倡导 “做中学(Learning-by-doing)”的新型工程教育教学模式，其核心理念是以“用”导“学”，在做中学，在学中做，理论与实践紧密联系、不可分割。学生是教学活动中的积极参与者，教师是学生学习活动中的协助者[7]。在实施中让学生以工程项目为基础的学习方法(Projected-Based Learning，PBL)进行学习，在培养方式上则以实践性或创新性的项目为载体。工程项目设计是工程实践的精髓所在，CDIO项目按规模范围划分为三级[5]12-20：本专业主要核心课程和能力要求的项目；一组相关核心课程、能力要求的项目；单门课程而设的项目。在课程的开始就以项目为导向引入项目，用项目把相关的课程贯穿起来，在教学中引入工程项目的全生命周期，着眼于能力、知识的教学、做过程的关联(Context)[4]1-6，使学生毕业后能很快适应工作岗位，满足社会对工程人才的需要。

二、基于CDIO教育理念的教学改革探究

(一)传统数字电路课程教学问题分析

1.理论教学方式单一固化，实验内容与工程实践脱节

在传统授课中，教师单纯的对理论知识进行讲解，没有与实际的工程实例相结合，而且内容比较孤立，缺乏相互衔接，知识点“碎片化”，比如编码器只讲编码器、计数器只讲计数器，缺乏对两者应用场景以及两者联合应用的介绍，不利于学生对知识的系统理解掌握；课程实验内容多是以验证性实验来验证理论知识，且因缺少工程项目支持，学生动手实践能力缺失；实验内容简单，学生基本可独立完成，无需团队合作，不利于团队意识培养，与工程实际相脱节，无法满足现代工程师的要求[8-10]。

2.教师与学生的角色颠倒，教学方式“本末倒置”

以往传统教学中，教师是中心，学生是知识的被动接受者。教师多单纯灌输，学生多是被动接受，教学过程也大多先是在课堂上讲解基础知识：每块逻辑器件的功能，然后再到实验室中进行实验。这种先微观后宏观、先局部后整体的教学方式[11]，不仅无法调动学生研究探索的积极性，更与实际工程设计实践活动规律相背离。

3.考核形式与内容单一，综合实践能力考察缺失

传统的数字电路考核方式一般是理论成绩(占总成绩的70%左右)加上实验成绩(占总成绩的30%左右)。考查内容多以基础知识与逻辑器件(译码器、数值比较器、计数器等)的使用为主。实验成绩主要是根据学生平时实验步骤以及提交的实验报告给出。总体来说，这种方法比较科学规范，但是标准过于单一，不足以反映学生独立综合设计和创新能力。

(二)基于CDIO的教学改革思路

依据数字电路课程教学大纲，授课内容主要包括：逻辑代数基础、组合逻辑电路以及常用的中规模集成电路(Medium-Scale Integration，MSI)、时序逻辑电路以及MSI、脉冲波形的产生与整形、模/数与数/模转换等。为使学生掌握基础理论知识的同时具备交流能力、创新能力、实践能力、团队协作精神等工程师素质，以CDIO理念确定具体思路：

1.采用基于项目的教学方法

项目教学法是一种基于项目学习的方法，通过把实际生活中的工程项目引入教学，并将教学内容、知识点融入工程项目的真实环境之中[12]。

2.突出自上而下的教学思路

确定合适的工程项目后，引导学生采取“自上而下”的工程设计理念，先搭建宏观、整体轮廓，再由宏观到微观，由整体到局部，进而抽丝剥茧，层层分解，运用工程所涉及的专业知识过渡到本专业课程涉及的基础知识[13]，一步一步解决问题。

3.增设综合性与设计性实验

增加综合性与设计性实验题目，通过计算机辅助设计、项目调研、项目的团队合作、开设项目讨论等多种教学方式，引导学生学习并利用Protel、Multisim 等EDA软件进行电路设计和仿真，进而掌握利用EDA技术进行项目设计的必备技能[14-16]。在实验中，着重培养学生管理项目能力、语言表达能力、团队合作能力等。

4.实施多元化教学考核

在理论内容考试中增加设计性的题目，且应是对两种逻辑电路的综合考查；在实验设计考察中，把实验的预习、实验构思、实验过程中问题解决、对本实验的改进、项目讨论、项目报告等也纳入考查内容。不但考查学生的学习能力、理解能力，也侧重考查团队协作能力、沟通能力、创新能力。

(三)CDIO理念下的项目教学法开展

在数字电路课程教学中引进工程项目，采取“自上而下”的教学方式，全面诠释CDIO的构思、设计、实现和运作4个过程，并依据项目目标划分为5个阶段：发现项目(Finding)、澄清项目需求(Clarifying)、项目分解(Decomposition)、项目实现(Implementing)、项目评价与改进(Evaluation and Improvement)(见表1)。

表1　基于CDIO的项目教学过程

1.构思：这个过程分为两个阶段——发现项目和澄清项目需求

发现项目：从实际生活(如下文中“多路智力竞赛抢答器”就是从学校的各种竞赛中受到启发)或是科研中发现适合的工程项目，将其引入教学作为配套项目。项目的选择应兼具趣味性与知识性。

澄清项目需求：通过调研与资料搜集澄清项目的需求，找出问题的本质，并把问题逐一规范化，最终写出项目的具体功能。

2.设计：此过程对应项目分解阶段

此阶段是在澄清问题需求的基础上把问题层层分解，将大项目分解为一个个层次分明的子模块，实现对各模块的描述以及明确各模块之间的交互关系。系统的详细设计包括电路原理图设计、元器件选择、电路仿真及系统的性能优化(可靠性、经济性)，用做工程的视角设计项目：选取少而精确的芯片，达到可靠性与经济性兼顾。学生使用各种EDA软件进行仿真测试与设计，使用Multisim对电路仿真、系统可靠性分析及优化，运用Protel软件完成PCB的设计。在此过程中，教师通过子模块的需求来讲解相应的理论知识，实现对项目的自然引入。

在进行本阶段前，应根据需要将学生分为3～4人的项目小组，选出项目经理，由项目经理组织做好项目的调研、资料查阅等工作，并负责项目的进度控制和沟通交流。

3.实现：对应于项目实现阶段

PCB设计完成后，在板子上面进行组装、焊接，形成产品；用示波器等工具对产品进行功能及性能测试，不断调整参数直到满足项目要求。

4.运作：对应于项目评价与改进阶段

此阶段学生进行项目演示与汇报，汇报内容包括：项目的设计思路、工作原理、关键技术、工作流程、存在的问题以及挑战等内容。教师对各项目进行答辩和项目评价，评价的指标要以体现学生的动手能力、创新能力为主。包括：市场调研、完成项目的工作量、实验方案(经济性与可靠性方案的兼顾)、实验报告的规范性、创新点等。帮助引导学生实现从“听明白”到“想明白”再到“说明白”的飞跃，巩固对理论知识的理解和运用[17]。

(四)基于CDIO理念的教学项目设计

结合上述CDIO 理念下的项目教学法，教学中我们以多路智力竞赛抢答器作为实际工程项目，其涵盖了数字电路大部分知识：组合逻辑电路(编码器、译码器)、时序逻辑电路(触发器、计数器)、脉冲的产生与整形(555定时器)等。实现的主要功能包括：抢答器同时供8名选手比赛，每人对应一个按钮；主持人一个控制开关，控制抢答开始及系统清零；抢答器具有锁存与显示功能，抢答开始锁存抢答成功者并禁止其他选手抢答，同时显示抢答成功者编号；参赛选手在设定时间(30秒)内抢答有效，并用显示器显示倒计时时间；抢答开始、成功、结束有扬声器进行声音提示[18](见图1)。

图1　多路智力抢答器的“自上而下”项目教学过程实施

第一，发现项目：学校里面经常组织各种知识竞赛，学生对此比较熟悉，也比较感兴趣。用学过的知识自己设计一个抢答器，既可以把知识转化为成果使用，又能实现所做即所见，进而达到学以致用的目的。

第二，澄清项目需求：通过引导学生调研及查阅资料，一般确定为8名选手参加比赛即可满足要求，且抢答器一般应该具有抢答、倒计时、显示参赛选手编号、显示时间、语音提示等功能。

第三，项目分解：按照自上而下、由宏观到微观、由整体到局部层层划分的原则，多路智力抢答器分为：抢答电路、定时电路及报警电路3部分。

抢答电路包含：参赛选手选择(用型号为74HC/LS148的编码器)、号码显示(型号为74HC/LS48的显示译码器)、数据锁存(型号为74HC/LS279的RS触发器)，涉及的知识点有组合逻辑器件、触发器与反馈控制电路。

定时电路：时钟脉冲产生(型号为NE555的定时器)、倒计时计数(型号为74HC/LS192的可逆计数器)、时间显示(型号为74HC/LS48的显示译码器)，涉及的知识点有组合逻辑电路、时序逻辑电路、波形的产生与整形电路。

报警电路：脉冲驱动(型号为NE555的定时器组成的多谐振荡器)、声音提示(型号为SFM-27的蜂鸣器)，涉及的知识点有波形的产生与整形电路。

利用各种EDA软件工具进行仿真设计。画出电路图在Multisim软件上仿真，然后利用Protel软件进行PCB版的设计。

第四，项目实现：根据PCB制成的电路，拿到工厂里面去做成板子。在实验室里面，利用电烙铁等把芯片在制成的板子上面进行组装与焊接。用示波器进行功能与性能的测试以及参数的修改，对电路中出现的问题进行排查、改正，直到完成系统功能为止。此过程不断重复，对锻炼学生的实际动手能力、查阅资料能力、解决问题能力助益颇多。同学普遍反映这个阶段是最痛苦也是最快乐的一段经历。

第五，项目评价与改进：对成果进行汇报展示，并且讨论扩展及改进。比如：添加加分与减分功能，增加参赛选手等。教师当场对项目的成果、创新方面等做出评判，同学对演示的项目积极提问，热烈讨论，相互之间进行评判。

根据上述教学方法，多路智力抢答器被分解为多个不同的知识点，并被穿插到平时的理论与实验教学中。在讲解基础知识的时候，导入相关的项目目标，并鼓励学生积极思考、勇于探索，学会用学过的知识解决现实生活中的相关问题，把所学知识转化为实际的产品。从项目的各个知识点的一步步讲解，到项目的一步步实施，不但可体验探究的乐趣，而且也加深了对知识的理解。由于所选项目涵盖了大部分数字电路的知识点，内容前后联系性强，有助于学生掌握和建构完整的知识体系。实现了“在学中做，在做中学”，提高了创新能力与动手实践能力。

(五)多元化的考核形式

最终成绩包括理论成绩(占总成绩的70%左右)和实验成绩(占总成绩的30%左右)两部分。理论考核除了考查基本知识点(占理论成绩的80%)，增加设计性题目(占理论成绩的20%)，每次考试给出两个题目，学生选择其中一道作答，题中包含多个知识点，考查学生综合运用知识能力。实验成绩由调查报告、实验过程、实验结果、演示汇报、创新应用组成，各占实验成绩的20%。实验成绩的评定不但注重实验结果，更侧重于对学生前期的调查(分析问题、沟通能力、查阅文献能力)、实验过程中出现的问题以及对问题的解决(动手能力、解决问题能力、协作能力)、演示汇报(表达能力、文字组织能力)、创新应用(开拓创新能力)等过程的考查。

三、教学效果

基于CDIO的教育理念的项目教学法的实施，激发了学生对数字电路课程的兴趣及钻研精神，增强了学生的动手实践能力、协调能力、创新能力。学生利用课外活动组织兴趣小组参加国家级、省级比赛，取得了较好成绩。2014年，山东省举办的第二届全国高校物联网应用创新大赛中获得1个一等奖，1个二等奖；第十五届“能力风暴杯”中国教育机器人大赛，获一等奖1个；山东省大学生科技创新大赛中，获得1个二等奖，1个三等奖；山东省高校机器人大赛中获得2个一等奖。从学生的毕业论文(设计)来看，优秀论文占比明显提高，很多学生实现了由“理论武装”的“内功高手”到“理论+实践”的“内外兼修大家”的转变，其在毕业之后能较快适应岗位要求，大大提高了就业竞争力，于学生本人、企业、社会均实现了多方共赢。

四、结束语

数字电路课程是工科一门很重要的专业基础课，具有很强的理论性与实践性。本文分析了目前高校在数字电路教学中存在的问题，探讨了CDIO教育理念的数字电路教学新模式。实现了4个转变：授课方式由“自下而上型”转变为“自上而下型”，教师由“主导者”向“引导者”转变，学生由“被动学习者”向“主动学习者”转变，考核方式由“单一化”向“多元化”转变。

实践证明，这种以项目为主线、由宏观到微观、由全局到局部、层层分解的CDIO教学模式符合学生的认知规律，较好地培养了学生作为工程师的五大能力：扎实的基础知识、动手实践能力、沟通能力、创新能力、团队合作能力，取得了良好的教学效果，对同类课程有一定的借鉴意义。

[1]王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式：基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究，2009(4)：116-119.

[2]GU P，LU X，XIONG G，et al.The development of design directed engineering curriculum based on the CDIO framework[J].World Trans.Engineer.Technol.Educ.，2006，5(2)：267-270.

[3]胡文龙.工程教育如何确定人才培养标准：《CDIO大纲》开发与修订过程的启示[J].高等理科教育，2013，112(6)：6-12.

[4]查建中.论“做中学”战略下的CDIO模式[J].高等工程教育研究，2008(3)：1-6.

[5]顾佩华，沈民奋，李升平，等.从CDIO到EIP-CDIO：汕头大学工程教育与人才培养模式探索[J].高等工程教育研究，2008(1)：12-20.

[6]林健.“卓越工程师教育培养计划”通用标准诠释[J].高等工程教育研究，2014(1)：12-23.

[7]蔡丽萍，李汪彪，金彪，等.软件工程专业的数字电路CDIO实验教学设计[J].计算机教育，2013(6)：17-20.

[8]潘晓苹，但果，陈昕，等.基于CDIO理念的数字电路实验教学改革[J].实验室研究与探索，2013(8)：400-402.

[9]曹维，徐东风，孙凌洁.基于CDIO理念的数字逻辑实践教学探索[J].计算机教育，2012(12)：75-77.

[10]蒋立平，王建新，谭雪琴.浅谈电子学课群改革与建设：南京理工大学电子学课群改革与建设的感想[J].高等理科教育，2005，60(2)：126-130.

[11]朱向庆，胡均万，曾辉，等.CDIO工程教育模式的微型项目驱动教学法研究[J].实验技术与管理，2012(11)：159-162.

[12]吴新开，王海华.项目驱动的创新实验体系构建[J].实验室研究与探索，2013(12)：137-140.

[13]王天宝，程卫东.基于CDIO的创新型工程人才培养模式研究与实践：成都信息工程学院的工程教育改革实践[J].高等工程教育研究，2010(1)：25-31.

[14]林珊，金福江.数字电路综合实验设计与研究[J].高等理科教育，2002，46(6)：49-52.

[15]王彩凤，胡波，李卫兵，等.EDA技术在数字电子技术实验中的应用[J].实验科学与技术，2011(1)：4-6.

[16]田丽鸿，王桂珍.“数字电路”柔性课程设计体系的开发与实践[J].高等理科教育，2007，75(5)：46-48.

[17]曹海平，管图华.基于CDIO理念的电工电子实训教学改革与实践[J].实验室研究与探索，2013(1)：140-142.

[18]范文兵，李浩亮，李敏.数字电路与逻辑设计[M].北京：清华大学出版社，2014.

(责任编辑李世萍)

Instructional Design of Digital Circuit Based on the Concept of CDIO Education

SONGCai-xia1，ZHANGJin-zheng1，DINGNan2，LIXia1

(1.School of Science and Information，Qingdao Agricultural University，Qingdao，266109，China；2.School of Computer Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China)

Based the concept of CDIO education，this paper analyzes the problems in the current teaching of digital circuit，and proposes a new teaching reform scheme.Taking the "multi-way intellectual contest responder" as an example，it discusses the teaching method of top-down and decomposition upon the project-driven exploration .The project is divided into five phases：finding projects，clarifying requirements，projects decomposition，implementing projects，evaluation and improvement，and the implementation of every phase is also proposed.The practice shows that the teaching reform has achieved a good teaching effect.Keywords：CDIO；top-down；project-driven；learning by doing；teaching reform

2015-06-01

山东省应用型人才培养特色名校建设工程校级精品课程“数字电路与数字逻辑”(项目编号：XJP2013032)；山东省应用型人才培养特色名校建设工程省级精品课程“计算机组成与结构”(项目编号：XDSJP2013023)；山东省应用型人才培养特色名校建设工程教学研究项目“基于大学生创新项目驱动的计算机专业应用型人才培养模式的研究与探索”(项目编号：XJG2013013).

宋彩霞(1977-)女，山东即墨人，讲师，博士研究生，主要从事数字电路与计算机组成与结构教学与研究.

G642.421

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