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新工科背景下CDIO理念在《电工电子学实验》中的应用

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  摘要:该文以“新工科”人才培养目标为指引,构建了基于CDIO理念《电工电子学实验》课程三个级别的实验项目。并以三级实践项目“智力竞赛抢答器设计”为例,研究了从项目构思、设计、实现到运作培养学生的思维能力、分析设计能力、实践操作能力及自主创新能力。本文提出的基于CDIO的教学理念,能够有效激发学生的学习兴趣、提高学生动手操作能力及分析问题和解决问题的能力,为“新工科”人才培养奠定坚实的基础。
  关键词:新工科;CDIO;自主创新
  中图分类号:TN710       文献标识码:A
  文章编号:1009-3044(2020)02-0142-03
  Abstract: Based on the goal of "new engineering" personnel training, this paper constructs three experimental projects in "Electrical and Electronics Experiment” Based on CDIO concept. Taking the three-level practical project "intelligence competition grab answering device design" as an example, this paper studies the students 'thinking ability, analytical design ability, practical operation ability and independent innovation ability from project conception, design, realization to operation. The teaching concept Based on CDIO proposed in this paper can effectively stimulate students 'interest in learning, improve students' ability to operate and analyze problems and solve problems, and lay a solid foundation for the training of "new engineering" talents.
  Key words: new engineering; CDIO; Independent innovation
  CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate), 它是“基于项目”的工程教育模式,是以系统的构思—设计—实现—运行过程为背景的工程教育。该教育理念让学生以实践的、积极的方式学习工程,培养学生的工程意识和职业素养,体现了系统性、科学性和先进性的统一。在当前教育部积极推进“新工科”建设的大背景下,我国高等教育改革发展面临新的挑战和机遇,探索工科发展的新模式,已成為教育界共同关注的问题[1-3]。
  本文以新工科理念为指引,将CDIO引入《电工电子学实验》课程体系。从项目需求入手,以系统的构思—设计—实现—运行过程为背景,改进现有的教学模式,培养学生的实践能力和分析问题解决问题的能力。
  1 传统实践教学存在的问题
  (1) 实验内容固化,许多学生“照葫芦画瓢”,只是记录数据,没有思考;
  (2) 验证型的实验项目多,综合设计型实验项目少,缺乏创新性,不利于学生个性的发展;
  (3) 缺少课余自主设计实践任务;导致学生自主查找资料以及自主设计的能力欠缺。
  (4) 缺少与工程实际问题结合的综合设计性实验,学生综合能力较难提高。
  2 《电工电子学实验》教学改革内容
  《电工电子学》是机械工程等非电类专业的一门专业基础课,它包含“电路分析”,“电机与控制”,“模拟电路”,“数字电路”和“可编程控制系统”五个方面的内容。自2014年起《电工电子学实验》课程逐步引入CDIO工程教育理念,对原有松散的实验项目进行重构。如图1所示在基于CDIO的三级实践教学体系中,一级实验项目是基础性实验,目的是使学生在掌握基本操作的同时能够理论联系实际;二级实验项目是综合性实验,通过提出简单的项目要求,使学生体会构思、设计的过程,循序渐进地支撑三级项目;三级实验项目是创新设计性实验,学生根据项目工程需求完成构思、设计、实现和运作的整个过程题[4-5]。这三个层次的实践项目由浅入深,由点到面,结合学生的创新能力进行培养,使得整个实践教学体系形成一个有机的整体题。
  2.1 教学实例
  本文以培养“新工科”人才为目标,改革机械工程专业《电工电子学实验》课程教学体系,现以第三级项目中的“抢答电路设计”为例,阐述CDIO理念在实验课程中的应用。
  2.1.1 给出项目需求
  1) 设计内容:8路智力竞赛抢答器
  2) 设计要求:
  (1) 基本功能:
  ? 抢答器能够同时允许8位选手参赛。
  ? 设置整体控制开关,控制抢答器清零和开始抢答。
  ? 系统具有锁存与显示功能。即主持人控制系统开始,选手按下按钮,存储对应编号,并显示。同时将编号锁存,不再允许其余选手抢答。数码管显示电路将显示优先抢答者的编号,直至系统重新复位。
  (2) 扩展功能:
  ? 定时抢答功能:系统控制开始抢答,倒计时开始,并显示倒计时时间;参赛人员在预设时间里抢答,抢答有效,同时显示对应编号和剩余时间,并保持到系统复位为止。   ? 超时锁定功能:若所设置抢答定时时间到了之后,仍然没有选手抢答,则此次为无效抢答,编码电路将停止工作,选手无法抢答,显示电路时间显示0。
  2.1.2 构思项目框架
  该实践项目以系统需求为导向,以学生为主体,采用团队合作的形式分组讨论,完成系统构思—设计—实现—运行的全过程。如图3所示,智力抢答系统分为主体、扩展两部分电路。主体电路实现抢答基本功能,即系统控制端口允许抢答后,若有选手抢答,则能够显示其编号,同时禁止其余抢答者抢答;扩展电路完成定时抢答的功能。
  2.1.3 系统仿真、制作及调试
  (1) 倒计时电路部分仿真
  在Multisim14中,通过file/new命令创建新的仿真文件题[6-7],根据要求修改电路设计窗口,分别命名为定时电路、抢答电路、整体电路。
  在扩展电路的设计中,系统根据要求设置抢答时间,该时间的设定是对计数器进行预置数。因此,可以采用74LS192十进制计数器设计定时电路;通过NE555设计一个秒脉冲电路,为计数器提供计数脉冲,最后再通過74LS48译码电路,将倒计时时间在数码管中显示出来,如图4所示为倒计时到5时的仿真调试图。
  (2) 抢答电路部分仿真
  抢答电路能够根据选手抢答的先后顺序,锁存最先抢答选手的编号,并显示其编号;当有人抢答时,其他选手的按钮操作无效。因此,根据设计要求,可采用74LS148、74LS279作为抢答电路编码器和锁存器的主体芯片。如图6所示为S4选手按下时,经过编码电路编码后,在显示电路中显示选手编号为3,此时其他选手按下时,抢答无效。
  (3) 系统整体电路仿真
  通过以上分析,抢答电路和定时电路分别调试好后,连接整体电路,并进行整体电路仿真调试。在系统整体电路调试过程中,时序的控制是系统设计调试的关键,即要协调以下内容:
  1) 当系统控制开关拨到“开始”时,系统进入正常工作模式;
  2) 参赛选手抢答后,抢答电路显示对应编号,定时电路不再倒计时并显示余下时间;
  3) 当定时时间到,且无参赛选手抢答,抢答、定时电路不再工作。因此,根据以上分析,完成系统整体电路设计。如图7所示:
  2.2 考核评价体系
  未来社会对“新工科”人才要求具有较强的实践创新能力和国际竞争力;他们不仅专注某一学科领域,更加具有“学科交叉”的特征。因此,新工科培养人才的目标即是使学生能够在能力、知识和素质的多方面协调发展。在面向新工科的教学效果评价上,重点是学生全方位素质均衡发展的判定和考核。在多种能力和素质架构中,培养学生分析问题、问题推理与建模、实验的设计和操作、口头表达和写作、团队合作和管理能力,是新工科复合型创新人才综合发展、评价学生综合素质最为关键的五种能力题[8-9]。
  如表1所示为CDIO三级实验教学项目考核标准,该体系中项目完成情况占60%,主要考察项目的设计构思与实现情况;项目实施过程占30%,主要考察以项目为中心的团队组织协调工作;总结及报告占10%。该考核标准力求从专业知识、动手能力、组织协调能力及创新能力等多方面全方位地对学生进行综合评价。
  3 实施成效
  本项目依托集美大学诚毅学院两大省级实验示范中心——电子信息实验教学示范中心和机电创新设计实验教学示范中心,以“新工科”理念为指引,重构了基于CDIO模式的机械专业《电工电子学实验》三级教学体系,以项目为载体,以系统的构思—设计—实现—运行过程为背景,引导学生主动积极地学习,并养成现代工程技术的职业素养。在机械15级、16级和17级开展实践教学改革,学生中反响强烈,极大地提高了学生的动手能力和综合应用能力,同时也激发了学生参加各类学科竞赛和创新创业训练项目的热情。近几年来,我院学生参加电子设计竞赛、机器人大赛、智能车竞赛,单片机应用设计竞赛等各种级别的学科竞赛,均取得较好的成绩。同时获批多项省级、国家级的大学生创新创业训练项目。
  4 结论
  基于CDIO理念的教学模式关键在于引导学生从构思—设计—实现—运作这一过程中以主动的、积极的、实践的方式学习工程,并提升学生的自主创新能力。本文以“新工科”理念为指引,将CDIO理念应用于机械专业《电工电子学实验》课程体系,由浅入深、由点到面构建了三个级别的实验项目,让学生在“做中学,学中做”,将学生培养成知识、能力、素质协调发展的“新工科”人才。
  参考文献:
  [1] 黄治同.面向“新工科”复合型创新人才培养的教学模式综合改革与实践[J].教育教学论坛,2019,4(16):224-225.
  [2] 郑应友.国外工程教育模式对我国新工科教育教学模式改革的启示[J].教育教学论坛,2018,37(6):122-128.
  [3] 李建霞,闫朝阳,郑兆兆.基于 CDIO 理念的电工电子实验教学体系构建[J].高教研究与实践,2015,34 (3):39-42.
  [4] 韩立强,浏锦.基于CDIO 理念的电气控制及PLC三级项目教学改革研究[J].教育教学论坛,2014(28):30-31.
  [5] 谭跃,邓曙光,李稳国,等.基于 CDIO 理念改革电子信息类专业实践教学环节[J].大学教育,2015(3):104-105.
  [6] 张熠,曹林.基于 CDIO 理念的电子信息类实践项目设计[J].实验室科学,2015,18(3):155-157.
  [7] 郑兆兆,蔡璐璐,李建霞.基于 CDIO 理念的 EDA 综合实验教学改革[J].高校实验室工作研究,2015:24-26.
  [8] 牛小玲,王军.基于CDIO理念的“电子技术”系列课程改革与实践[J].中国电力教育,2014(5):74-75.
  [9] 薛燕,刘磊明,尤佳,等.兴趣驱动的电工电子教学模式改革与实践——以机械类专业为例[J].教育教学论坛,2014(43):106-107.
  【通联编辑:梁书】
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