基于CDIO教育理念的数字电子技术实验教学改革及探索
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作者:王怀平 邓文娟 冯林 管小明
摘 要 数字电子技术是电子信息类专业一门重要专业技术基础课，具有很强的实践性。该课程的传统教学存在“重理论、轻实践”的现象，其实验教学往往作为理论教学的附属，难以满足当前工程教育的课程教学要求。面向当前我国高等工程教育深化改革的时代背景，引入CDIO教育理念，按照“整体布局、兴趣驱动、项目导向、分层递进”的基本思路，对该课程的实验教学进行改革及探索，在深入分析CDIO标准的基础上，构建满足课程实验教学需要的“一体化、多层次”实验教学体系;整合并优化实验室的资源配置，做好实验室平台建设;另外，对实验室的师资队伍建设与实验教学的考核方法进行有益探索。
关键词 数字电子技术;实验教学;工程教育;CDIO;实验室;教学改革
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）02-0122-04
Experimental Teaching Reform and Exploration of Digital Elec-tronic Technology based on CDIO Education Concept//WANG Huaiping， DENG Wenjuan， FENG Lin， GUAN Xiaoming
Abstract Digital electronic technology is a significant technologic fundamental course for electronic information majors， which has strong practicality. The traditional teaching of this course has the phenomenon of “emphasizing theory and neglecting practice”. The experimental teaching is often regarded as the subsidiary of the theo-retical teaching， which is difficult to meet the current teaching require-ments of engineering education. Facing the background of deepe-ning the reform of Higher Engineering Education in our country， this paper introduces the concept of CDIO education， and according to the basic idea of “overall layout， interest driven， project oriented， hierarchical and progressive”， carries out the reform and exploration of the experimental teaching of this course. On the basis of in-depth analysis of CDIO standards， it constructs the “integrated， multi-level”experimental teaching that meets the needs of the experimental tea-ching of the course. In addition， it also explores the construction of teaching staff and the evaluation standard of experimental teaching.
Key words digital electronic technology; experimental teaching; engineering education; CDIO; lab; teaching reform
1 引言
随着半导体技术和计算机技术的快速发展，“数字化”驱动“信息化”和“智能化”，在社会的科研、生产等各个行业中，数字电子技术得到越来越广泛的应用。数字电子技术课程是当前电子信息类专业的重要专业技术基础课程之一，是学习电子技术的入门课程，具有很强的实践性，因此，实验教学是该课程的重要教学环节。然而，该课程传统教学存在“重理论、轻实践”的现象，实验教学往往作为理论教学的附属，导致出现课程建设相对落后、教学内容更新缓慢、实验教学与实际工程应用严重脱节等问题[1]。
工程人才短缺和工程教育质量问题，是全世界面临的共同问题。对如何有效推進工程教育改革，欧美国家展开了一系列的探索与研究，其中以美国麻省理工学院（MIT）为首的世界几十所大学进行的CDIO工程教育模式改革，取得显著的效果，深受学生欢迎，获得产业界的高度评价。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）、运作（Operate）四个英文单词的缩写，以工程项目（包括产品、生产流程和系统）从研发到运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程[2]。CDIO继承和发展了欧美多年来工程教育大改革的理念，并提出系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验等12条标准，具有很强的可操作性。
面向当前我国正在实施的“卓越工程师培养计划”和“工程教育专业认证标准”时代背景，以电子信息类专业工程实践应用能力培养为导向，以数字电子技术课程实验教学改革为突破口，引入CDIO教育理念，按照“整体布局、兴趣驱动、项目导向、分层递进”的基本思路，对数字电子技术实验教学进行改革和探索，并取得显著成效。 2 数字电子技术传统实验教学存在的主要问题
在传统教学中，数字电子技术实验教学往往作为理论课程的附属，教学内容单一、陈旧，实验手段落后，实验学时偏少，存在的主要问题有[3-5]：
1）实验教学内容与实际工程应用明显脱节，实验所用电子元器件仍以中小规模数字集成芯片（SSI/MSI）为主;
2）由于政策导向原因，地方高等院校存在“重科研、轻教学”的实际倾向，导致实验室教师队伍结构欠合理，有工程实践经历的“双师型”实验教师偏少，严重影响实验室建设和实验教学质量;
3）实验经费欠缺、实验仪器设备老旧等问题，给实验室的正常运行、管理和维护带来许多困难;
4）地方高等院校实验室信息化管理相对落后，影响了实验室的开放程度，不利于学生自主性、个性化学习;
5）考核方式过于简单，难以全面反映学生的学习状态、学习能力和学习效果，影响了学生学习的积极性。
3 CDIO教育理念在数字电子技术实验教学改革中的应用
CDIO强调在真实的工程教育实践环境中培养工程师的基本能力，并试图创造真实的工程教育环境，使学生理解职业工程师所做的工作和所需的能力要求，通过改革课程体系、教学方法、教师实践教学能力，让学生以主动的、实践的、多学科之间有机联系的方式掌握深厚的技术基础知识，理解研究和技术发展对社会的重要性和战略影响，培养所需的知识、能力和态度[6]。CDIO是“做中學”的一种模式，它继承和发展了欧美多年来工程教育改革的理念，并提出系统的能力培养、全面的实施指导、完整的实施过程和严格的结果检验等12条标准（如表1所示），具有很强的操作性。
课程是人才培养计划得以实施的最基本的功能单元，对学生获取知识、培养能力和提升素质起直接作用。引入CDIO教育理念，遵循“兴趣驱动、项目导向、虚实结合、分层递进”的基本思路，对数字电子技术实验教学进行改革，将直接促进数字电子技术的课程建设，着力提升实验教师工程实践能力，有效培养学生的设计—实现经验与创新意识。其具体教学改革措施如下。
引入CDIO教育理念，构建“一体化、多层次”课程实验教学体系 鉴于传统数字电子技术实验教学存在诸多问题，难以满足当前工程教育的课程教学要求，根据我国高校正在实施的“卓越工程师培养计划”和电子信息类工程教育专业评估标准，对数字电子技术课程教学进行系统的、深层次的思考，按照工程教育专业评估标准中课程达成度的要求，重新制定课程的教学大纲，将实验单独设课，合理增加实验教学学时，构建一体化、多层次的数字电子技术实验教学体系（如图1所示）。
其中基础原理型实验，内容主要包括常用实验仪器设备的使用和中小规模数字集成芯片（SSI/MSI）的应用，验证理论课程中数字电路分析和综合方法，强化理论知识的理解和实验基本操作。其目的是着重培养学生的基本实验技能，使学生初步掌握科学实验的基本方法和设计思想，要求所有学生在指导教师的帮助下能够独立完成实验项目的任务要求。
综合应用型实验，内容侧重数字电路基本知识和基本理论的综合应用，实验项目经过精心挑选或悉心设计，要求学生在给定的实验条件下（主要是实验仪器设备、集成芯片等）完成实验的任务要求，目的是培养学生的工程实践能力和对知识的综合应用能力。
创新设计型实验，实验项目的选题力求实用性、趣味性和多样性，要求学生对实验项目进行需求分析，查阅文献资料，拟定实验方案，在电脑上完成实验电路仿真，自行购买电子元器件，最终实现实验项目的任务要求，目的是更加系统地培养学生的工程实践能力和创新意识，激发学生的学习兴趣。
整合并优化资源配置，搞好实验教学的平台建设 实验条件是保障课程实验的教学效果、培养学生实验技能的有力支柱。长期以来，地方高校的实验室在建设和管理上存在资源分散、配置不合理等现象，课程的实验室往往依托相关系部或院系实验教学中心，实验室小而全，对实验室的建设缺乏长远规划，造成实验室的人、财、物得不到有效利用。为了彻底改变这种不利局面，东华理工大学自2007年起成立电工电子实验教学中心，对电工电子类实验教学平台进行系统的、全面的规划，整合并优化了实验资源配置。电工电子实验教学平台主要由电工电子类课程实验室、实验室信息管理系统、产学研协同创新基地三个部分组成（如图2所示）。对数字电子技术实验室进行改建，配置新型数字电路实验箱、万用表、信号发生器和示波器72（台）套，2018年再次增添计算机和FPGA实验箱70（台）套，极大地改善了实验条件。加强实验室的信息化管理，利用校园网实现实验室的限时开放预约，提高实验设备的利用率，增强学生实验的积极性。
采取多种激励措施，不断提升实验教师的业务能力和综合素质 实验教师是根据课程的教学大纲有效地组织并开展实验教学、培养学生科学实验方法的根本保证，毫不夸张地说，实验教师的教学能力与课堂施教水平直接决定着实验课程的教学效果，最终反映在学生学习能力的培养和综合素质的提高方面。长期以来，地方高等院校的实验教师队伍存在人员不足、整体业务能力和管理水平欠缺等情况。近年来，电工电子实验教学中心采取多种激励措施，引导实验教师不断提升业务能力和综合素质，主要采用以下方法：
1）鼓励实验教师通过钻研，努力提升学历，增强专业素质;
2）充分利用教育部实施开展的校企合作“产学研协同创新”项目，加强实验教师的工程实践技能培训，通过企业
提供的工程项目不断提高实验教师的CDIO工程实践能力;
3）积极组织参加各级大学生电子设计竞赛，及时总结参赛经验，培养实验教师分析问题、解决问题的能力。
注重过程，量化结果，完善数字电子技术实验教学的考核方法 实验课程的考核方法是能否有效达成实验教学目标的“指挥棒”。数字电子技术实验教学的传统考核方法，主要是由课堂考勤（20%）+实验操作（50%）+实验报告（30%）组成，这样的考核形式在实际操作上比较方便，但存在考核指标不够细，难以量化学生的学习效果和实际操作能力，造成部分学生在实验时偷懒，难以满足工程教育认证标准的要求等问题。
为更加有效地评价学习效果和CDIO能力，在数字电子技术实验教学实施过程中应注重实验教学各个环节的过程考核，并给出量化的评分标准。CDIO教育理念注重的是能力本位的培养模式，本质上有别于知识本位的培养模式，其重点在于帮助学生获得产业界所需的各种能力和素质。将CDIO教育理念融入数字电子技术实验教学的考核方式，采取不同的方法来衡量学生的专业知识、个人自身能力、团队合作能力、建造产品和系统的能力。这些方法包括笔试、口试、学生表现的考查、评分、学生反映、论文、学生互评和自评等。
4 结语
本文以当前的工程教育专业认证和高等工程教育改革为背景，引入CDIO教育理念，以课程的教学改革为突破口，对数字电子技术实验教学进行改革和探索，分析该课程传统实验教学存在的主要问题，提出实验教学改革的具体措施。实践证明，这些改革措施的实施，极大地提升了实验教师的业务能力和综合素质，有效地培养了学生的CDIO工程实践能力，能满足电子信息类工程教育专业认证对课程达成度的目标要求。
参考文献
[1]宁改娣，金印彬，刘涛，等.“数字电子技术”课程实验教学改革探讨[J].电气电子教学学报，2013，35（4）：102-103.
[2]查建中.工程教育改革战略“CDIO”与产学合作和国际化[J].中国大学教学，2008（5）：16-19.
[3]顾秋洁，谭爱国.数字电子技术实验教学模式改革的研究与实践[J].实验室科学，2016，19（5）：128-130.
[4]杨雪，王玫.CDIO在数字电子技术教学模式改革中的应用[J].南京工程学院学报：社会科学版，2010，10（1）：65-68.
[5]张妤，白雪冰，戴天虹.基于CDIO的“数字电子技术”教学改革探讨[J].中国电力教育，2013（26）：53-55.
[6]李妍.基于CDIO的我国卓越工程师培养研究[D].长沙：中南大学，2012.
[7]申双琴.数字电子技术实验教学改革与实践[J].教育教学论坛，2018（30）：265-267.
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