基于CDIO理念的《模拟电子线路》课程教学改革与实践

2022-06-07 13:05:02| 浏览次数：

摘要:本文基于CDIO工程教育模式,研究分析模拟电子线路的课程特点,以模拟电子线路的工程项目为教学内容,探讨模拟电子线路的课程教学体系、教材建设、教学方法改革等;通过做中学等方式,全面提升学生的工程能力和创新精神,使学生掌握模拟电子线路的基础理论,同时具备模拟电子产品的开发能力,满足社会对创新型高级工程技术人才的需求。

关键词:CDIO 模拟电子线路教学改革人才培养

中图分类号:G420文献标识码:A文章编号:1673-9795(2012)03(b)-0033-03

1 课程的教学特点

模拟电子线路是电子信息、通信工程、自动化等专业的一门专业基础课,它是以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件,同时还包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等内容;它是数字电子技术、高频电子线路、PLD技术等课程学习的基础;模拟电子线路可以说是整个电子技术的基础课程,在小信号放大、功率放大、反馈放大器、稳压电源、混频电路、调制解调电路等领域具有无法替代的作用。

模拟电子线路涉及的内容多、理论性强、缺乏较清晰的主线;在教学活动中,普遍存在着实践能力培养不够,实验课时不足,过于依赖实验箱。而此课程是学生步入大学后接触到的第一门专业基础课,此时大部分学生还没有建立起概念,在教学过程中学生普遍反映难,对此课程的兴趣小,也不知道如何有效率的学习。那么如何让学生在有限的课时内掌握模拟电子线路的基本概念、基本理论和方法,同时了解模拟电子线路的发展趋势;以及如何提高教学质量,激发学生的学习兴趣,是教学中要着重解决的问题。

高等教育改革的一个目标就是通过注重培养学生工程项目的能力,通过工程项目的构思、设计、开发和实施等过程,全面提升学生的自学能力、组织能力、协调能力和创新能力。对于该课程,如果采用传统的教学模式,课堂讲解及课程实验,学生被动学到的知识印象并不深刻,这将不利于充分培养学生的能力及发展学生的潜能,达不到预期的教学目的。本课题基于CDIO工程教育模式,研究分析模拟电子线路的课程特点,以模拟电子线路的CDIO工程项目为教学内容,探讨模拟电子线路课程的教学大纲、教材建设、教学方法改革等内容;通过“做中学”等方式,全面提升学生的工程能力和创新精神,使学生掌握模拟电子线路的基础理论,具备模拟电子产品的开发能力,满足社会对创新型工程技术人才的需求。

2 CDIO工程教育

CDIO是2000年由美国麻省理工学院联合瑞典的查尔姆斯技术大学等四所高校研究和建立的一种先进的工程教育理念和实施体系,代表了当今高等工程教育的发展态势。其英文含义是Conceive—构思,Design—设计,Implement—实施,Operate—运行。近几年,CDIO工程教育模式在我国很多院校得到了一定程度的推广,在这样的背景下,本文就CDIO理念在模拟电子线路课程教学改革的进行探讨。

CDIO工程教育模式是以产品研发到运行的生命周期为载体,让学生以主动的、实践地、课程之间有机联系的方式学习工程的理论、技术与经验;其总体目标把学生培养成能够:一、掌握深厚的技术基础知识;二、领导新产品和新系统的开发和运行;三、理解技术的研究与发展对社会的重要性和战略影响。

CDIO在提出培养目的的同时,还系统地提出了其实施的12条标准,分别考察专业培养理念、课程计划的制定、设计—实现经验和实践场所、教与学的新方法、教师提高、考核和评估等,有很强的可操作性,其核心内容CDIO教学大纲如表1所示。

3 课程的CDIO教学改革

3.1 构建CDIO模式的课程教学大纲体系

要实施本人才培养方案,其核心部分为一个CDIO愿景,一个CDIO教学大纲,12条标准,这里给出模拟电子线路CDIO工程教育实施框图,具体内容(如图1所示)。按照此实施框图,是以培养个人能力(包括自学能力和创新能力)、协同工作能力和系统调控能力为主要目标,以科学的课程内容设置作为能力培养的载体,以科学的课程安排进度促进能力培养,建立起符合国际工程师认证的课程体系,同时编制出模拟电子线路的CDIO教学大纲,其重点在于工程能力的培养和训练,满足CDIO的12条标准;在这里需要进一步说明的是单纯就一门课程进行改革是远远不够的,需要对专业人才体系培养方案根据CDIO的标准进行制定和改革,由于篇幅所限,这里对其他方面的内容就不展开阐述。

3.2 教材建设

当今有关模拟电子线路的教材可谓种类繁多,但最大的问题是大部分教材内容章节较多雷同,且没有融合当今电子技术的发展趋势,普遍存在着理论性较强但操作性差的缺点,满足不了CDIO教学改革的需要,这样就为CDIO模式下模拟电子线路教材的建设带来了一定的困难。

一般而言,选择或者编制模拟电子线路教材应该遵循如下几个原则:(1)符合CDIO工程教育的原则,以工程应用为主线,按照模拟电子线路教学特点展开,充分体现理论与实践相结合的原则。(2)学生容易看懂、能快速上手,符合由浅入深、循序渐进的原则。(3)技术难点突出,给出解决方案和思路。(4)以实际应用的实例出发,激发学生的好奇、创新的欲望和潜能等。(5)体现新的技术、新的应用,符合当今电子技术高速发展的时代特征。

3.3 CDIO模式下教学方法改革

3.3.1 理论教学的组织

模拟电子线路的课程理论教学的组织应在CDIO模式框架内,首先需要转变授课教师一些习惯性的授课思想和观念,从而积极开展有效的教学活动。

由于课程体系的限制,模拟电子线路的课程一般都安排在一年级下学期或者二年级上学期,学生才开始接触到专业基础课,还没有建立模拟电子线路的基本概念,因此在教学内容的组织上既不能完全只讲理论,又不能只讲工程项目的实验开发,应讲解一些简单、基础、易于理解的内容及实际应用开发中常用的内容。把过去的以教师为中心,课堂为中心、传授知识为目的传统教育观念,转变成“以学生为中心,学生学得如何和用得怎样”的新观念。为引导学生主动学习,需要研究如何将CDIO精神灵活地贯穿在教学活动当中。

由于模拟电子线路涉及到的内容比较多,这样在理论教学内容组织上要避免贪多,避免将放大电路、信号处理电路、信号发生电路、电源电路、IC集成电路、定时与延时电路、模拟开关与控制电路、继电器与伺服电路、光电隔离电路等都给学生讲授,那样的话到都头来学生只知皮毛;在教学中可选用一些内容作为重点给学生进行讲授,比如:音响功率放大电路、信号发生器、开关电源、IC集成电路等;其内容的选择,要和模拟电子线路的课程教学体系建设的内容相一致,这样可使得学生形成完整的、连贯的知识体系,便于创新能力的培养。

3.3.2 实践教学的实施

实践教学是实现CDIO模式下人才培养的一个重要环节,实践教学的实施要遵循以下几个原则:(1)从简单、实用入手,激发学生兴趣与爱好。(2)掌握工程项目的概念。安排实用性强的实验项目,比如:高保真音响功率放大器、函数信号发生器的组装与调试、温度监测及控制电路、用运算放大器组成万用电表的设计与调试等内容,从而激发他们学习的动力。(3)编写基于CDIO理念的实验教学大纲、实验指导书,增加创新性实验项目,构建科学合理的实践教学体系。

CDIO工程项目的实施过程也传统方的法是不同的,它是以CDIO工程项目为中心展开实施,这里以CDIO工程项目高保真音响功率放大器项目为例,具体内容见图2,给出实践教学的实施过程;同时给出CDIO工程项目实施进程表,内容见表二。

实验过程中,创新性实验项目的设计,要紧密结合科研、产品与社会应用实践,引入现代科学技术和教学改革新成果,积极开发综合性、设计型、研究型等有利于学生创新能力培养的实验项目,减少验证性、演示性实验的比重,要围绕让学生自己以市场的需要为导向,从问题的提出,到问题的分析、解决和实施等几个过程来展开[4]。同时要紧跟时代的热点需求,以智能家电、信息产品等社会热点产品为CDIO的工程项目,使得学生进一步了解了模拟电子线路的基本原理、产品开发过程及应用领域。

3.3.3 Multisim仿真

Multisim仿真是模拟电子线路教学的一个重要环节,把Multisim和课堂教学相融合,使实验室搬进课堂成为可能。通过这种人机交互给学生创建了一个独立思考问题、分析问题和解决问题的教学环境,让学生更多地去主动思考、主动探索、主动发现,有利于充分调动学生学习的积极性、创造性,提高课堂教学效果[3]。

利用Multisim软件,进行模拟电子线路的交互式仿真实验。针对教学、实践过程中的重点内容、典型电路,用Multisim进行仿真,仿真时可改变电路中元器件的参数(如电阻、放大倍数、电压等),实时地观察电路参数的变化过程和仿真结果,同时也可为实际制作提供理论参数。这样既可增加学生学习的兴趣、加深对理论知识的理解,又可加强感性认识,建立起计算机仿真的概念和知识。

3.3.4 课外兴趣小组的成立

课外兴趣小组的培养是模拟电子线路课堂教学的延伸。针对那些有兴趣、有潜力的学生,通过教师有目的的引导,提供项目和技术支持,同时学校给予一定的材料的配合,引导学生组建课外兴趣小组,同时建立CDIO创新实验室作为课外活动的场地,课外兴趣小组的建立必须是有计划有目的的,具体内容可按照(表2)所示的工程项目实施进程表开展。

通过活动,学生的能力得到进一步的培养、锻炼;同时也为参加“挑战杯”等各种设计竞赛活动打下基础。

3.3.5 模拟电子线路综合设计(校企合作)

模拟电子线路综合设计是模拟电子线路课程教学最后的一个重要环节,属于CDIO的二级项目。这也是本课题研究的重点。

CDIO的二级项目实施,最佳方式是引入企业参与人才的培养,聘请企业的工程师作为指导教师,由企业带入工程项目,时间安排一般为1周或者2周,工程项目采用CDIO的模式实施,集中强化训练,学生分组实施,以团队的形式完成相关的工程项目。

至此,已经完成了模拟电子线路课程的教学任务,大部分学生都掌握模拟电子线路的基本概念和内容,初步具备模拟电路的设计开发能力。

3.3.6 创新能力的培养

创新能力主要是由提出问题、分析问题和解决问题构成,并通过创新实践过程和创新实践活动等体现出来。因此,实践教学是创新人才培养的重要环节,对于实践性很强的模拟电子线路课程来说,意义尤为重大。

创新能力的培养最好要与全国大学生电子设计竞赛及全国各类型的设计竞赛活动结合起来开展,并参与教师科研、毕业设计等几个环节来实现。

4 结语

由于篇幅的限制,还有一些观点和问题在本文中没有展开分析和论述,比如:课程体系建设、师职队伍建设等等,本文仅仅从CDIO人才培养模式的目的、模拟电子线路的特点、模拟电子线路的教学大纲建设及实施等几个环节进行探讨。

基于CDIO工程教育的理念,我校模拟电子线路课程的开展是积极有效的,从学生的毕业设计、学生参加竞赛活动、学生就业后从事模拟电路的开发设计工作的情况来看,均取得了很好的教学效果,实现了人才培养的目标,培养出许多的高级工程技术人才。

参考文献