基于項目實際研發過程的模電課程設計的教學改革與實踐

陳列尊，許岳兵，黃 順，譚元元 賀詩榮

（衡陽師范學院 物理與電子信息科學系，湖南 衡陽 421008）

0 引 言

目前，我國開設工科專業的本科高校已達1000多所，占本科高校總數的90%；高等工程教育的本科在校生達到371萬人、研究生47萬人；全國的工程科技人員總保有量也超過1400多萬，我國已經成為名副其實的工程教育大國。然而，大而不強、多而不精，一直是困擾我國高等工程教育改革與發展的難題。［1］例如，雖然每年高校向社會輸送大約60萬工程技術人員，數量上已經超過美國，但其中只有10%能夠勝任大型跨國公司的要求。其關鍵因素就是現代國際化企業需要的不僅是專業知識和技能，更重要的是工程應用能力、工程協作交流能力、工程技術的自我提升能力。［2］為培養一大批創新能力強，適應經濟社會發展需要，高質量的工程技術人才，我國已將“卓越工程師培養計劃”列入《教育規劃綱要》。2010年6月，教育部啟動了“卓越工程師培養計劃”的試點工作，參加試點的高校有61所，分為應用型、設計型和研發型三種類型的工程人才培養進行試點。

1 當前兩種國外很受歡迎的工程教育模式概述

1.1 構思—設計—實現—運作為主線的CDIO工程教育模式

國外高度重視基于項目的教學活動與教學改革。2000年，美國工程院院士、麻省理工學院航空航天系教授聯合幾所世界著名工科大學，經過4年的探索，創立了構思－設計－實現－運作為主線的CDIO工程教育模式，它是“做中學”和“基于項目的教育和學 習”的 集 中 體現。［3］Alexander Slocum 是MIT主講機械設計學的教授，2005年他出版了《設計基礎》的教材，主要采用基于項目的教學方式編排內容，他主講的設計制造課程中的遠程機器人競賽，經常被美國電視臺轉播，2008年獲得美國機械工程師學會（ASME）“機械設計成就獎”。其基于項目的教學過程有兩個主要特點：（1）以讓學生體驗創新設計概念的產生過程；（2）學生置身于兩級團隊合作的環境中，體驗協作與競爭的對立統一［4－5］。

1.2 全職場環境關聯——David C.Wisler的設計學課堂教學方法

David C.Wisler博士是渦輪機械空氣動力學的國際專家，美國工程院院士，美國通用電氣公司大學戰略聯盟負責人，Wisler的教學過程添加了職業角色和社會環境角色（即審查部門，造價約束），讓學生在另一種團隊狀態（即有總設計師的團隊狀態）下感受職場的氛圍。與Slocum課堂相同，組間競爭是不可或缺的，也是模擬職場環境的最核心內容。競爭的結果劃分出優、劣設計，促使學生反思自己在組里的作用（自己的理念是否被小組接納和實現，是否起到好的或者壞的效果，體會領導能力和團隊協作能力）［4］。

2 基于項目研發過程的設計類課程教學改革與創新的提出與理念

為加強工程實踐教學的環節，許多工科專業都開設了設計類課程，它以實際設計中引出的工程問題為設計項目，讓學生在教師與同學的支持下，在近似現實的社會生活情境中實踐和體驗項目設計、開發和實現的全部過程。在結合各個項目反復地進行“做中學”的過程中，形成獲取知識（自主學習）、共享知識（團隊合作）、應用知識（解決問題）、總結知識（技術創新）和傳播知識（溝通交流）的能力。

為了搞好電子信息類專業設計類課程的實踐教學，借鑒國外特別是美國高等工程教育基于項目學習的實踐能力培養的經驗，我們提出“面向工程、項目驅動、能力培養、全面發展”的工程教育理念，它以面向工程為導向、以項目驅動為手段、以能力培養為關鍵、以全面發展為目標，開展設計類課程的教學改革與研究，充分注重學生“工程”素養的培養，注重學科知識的交叉，強調專業技能與綜合素質并重。

3 基于項目實際研發過程的“模電課程設計”的教學內容、活動與特點

3.1 主要教學內容與活動

模電課程設計是我系電子信息類專業學生的第一個課程設計，其教學重點是通過一個小規模電子系統設計，讓學生掌握電子電路設計的一般方法和設計流程，了解現代電子電路設計過程中常用的輔助工具及其使用方法，逐步培養學生電子技術設計能力、創新意識、工程實踐能力和團隊合作能力。因此，在本課程設計教學中引導學生優先采用以分立元件為主實現系統功能，不提倡學生追求系統規模和設計手段、設計內容的新穎性。

本課程教學包括7個環節，時間安排一般為10單元，也可以根據不同專業不同班級的實際情況適當增加班級集體教學與輔導活動，最多為14單元。具體包括：

（1）布置任務（1單元，班級活動）

教師根據任務需求下達課程設計任務書并介紹相關技術。課程設計任務書主要包括設計應達到的要求、計劃學時、完成任務及時間進度安排等，明確學生在設計過程中應該完成的工作和達到的效果，確定各設計階段的時間表。使學生對設計過程做到心中有數，明確自己的任務和責任。同時，為模擬企業實際工作，學生自由組合，每6－7人為1小組進行分級，并推選1人為小組長（項目經理），并實行組長負責制。小組長應具有一定的組織、協調能力、有責任心，負責根據設計任務，組織本組同學協同完成各項工作。

（2）電路設計與仿真（3單元，小組活動）

學生分組討論，進行分工合作，查閱相關資料，選擇方案，進行市場調研（確定作品應用對象），開展電路設計和器件選型，完成電路預設計方案，預設計方案包括電路方框圖、詳細的電路原理圖、電路工作原理的說明和元器件清單（列出詳細參數、規格、型號等）；在進行電路設計時，應考慮作品的產品化問題。

產品化一直是學生設計制作過程中的薄弱環節。許多學生認為只要把東西做出來能正常工作就算完成任務了，卻不知要成為一個實用的產品還有很遠的路要走，如是否方便使用、電壓調節是否方便、是否需要開關、電源指示、過流過壓報警和輸出電壓、電流顯示、是否選用一個外殼，既美觀牢固又方便拆裝，且價格又低，而且方便維修等等。

接下來，學生在電路仿真與分析軟件Proteus，Multisim或其他仿真分析軟件，對所設計的電路進行仿真，觀察電路功能是否滿足設計要求。分析主要元器件參數對電路指標的影響，初步了解電路靜態和動態的工作情況，在仿真軟件平臺上調試電路使之達到技術指標；

最后準備班級匯報。各小組共同討論、完成預設計方案報告，制作匯報課件（PPT），準備預設計方案論證答辯。

（3）預設計方案班級論證（1個單元，班級活動）

以答辯的形式對學生設計的電路進行論證及修改，包括電路的正確性與可行性、電路是否能夠滿足設計指標、電路的難易程度、電路采用的元器件是否合理等。

（4）實物制作（2個單元，小組活動）

每個學生根據本組設計的電路，自行組織元器件采購、安裝、調試，完成電子電路實物制作，既可以保持預設計不變，也可根據需要和實際元器件情況進行修改或完善設計。

（5）調試與測量（2個單元，小組活動）

學生分組對自己制作的實物進行調試與測量，記錄測量結果（表格、圖片等）。

（6）撰寫設計報告（0.5個單元，班級活動）

學生獨立完成設計報告（設計報告格式見附件3），交指導教師審查，不合格返回修改，逾期未交或不合格者沒有成績；準備參評最佳設計、最佳參與者和最佳小組長的準備匯報課件（PPT）。

（7）班級匯報總結（0.5個單元，班級活動）

各個小組組長和準備參評最佳設計的同學用多媒體匯報自己的作品和小組活動情況，全體同學一起分析、討論實驗結果及分享心得體會，根據匯報與討論結果，每班評出最佳設計作品、最佳參與者和最佳小組長，并發給證書，最佳作品由系里收購。

3.2 主要特點

基于項目實際研發過程的“模電課程設計”的教學組織與過程主要有如下特點：

3.2.1 引入具體的實踐項目，通過項目研發、角色扮演，營造工程情境

為營造企業工作環境，通過引入具體的實踐項目——學生實驗用可調直流穩壓電源的設計與制作，營造一個基于電子產品研發、生產過程的學習情境，通過角色扮演（班――電子科技有限公司；小組——公司內項目研發小組；小組成員——工程技術人員；小組組長——項目經理；教師——客戶兼技術顧問；班長——公司經理；學習委員——總工程師），使學生在項目的“設計生產”過程中，形成經驗和策略，從而引導學生“做中學、學中做”。

3.2.2 以小組活動為主，開展有指導的自主學習和協作學習多種教學活動

在教學實施時以小組活動為主，開展有指導的自主學習和協作學習教學活動，小組活動由組長負責組織，班級活動由班長、學習委員協助指導教師負責組織，指導教師全程參與所有活動。通過引導學生優先采用以分立元件為主實現系統功能，根據課題要求，通過查閱資料、調查研究等，通過集體教學、小組活動、個人自學等多種形式完成方案設計、元器件選擇、電路設計、仿真分析，硬件電路的安裝、調試與指標測試，撰寫設計報告全部內容。

3.2.3 全方位培養鍛煉學生的綜合素質與工程實踐能力

每個小組不但要負責把產品設計制作完成而且還要把成品推銷給客戶，不但培養了學生發現問題，思考問題，自主解決問題的主動性，而且還培養了同學之間的團隊合作精神，增進了友誼，同時還培養了學生的市場營銷能力，這種全方位的鍛煉是以前的教學模式中前所未有的。

4 總 結

經過2年的教學改革試驗結果表明，本課程設計教學改革基本實現了如下目標：

A、充分調動了學生的自主學習的積極性。本次課程設計的教學改革貫徹了工程教育理念，創設了類社會實際設計開發工作的情境。在這種情境中，學生能夠有指導而又獨立且協作地學習、研究、設計、創新和實現項目的目標。

B、在實踐中高效率地學習。在“基于項目的教與學”中，開展了小組匯報研討活動。在匯報中學生提出在預設計過程中的理論問題和在仿真實驗中出現的問題，教師能夠有針對性、深入地分析講解，學生聽得津津樂道，心領神會，受益匪淺。

C、較好地理解與掌握了相關知識與技能。學生在近似實際工作的情境中，能綜合運用理論知識，理解掌握元件的特點應用、典型電路的應用及接口連接，實現設計要求。從而，鍛煉了實際操作的能力，培養了學生的表達、交流與協作組織能力。

D、基本了解了產品的研發過程與方法。通過教師、同學間的互助互學，感受了實際工作中設計及制作的一般工作流程，學習了分析、解決問題的過程和方法。

E、培養與形成了良好職業情感、態度與價值觀。培養了學生對工程實踐的興趣、以及與同伴交流合作的意識，逐步形成良好的工程意識與職業素養。

從試驗過程來看，這種教學形式受到了學生的好評。他們認為當前的大多數教學模式主要強調老師的主導作用，老師下達什么任務，學生就按部就班地完成，不會有自主思考和學習的機會，也沒有團隊合作的意識。而通過本次課程的學習，使學生們更加具有發散性思維，激發了同學們的興趣愛好，大家集思廣益的學習與合作，增進了同學們之間的感情。為同學們以后的課程設計開了個好頭。這是一次新的嘗試，新的體驗，對同學們以后的學習也會有著深遠的影響。

［1］楊晨光.造就一批高層次工程技術人才：教育部“卓越工程師教育培養計劃”實施進展綜述［N］.中國教育報，2011－1－2（1）

［2］查建中，何永汕.工程教育改革的三大戰略［M］.北京：北京理工大學出版社，2009：1

［3］吳鳴，熊光晶.以工程能力培養為導向的工程教育改革研究［J］.理工高教研究，2010（3）：54－59

［4］陸一平，查建中.繽紛課堂：源于國外的工程教育實踐教學方法［J］.高等工程教育研究，2009（6）：137－140

［5］Crawley E F，Malmqvist J，Ostlund S，et al.Rethinking engineering education ：the CDIO approach［M］.New York：Springer，2007：145－146.