基于CDIO教育理念的模擬電子技術實驗教學改革研究

梁啟文，許 棠，龍世瑜，莫長江，賈紅芳

(嶺南師范學院信息科學與技術學院，廣東湛江524048)

模擬電子技術是高等學科的一門重要必修課，而實驗教學對于培養工科學生創新能力和實驗技能起到重要的作用。掌握好實驗技能，能加深對理論知識的理解，彌補理論教學環節中存在的不足，對于提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力也具有很好的促進作用。然而，傳統的模擬電子技術實驗教學存在實驗課時不足、實驗內容偏重驗證性和實驗內容單一等一系列問題，使得知識的銜接不理想，缺乏連續性。學生完成全部實驗后，不能將所學到的知識運用到生活中解決實際應用問題，造成學生對實驗的重視程度不高，實驗教學效果不理想[1]。本文結合嶺南師范學院電工電子實驗教學示范中心建設的實際情況，對模擬電子實驗教學體系、教學內容、教學方法、教學手段等方面進行了改革。

1 CDIO教育理念的實驗教學體系建設

1.1 CDIO 教育理念

CDIO(Conceive Design Implement Operate)工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果。該模式以產品的構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)及運作(Operate)全過程為載體，讓學生以主動的、實踐的方式進行工程學習，注重培養學生專業知識、學習能力、團隊交流能力及工程系統能力。迄今為止，已有幾十所世界著名大學加入了CDIO組織，采用CDIO工程教育理念和教學大綱進行教學，取得了良好效果，培養的學生深受社會與企業歡迎。CDIO教育理念能夠讓學生獲得更廣泛的知識，具備足夠的人際交流能力、專業知識應用能力、產品和系統構建能力，使學生畢業后更快地適應行業對人才的需求[2]。因此，針對模擬電子技術實驗課程的特點和教學中存在的不足，筆者深入研究CDIO的精髓，并將CDIO教育理念應用于模擬電子技術實驗教學改革中。

1.2 實驗教學體系的建設

CDIO的教學模式充分反映了人才培養的客觀規律。我們根據CDIO的教育理念，并結合實際情況，對模擬電子技術實驗教學體系進行了優化，建立了“與理論教學相結合，以能力培養為核心”的多元化、多層次的實驗教學體系(圖1)。該體系是CDIO理念的“構思、設計、實施及運作”四個層次進行建設的實驗教學體系，注重“循序漸進、不斷提高、分層培養和注重創新”的過程[3]。這種優化后的教學體系在培養學生間接獲取知識、直接獲取知識、探索研究新知識等方面提供了比較明確的教學引導作用。

圖1 模擬電子技術分層式實驗教學體系

圖2 各項實驗所占的比例

在圖1中，驗證性實驗位于實驗教學體系的底層，是模擬電子技術的基礎實驗，主要驗證課本中某一原理、理論或結論，從而加深學生對知識的理解。因此，在實驗過程中使用儀器進行測試，通過觀察實驗結果、數據記錄、數據分析等手段可得出被驗證內容的實驗過程。驗證性實驗是學生進行項目運作的基礎，占整個實驗教學體系的55%(圖2)。

綜合性實驗位于驗證性實驗的上層，主要是鞏固上一階段的學習成果。實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關的知識，是學生在具有一定知識和技能的基礎上，運用某一門課程或多門課程的知識、技能和方法進行綜合訓練的一種復合型實驗。綜合性實驗是培養學生動手能力、數據處理能力和綜合分析能力的有效方法，在整個實驗教學體系中約占20%。綜合性實驗是項目設計的基礎。

設計性實驗位于綜合性實驗的上層。教師給定實驗目的、要求和實驗條件，由學生自行設計實驗方案并獨立完成操作、記錄實驗數據以及分析實驗結果等過程。設計性實驗主要培養學生查閱資料的能力、創新能力、團隊協作能力、發現問題和解決實際問題的能力[4]。相對于綜合性實驗，設計性實驗更接近于系統工程，有利于提高學生的工程實踐和工程應用能力。設計性實驗在整個實驗教學體系中約占15%，是項目實施的有效手段。

創新性實驗位于分層式實驗教學體系的最頂層，主要通過第二課程競賽的形式，讓學生利用所學到的知識設計一個電子產品，解決實際生活中的一些簡單問題。通過競賽，可以充分調動學生學習的主動性、積極性和創造性，激發學生的創新思維和創新意識，全面提升學生的創新能力。創新性實驗(第二課堂競賽)在整個實驗教學體系中約占10%，是項目運作的過程。

2 實驗內容和實驗項目的更新

改革前的實驗內容絕大部分為驗證性實驗。學生在實驗時多數按照教師的演示進行接線，對實驗內容不熟悉，遇到問題找教師幫忙解決，做完實驗后并不知道實驗原理，實驗效果不理想[5]。為了改變這種現狀，在教學實踐中結合CDIO教育理念，將實驗內容和實驗項目進行更新，遞進式安排實驗內容(即基礎層——應用層——綜合設計層)，實驗難度符合從簡單到復雜的實驗教學規律，形成分層式的項目教學模式，如圖3。此框圖為音響放大器的實驗項目教學體系，其中音響放大器實驗項目要求:設計一音響放大器，具有音調輸出控制、卡拉OK伴唱功能，能對話筒與錄音機的輸出信號進行擴音。已知條件:話筒(低阻20Ω)的輸出電壓為5mv，錄音機的輸出信號電壓為100mv;完成的主要技術指標:使用正負直流12V供電，輸出功率PO≥1W，負載阻抗RL=8Ω，輸入電阻Ri≥20KΩ，截止頻率fL=40Hz，fH=10KHz;音調控制特性為1KHz處增益為0dB，100KHz和10KHz處有±12dB的調節范圍，AVL=AVH≥20dB;整個實驗項目分為信號輸入部分、信號處理部分、功率放大部分和電源部分組成[6]。

圖3 分層式實驗項目教學體系

以音響放大器的設計與制作項目作為牽引，根據音響放大器的結構框圖，在信號的輸入部分、信號處理部分、功率放大部分和直流電源部分安排相應的實驗內容，使實驗內容由基礎層向應用層和綜合設計層拓展，以便更好地培養學生的工程實踐能力和創新能力。分層式模擬電子技術實驗項目如表1所示。

表1 分層式模擬電子技術實驗項目

以項目式實驗教學為主，構建了分層式模擬電子實驗教學體系和實驗項目，將模擬電子技術實驗項目整合為一體。在圖3的信號輸入部分安排了3個基礎實驗，其中常用電子元器件的識別及常用儀器的使用是音響放大器電路設計的基礎，將單管放大電路作為話筒輸出信號放大，而音頻信號發生器可產生1KHz的音頻信號作為后級電路的測試信號源。在信號處理和功率放大部分安排了3個實驗項目，利用運算放大器的應用電路對前級輸出的信號進行混合放大，再經過音調控制電路后送到功率放大電路進行功率放大。其中直流穩壓電源電路為整機提供電源，將音響放大器的電路設計及測試作為一個設計性實驗。整個實驗體系共設置了8個實驗，包含了驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗。實驗與實驗之間前后均有銜接，使實驗體系最終形成一個電路系統進行綜合調試。這樣不僅可加深學生對基礎理論知識的理解，教會學生識別電子元器件、使用相關儀器進行測試，而且可以在實踐中培養學生設計電子系統的能力，讓學生的專業技能和工程實踐能力得到很好的鍛煉[7]。

3 教學方法與教學手段的改革

3.1 實驗教學單獨設課

傳統的實驗教學作為理論教學的一部分，讓學生認為只要將理論課學好就可以通過考核，學生參加實驗的積極性不高，造成實驗教學效果不好。將模擬電子技術實驗作為一門獨立的課程單獨開設，確立了模擬電子技術實驗的地位，有固定的學時和學分，學生實驗考核不及格同樣要參加補考或重修。在改革后的實驗教學中，實驗安排基本上是單人單套設備獨立完成，取消了以往兩人一組共同完成實驗的做法。這使得學生在思想上有一定的壓力，要想取得實驗學分，必須親自動手做實驗。同時通過修訂實驗教學大綱和重新編寫實驗教材，合理安排實驗內容，將實驗大綱、實驗項目和課程安排等資料共享在電工電子實驗教學示范中心的網站上，方便學生的查閱和學習[8]。

3.2 以學生為中心，改進實驗教學方法

在實驗教學過程中，通過深入研究CDIO教育理念，創新和使用多樣化的實驗教學方法，建立以學生為中心的實驗教學模式，采用以教師為主導，知識、能力、素質協調發展的教學方法，逐步形成自主式、合作式、探究式的學習方式。打破傳統以教師講授為主的教學模式，充分調動學生學習的積極性、主動性和創造性，讓學生在“做中學”，培養學生的分析問題和解決問題的能力。

3.3 虛擬仿真與實踐相結合

利用虛擬仿真軟件對實驗進行仿真分析，是培養學生實驗能力和工程意識的重要手段。目前，虛擬仿真技術應用于模擬電子技術實驗教學中，已逐步被學生認可。要求學生在進入實驗室做實驗之前，利用業余時間使用自己熟悉的虛擬仿真軟件，如Multisim、Proteus或Matlab等，對要所做實驗進行仿真分析，初步得出實驗結果。這樣有助于學生更深入地了解實驗原理，熟悉實驗電路，激發他們的實驗興趣，提高實驗的效率和自主學習的意識。

3.4 建立多元化的實驗考核方法

實驗考核是實驗教學的重要環節。傳統的考核方式主要根據學生的平時成績、實驗報告成績和期末考試的成績綜合評定，忽視了學生實驗過程中動手能力的培養，不利于培養學生的學習主動性。為了科學地評價學生的實驗情況，應建立多元化的實驗考核方法，統籌考核實驗過程與實驗結果，充分激發學生實驗的積極性，提高他們實驗和工程實踐能力，使考核方式更加傾向于學生的自主學習、動手操作、數據分析處理、團隊合作以及語言表達能力，以此提高學生的綜合能力。

實驗前要求學生寫預習報告。學生通過虛擬仿真，對實驗有初步的了解，明白實驗的原理。在預習報告中要明確實驗內容，如實驗名稱、實驗目的、實驗原理(含電路原理圖)等，這樣可提高學生的實驗效率，同時也可以看出學生對實驗的重視程度[9]。在這一部分中，考核的分數占整個實驗項目的10%。

實驗操作和實驗報告是實驗考核的重點，各占40%。實驗操作主要是在教師的指導下，學生自主獨立開展實驗，通過實驗得出實驗數據和結論。在整個過程中注重培養學生的實驗動手能力，以及發現問題和解決問題的能力。實驗報告是培養和鍛煉學生以書面形式進行數據處理和分析的能力，教師可從批改實驗報告的過程中看出學生的實驗數據是否真實、實驗結論是否符合要求，從而得到學生對實驗的掌握情況。

答辯是實驗考核中的一個重要的環節，占整個實驗項目的10%。學生在完成實驗操作后得出實驗結果，可舉手示意教師來驗收。教師根據實驗的結果，提出相關問題讓學生回答，最后由教師記錄答辯成績。這種方法使得實驗教學效果得到一定程度的提升，更好地鍛煉了學生的表達溝通能力，使學生的綜合素質得到進一步的提高[10]。

4 教學效果與教學成果

以電工電子實驗教學示范中心建設為契機，結合CDIO教育理念，對模擬電子技術實驗教學進行深入的研究和改革，培養學生的動手能力、團隊協作能力和創新精神，取得了較為顯著的效果。

4.1 實驗體系合理，教學效果顯著

在實驗教學改革過程中，對實驗體系進行優化，補充大部分的實驗教學設備，以保證每位學生獨立完成實驗，增加學生動手的機會。學生參與實驗的興趣濃厚，特別是在信息學院每年舉辦的“IT科技節”學術活動中，大批學生進入實驗室進行設計、安裝和調試;同時邀請相應的指導教師到現場進行指導，使學生受益頗多。

4.2 學生的創新能力得到明顯的提高

2010年以來，學生參加各類電子設計競賽的人數大幅度增加，取得了較好的成績。到2014年底，我院學生參加國家級、省級、市級和校級的電子設計競賽，獲得三等獎以上的共有54項。其中，2013年獲得全國大學生電子設計廣東賽區一等獎2次、二等獎1次、三等獎2次;2014年獲得廣東大學生電子設計競賽一等獎1次、三等獎2次。通過學生競賽，我院學生的創新能力得到顯著的提高。

4.3 實驗教學改革成果豐富

近幾年，學生除了在學科競賽方面取得較好的成績以外，在大學生創新創業的申報工作中也取得較好的成績，有多份作品通過省級和國家級的立項。另外，通過實驗教學改革研究，修改了實驗教學大綱和實驗內容，出版了模擬電子技術實驗的教材，同時將實驗教學改革取得的成果整理成論文的形式公開發表。

5 結語

模擬電子技術實驗教學改革以CDIO教育理念為指導，目前基本上形成了一個循序漸進的分層式實驗教學體系。通過教學實踐發現，該體系能有效地調動學生的實驗積極性，提高學生的實踐創新能力和實踐操作能力，實驗教學效果顯著，發揮了良好的示范和輻射作用。

[1]劉豪.模擬電子技術實驗教學改革的探索[J].高校實驗室工作研究，2013(9):15－17.

[2]朱學軍，張慶玲，李富娟，等.基于CDIO的機械電子工程專業實驗教學探索與實踐[J].教學研究，2014(5):104－106.

[3]袁明新，申炎，王琪.單片機能力培養的實踐教學體系構建及實施[J].實驗科學與技，2014，12(3):72－73.

[4]譚明.高校綜合性、設計性實驗的研究[J].湖南科技學院學報，2010，31(12):140－141.

[5]蔡曉艷，肜瑤，王照平.模擬電子技術實驗教學改革的研究與探索[J].2013，16(3):51－52.

[6]羅杰，謝自美.電子線路設計.實驗.測試[M].4版.北京:電子工業出版社，2009:114－129.

[7]顏國瓊，周毛華.模擬電子技術實驗教學創新探索[J].長江大學學報，2013，10(28):127－129.

[8]王波，張巖，王美玲，等.模擬電子技術實驗課程的改革[J].實驗室研究與探索，2013，32(4):140－141.

[9]劉艷，朱昌平，宋鳳琴，等.模擬電子技術實驗教學中的學生能力培養[J].實驗技術與管理，2010，27(2):110－112.

[10]張艷春.論模擬電子技術實驗教學平臺的創新[J].浙江萬里學院學報，2009，22(4):97－98.