基于產出導向的電子技術課程設計教學改革

王 波， 王美玲， 劉 偉， 金 英， 肖 烜

(北京理工大學 自動化學院， 北京 100081)

0 引 言

《華盛頓協議》是工程教育本科專業認證的國際互認協議，1989年由美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、新西蘭的工程專業團體發起成立，旨在通過工程教育本科專業認證保證工程教育質量，為工程師資格國際互認奠定基礎，2016年6月我國成為《華盛頓協議》正式成員國[1]。加入《華盛頓協議》有利于促進我國工程教育按照國際標準培養人才，提高工程教育的質量，對我國工程技術領域人才走向世界具有重要意義。工程教育專業認證的核心理念是以學生為中心、產出導向和持續改進[2]。

電子技術課程設計是自動化類、電氣類、信息類等相關專業大學生繼學習完電子技術基礎理論課、實驗課之后的重要的理論和實踐綜合設計環節[3-5]。隨著教育教學改革的不斷深化，在傳統教學過程中暴露出一些突出問題，主要表現在：① 教師在教學過程中居于主導地位，忽視了學生的主體性和能動性。② 教學內容的形式與工程實際相脫離，學生缺乏工程設計思想、方法的培養，不能綜合運用所學知識解決工程實際問題。③ 教學內容更新緩慢，不能體現現代電子系統設計方法。④ 與工程實踐和素質教育密切相關的自學能力、經濟因素、團隊合作等因素的培養在教學目標中沒有體現。

1 產出導向教育理念

20世紀80年代到90年代早期,一種基于學習產出的教育模式(Outcomes-Based Education，OBE)最早出現于美國和澳大利亞的基礎教育改革。OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式，實施OBE教育模式主要有4個步驟：定義學習產出(Defining)、實現學習產出(Realizing)、評估學習產出(Assessing)和使用學習產出(Using)[6-8]。該教育模式采用“自頂向下”的“反向設計”方式，通過預先設定培養目標，再設計支撐該目標的課程體系和培養方式，即根據培養目標整合優化課程體系和教學過程。

2 課程目標

根據自動化專業畢業要求，細分畢業要求指標點，圍繞指標點進行電子技術課程設計教學目標設計。該課程教學目標有:① 了解、掌握電子系統設計的基本方法；② 能夠根據技術指標要求，進行任務分析，利用圖書館、網絡等資源，結合經濟性、可靠性、可實現性、可維護性等因素選擇合適解決方案；③ 利用EDA仿真軟件進行系統設計、驗證與完善；④ 學會以小組為單位分析問題、解決問題，合理分解工作任務，相互配合；⑤ 能夠通過硬件電路安裝調試，完成設計目標，達到技術指標要求，完成設計報告；⑥ 在電路調試、故障排除中熟練使用常用儀器設備；⑦ 提高分析與設計電子系統的能力，為以后應用打下基礎。

電子技術課程設計的課程目標與自動化專業畢業要求指標點的對應關系如表1所示。

表1 課程目標與自動化專業畢業要求指標點的對應關系

3 基于產出導向教育理念的教學設計

3.1 指導思想

電子技術課程設計具有工程性、實踐性、綜合性和系統性的特點。基于OBE教育理念的電子技術課程設計，除了實踐動手能力培養外，更注重把與工程實際密切相關的創新意識、自學能力、經濟因素、團隊合作、總結與表達等因素的綜合能力與素質教育貫穿于整個教學活動中。在教學過程中采用CDIO工程教育模式的項目教學法[9-12]，以項目的構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)及運作(Operate)全過程為載體來培養學生的工程實踐能力。

3.2 項目教學法的實踐

結合工程實際產品設計的一般流程[13]，將電子技術課程設計中課題的設計過程分為課題分析和方案論證，方案設計，方案實現和總結及成果展示4個階段來進行教學。這4個階段分別對應CDIO教育理念中項目的構思、設計、實施和運行4個過程。

(1) 課題分析和方案論證。電子技術課程設計所選的課題來源于工程實際，并且具有綜合性、先進性和實用性。學生以團隊合作的形式(人數限定為2人)選擇不同的題目。每個團隊成員根據課題的設計要求，做好充分的調查研究，弄清楚系統所要求的功能和性能指標，對各種不同的解決方案進行討論交流及可行性分析，并進行成本預算，選擇最優設計方案。例如，秒脈沖發生器的設計學生提出2種方案，如圖1所示。方案1電路結構簡單，但工作穩定性及精度差。方案2電路工作穩定性及精度好，如果集成電路選擇合適，電路結構也很簡單。經過比較采用第2種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

圖1 秒脈沖發生器的2種方案

在項目的構思階段，主要培養學生的團隊合作能力、工程系統能力及自主創新能力。

(2) 電路設計。確定了課題方案后，就要進行具體電路設計，要讓學生利用軟件仿真的方法來設計電路。對所設計的電路進行仿真，可以驗證設計電路的正確性，減少故障出現的可能性，大大縮短設計周期。例如，浮點頻率計課題中，學生利用Multisim軟件設計的三節拍產生電路如圖2所示，測量控制信號QT和節拍信號JP1、JP2和JP3的仿真波形如圖3所示。

圖2 節拍控制電路

由QT的下降沿啟動三節拍發生器，產生的第1個節拍信號JP1封鎖測量控制信號QT，使之不能送出后面的測量信號；第2個節拍信號JP2應在將近3s時產生，用來清除本次測量的結果，使測量結果顯示時間約為3s；最后產生第3個節拍信號JP3，解除對測量控制信號QT的封鎖，再次啟動測量過程。

圖3 節拍信號仿真波形圖

在項目的設計階段主要培養學生的單元電路設計能力、仿真分析能力及系統整體設計能力。

(3) 方案實現。目前電子系統的實現主要有以下幾種方法[14]：① 采用通用的集成邏輯器件實現;② 采用可編程邏輯器件實現;③ 設計功能完整的電子系統芯片。

第1種是傳統的方法，實際應用比較廣泛。第2種方法設計的系統體積小、功耗低、可靠性高。第3種方法成本較高，不適合小批量生產。經過比較，采用第1種和第2種實現方法。選用第1種實現方法時引導學生選用市場上價格便宜、貨源充足的集成電路。選用第2種實現方法時，引導學生采用Cypress半導體公司推出的PSOC(Programmable System on Chip)器件。PSOC器件是在一個芯片上集成了微控制器以及嵌入式系統中通常圍繞控制器的模擬及數字組件[15-16]。

在項目的實施階段主要培養學生的常用儀器儀表的使用能力、電路故障的檢查與排除能力，系統的調試能力，同時讓學生對工程中的經濟、安全等因素有所了解。

(4) 總結及成果展示。在調試成功后，進行系統演示及課題驗收。由團隊推選主講人，其他成員參與演示設計成果，介紹課題的設計思路、關鍵技術、工作原理、存在的問題等方面的內容。例如，學生設計完成的浮點頻率計實物如圖4所示，測量結果的顯示為3位十進制數，前2位為有效數字，第3位為10的冪次。當輸入信號頻率為500 Hz時，輸出顯示為50×101。在課題驗收后，要提交課題的研究報告，報告內容主要包括：設計目標、設計方案、設計電路及工作原理、軟件仿真結果、硬件調試結果、原理圖與印制電路板圖的設計、應用領域等。

在項目的運作階段主要培養學生知識的綜合運用能力、語言表達能力和寫作能力。

3.3 考核評價機制

課程考核上，堅持以學習產出為導向，在教學實施的各個階段對學生達成課程目標的程度進行評價。考核內容與教學目標的對應關系如表2所示。

圖4 浮點頻率計實物圖

表2 考核內容與課程目標的對應關系

4 結 語

以工程教育專業認證的畢業要求為導向，根據OBE教學理念，對電子技術課程設計進行了一系列的教學改革。教學改革中將能力培養與素質教育融于整個教學過程中，由以教師為中心轉變為以學生為中心，以教材為中心轉變為以項目為中心，以課堂為中心轉變為以工程實踐為中心，從知識、能力和素質三方面使學生得到了綜合的工程訓練和素質培養，為我校自動化專業畢業要求中多方面能力指標的完成提供了強有力的支撐作用。通過近幾年教學改革的實踐，激發了學生自主學習的主動性，提高了學生的實踐動手能力，培養了學生的創新精神、團隊精神、協作和配合能力、總結與表達能力，為學生整體素質的提高奠定了堅實的基礎。