以CDIO工程教育模式為導向的工科電類課程群建設研究

侯衛周　劉名果

摘 ?要 通過對河南大學物理與電子學院工科電類課程群現狀進行分析，發現工科電類課程教學中基于CDIO工程項目的教學模式較為缺失，教師工程項目意識淡薄，教學大綱結合實際工程項目綜合設計的涉及面偏少，學生考核方式較單一。為培養更高層次的工科人才，提出以CDIO工程教學模式為導向的電類課程群建設的一些優化策略，不僅能鍛煉學生的CDIO工程項目設計思維，而且能挖掘并提升學生的創新能力和實踐潛能。

關鍵詞 CDIO;工程教育模式;電類課程群;工程素質;實驗項目庫

中圖分類號：G642.3 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）19-0045-03

1 前言

CDIO即構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Imple-

ment）、運作（Operate）四個英語單詞的首字母縮寫，其教育理念和模式是國際工程教育與人才培養的一種創新模式。自2008年4月教育部高等教育司發文成立“CDIO工程教育模式研究與實踐課題組”至今，國內已有100余所高校全面地接受了CDIO教育理念的培訓，要求當前工程教育不僅使學生具備寬泛的專業知識，還應具有實踐、設計、團隊協作、批判性思考等能力等工程素質[1]，而河南大學多數工科專業的CDIO工程教育模式與上述存在較大差距。

為彌補這一缺陷，提升河南大學物理與電子學院工科專業學生創新性和實踐能力，實現河南大學“雙一流”建設目標，本文提出以CDIO工程教學模式為導向的電類課程群建設策略，對當前工科電類課程群的建設和探索具有指導意義。

2 以CDIO教育模式為導向的工科電類課程群建設的意義

CDIO這一創新模式不僅讓河南大學物理與電子學院學生在學習過程中接觸工程實踐，培養學生自主創新能力，而且能填補學院CDIO工程教學模式這一空白，也為實現省級“一流”專業建設、專業認證、“金課”建設提供了一定的教學改革基礎。河南大學物理與電子學院現有測控、通信、電子等三個工科專業，學生培養過程與實際工程項目息息相關。以CDIO工程項目教育理念為導向，通過構建電類課程群一體化教學大綱和項目實例，將基于實例的教學方法和多層次的實驗穿插于教學，讓學生的電類知識結合實際的工程項目，使所學專業知識更好地運用于實際工程項目中。

電路、模電和數電等課程作為工科部分電類課程群，若從大一下學期專業基礎課程就引入CDIO工程教育模式和理念，則在后期的專業課學習中能直接助推學生接受良好的工程訓練，進一步彌補傳統課程教學中學生工程能力的不足[2-3]，從而增強工科專業學生的工程項目實踐意識和未來就業的競爭力，擴大河南大學物理與電子學院工科類專業的社會影響力。

河南大學在2017年5月修訂本科培養方案時，電子信息專業新增一門電子綜合設計創新性課程。以CDIO工程項目理念為導向，對電子綜合設計課程制定教學大綱，分別在教學內容、教學方法及考核評價等方面做了嘗試，學生在專業知識、個人能力、團隊協作等方面會受到一定的訓練，教師在指導學生進行電子電路設計和競賽中受益匪淺。因此，將CDIO工程項目的教學創新模式置于一個基于經驗學習的持續過程中，能較好地解決學生工程教育理論知識與實踐能力的均衡問題，有效提高二者的融合度。該模式符合學院工科創新型人才培養要求，且更有助于創新型人才的培養。

為利于河南大學物理與電子學院工科專業電類基礎課程整合，提升學生的工程創新意識和實踐能力，增強教師的工程分析能力[4]，填補電類課程群建設與改革這一空白，下面以CDIO工程教育模式為導向，結合學院工科類專業的電路分析、模擬電子技術（后簡稱模電）、數字電子技術（后簡稱數電）等課程群建設，進行教學改革和探索。

3 河南大學物理與電子學院以CDIO工程教育為導向的電類課程群建設現狀分析

2017年9月，河南大學被評為“雙一流”高校;2019年6月，河南大學物理與電子學院的電子信息科學與技術專業被評為省級一流專業。雖然河南大學在近年的課程建設中取得一些可喜成就，但在以CDIO工程教育為導向的電類課程群建設中與其他知名高校差距仍然較大，仍存在一些亟待解決的問題。

CDIO工程項目的教育模式缺失 ?由于河南大學物理與電子學院三個工科類專業建立時間不足20年，師資力量較為薄弱，校企合作項目極少，涉及的工程項目很少，因此對于實際電子信息工程行業的項目認知也很少。平時教學中多采用分組討論、網絡化教學、多媒體等，但基于學院工科專業的性質，CDIO工程教學模式缺失，尤其電子信息工程項目的構思、設計、實施和運作在教學中基本見不到。

教師工程項目教學模式的觀念 ?部分教師仍然采用理論講授法，由于職業性質和客觀因素等導致教師的CDIO工程教育理念較為滯后，除了講授課本課程理論外，最多補充個別實驗內容，授課內容與實際電子工程項目嚴重脫節，導致學生所學知識轉化為項目設計的環節較薄弱，無法建立工程項目的全套思維，更談不上工程項目意識的建立。

電路分析課程 ?多數工科教師對電類課程的教學，除強化學生電路分析計算能力外，在自主創新以及工程實踐應用能力等方面培養力度較小，如與實際電子電路工程聯系緊密的高壓線阻抗測量、直流電流源設計、利用電路原理設計數字萬用表等實踐操作基本沒有，使學生無法建立分析再設計的思維。即使與實際結合較緊密的部分電路內容在應用中也沒概念，導致學生無法形成CDIO工程項目思維。

模擬電子技術課程 ?隨著新型半導體器件、新技術發展和實驗設備的更新換代，部分模電教學內容已無法滿足學生的需求。河南大學物理與電子學院模電教學主要存在下面一些問題：

1）過于注重課程的理論分析，而忽略課程的工程性和實踐性;

2）部分教學內容陳舊，滯后于新技術和器件的發展;

3）課程學時少，基本概念抽象，電路形式多樣且較為抽象等，學生普遍反映入門難，知識得不到應用，與實際結合疏遠，學習效果差、積極性不高等。

能將所學模擬電子技術的理論與實際結合，可將實例運用于教學中。如對智能機器人、飛行器、智能小車等電子產品設計過程中涉及的模擬電子技術進行剖析，必能加深學生對模電知識的理解和融會。

數字電子技術課程 ?雖然河南大學物理與電子學院工科類學生基本掌握了數電課程的理論知識，但學生和教師仍缺乏CDIO工程項目理念。尤其結合數字邏輯電路實際運用，如多變量卡諾圖立體思維的建立、邏輯門電路的即時轉換、雙重加密驗證的邏輯門設計驗證以及邏輯電路的綜合設計等，這些結合實際邏輯電路的工程項目訓練和培養意識特別缺乏。因此，培養學生的CDIO工程意識和創新意識是教學改革中的當務之急。

社會進步和科技發展使得當代大學生的認知觀和世界觀多樣化發展，若仍采用傳統灌輸式、照本宣科式的教學手段和模式，不注重培養學生的CDIO工程項目理念，很難培養出符合時代需求的高層次人才。另外，河南大學物理與電子學院電類課程在實驗和實訓教學方面，一直不變的6～8個電類項目，驗證性實驗比重高達90%以上，拓展性、綜合性和創新性實驗不到10%，這也造成難以激發學生的創新意識。而國內部分知名高校的教學實踐證明，工科電類課程的CDIO教學模式比傳統教學模式適應面更寬，更有助于提高教學質量[5]，因此，基于CDIO工程項目的新評測標準，必能為河南大學物理與電子學院工科電子信息工程教育的系統化發展奠定堅實基礎。

4 以CDIO教育理念為導向的電類課程群建設對策分析

基于河南大學2017年修訂的電子信息類學科培養方案，工科電類課程更需注重實踐環節，加強培養學生主動性和創新性。而CDIO工程項目教育理念不失為一種提升學生實踐能力的培養模式，以理論知識與工程能力并重為原則，以此來強化培養學生工程實踐和創新能力。為助推學校“雙一流”建設和省級“一流”專業（注：電子信息科學與技術）建設，加快工科專業認證步伐，以下將對工科專業電類課程群的教學大綱進行重構和細化，探索以學生為主體，知識、能力和素質協調發展的CDIO教學模式，以此推進課程群的建設和發展。

教師教學理念的轉變 ?首先以CDIO工程項目教育理念為導向，鼓勵教師采用項目驅動教學法，使教師在傳授理論知識中兼做工程項目的設計者和先驅，尤其在電子信息綜合設計中重視選題并強調電類課程群中各課程的內在聯系。其次，加強學生的學科專業知識、工程創新能力與實踐能力等綜合素質培養。最后，教師用CDIO教育理念對課程內容進行知識體系結構設計，創新改進教學方法，促進教學過程的開發與管理，完善教學效果評價體系，積極探索基于CDIO工程項目教育理念的創新模式，借此推動課程群的建設和發展。

電類課程群一體化教學大綱的構建 ?為促進工科電類課程群整合，需從課程知識結構一體化和知識與能力一體化兩方面著手。由于篇幅有限，下面著重從電類課程群一體化的角度出發，結合CDIO工程項目對具體電類課程大綱進行整合和優化。

1）電路分析。應適當弱化和信號與系統課程重復的線性電路頻域分析、沖激響應等內容，補充二端口網絡化電路，加大信號處理電路的比例，兼顧電路能量處理與信號處理兩方面;適當引入一些模電與數電的信號的概念，拓展電路分析范圍;從電路分析的角度引入集成運放，適當建立門電路的概念;強化非線性電路分析的要求;部分章節結束后應引入工程項目典型電路的分析及設計仿真，借此強化CDIO的設計、實施和運作的理念。

2）模電課程。總體上應相對削弱對電子技術基礎理論的要求，加強模電CDIO工程項目的構思、設計等能力要求，特別是集成電路應用能力的要求;弱化以運算放大器構成的測量放大器、隔離放大器、溫度測量電路;應重點突出信息處理運算電路和濾波電路等;引入采樣保持電路和簡化的模—數轉換電路，以CDIO工程項目教學模式為導向，強化模電的工程性應用;增強學生的頻率響應分析要求以及部分模電的故障排查及分析與設計能力。

3）數電課程。可適當減少先修課程已學過的基本概念及簡單元器件內容，強調基于CDIO理念的數字邏輯電路工程項目設計的能力要求;在邏輯電路實驗中，適當將一些原來以實驗為主的項目向以設計為主的項目進行轉變;拓展與實際邏輯電路設計緊密的序列信號檢測、迭代電路等知識;增加項目分組討論、計算機仿真分析、團隊合作等多樣化教學方式，進而建立學生CDIO工程項目的設計思維和理念。

實踐證明，基于CDIO工程項目的工科電類課程的大綱修訂，有助于實現工科電類課程的知識結構一體化，在教學中能使學生將所學運用到實際工程項目的分析和設計中，進一步實現學生的知識與能力一體化。

工科類電學基礎課程實驗項目庫的建立 ?通過篩選與當前電子工程項目設計相近的課程知識點相匹配的實驗項目，建立多層次的實驗項目庫，將其分布在電類課程教學的各個階段[6]。以CDIO教學模式為導向的實踐項目包括課內外實驗項目、課程綜合項目和課程群綜合項目等。

1）電類實驗要減少驗證性實驗的比重，適當增加設計性和創新性實驗項目的比例。為彌補電路實驗課程的缺失，可適當增加與CDIO工程項目設計相關的或與大學生電子類競賽相關的課外實踐項目或綜合類的實驗項目。

2）電類課程的綜合項目是在多門相關課程理論內容授課結束后才進行的一項以設計和分析為主的教學活動，專業性比課程設計強。將典型的電子工程項目設計融入該項目中，從而靈活運用和掌握多個知識點，著力培養工科學生的電子信息綜合設計和創新技能。

3）電類課程群的綜合項目是一個小型的“設計—實現”項目，通過綜合項目將多門電類課程知識融會和貫通起來，鍛煉和提升學生的CDIO綜合思維能力，這正是CDIO工程項目教育理念的一種具體體現。

因此，通過多類型實驗項目式教學實踐活動，為工科學生提供強有力的參與機會和平臺，通過實驗項目庫使學生置身于電子信息工程項目中，鍛煉學生的CDIO理性思維，從而逐步獲取電子信息工程項目的設計能力，不斷啟發學生的工程項目創新靈感。

CDIO工程項目實例課堂教學模式的構建 ?采用工程項目實例教學法，能將工科電類課程階段性內容的問題提出并轉化成CDIO工程項目的設計和實施理念。在部分相關章節內容結束后，運用章節所學一些電子電路原理或分析方法對實例項目進行適當描述和抽象，利用定性分析和定量計算來解決遇到的電類問題。

CDIO工程項目教學模式的課程考核 ?課程考核包含理論內容與過程性實踐能力兩部分[7]。理論考核除了期中測試、期末考試等外，適當增加工科學生的過程性實踐能力的考核，通過學生參與的電子綜合設計或競賽或實習實訓等手段，鼓勵學生重在參與。過程性實踐考核是學生極早進入學習狀態的一種手段，有利于工科學生及時發現并糾正所碰到的實踐性問題，有利于學生CDIO工程項目理念的持續培養。

校企合作的強化 ?以CDIO教育理念為導向，進一步強化校企合作，使工科電類課程群改革產生效果;通過不同手段和措施引導社會資金參與設立大學生創新創業項目，鼓勵社會組織、企事業單位和個人設立大學生創新創業基金，以多種形式為創新和自主創業的大學生提供支持，從而加速以CDIO為導向的電子信息類項目轉化落地。

5 結語

通過對河南大學物理與電子學院工科電類課程進行分析研究，發現電類課程大綱仍存在一些缺陷，尤其是與當前電子信息工程項目發展相關的知識點綜合運用有著不小的漏洞;教師的CDIO工程教育理念較為滯后，90%以上的教師的工程教學理念較為淡薄，造成在相當長一段時間內電類課程群建設較為滯后，學生所學理論和實踐工程項目無法有機融合;加之學院工科專業師資薄弱，校企合作項目很少，導致學生的CDIO工程思維比較落后。基于此，提出以CDIO工程項目教學模式為導向的課程群建設的一些優化策略，從而將CDIO工程項目設計、實施的教學理念等引入實際教學中，以此推動工科電類課程群建設，更好地培養學生分析、設計和創新的能力，增強學生的社會競爭力，推動實現河南大學“雙一流”建設目標。

參考文獻

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[7]潘曉蘋，但果，陳昕，等.基于CDIO理念的數字電路實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2013（8）：400-402，429.

項目來源：河南大學2019年本科教學改革研究與實踐項目（項目編號：HDXJJG2019-133）;2015年度河南省高等學校“電子信息科學與技術”省級教學團隊項目。

作者：侯衛周，河南大學物理與電子學院，副教授，研究方向為電子電路設計與研究;劉名果，河南大學物理與電子學院（475001）。