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CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實習(xí)教學(xué)論文
摘要：針對以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實踐環(huán)節(jié)中的不足，通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，對電子實習(xí)教學(xué)模式和考核方法進行改革，注重學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和靈活運用，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，教學(xué)實踐證明效果良好。
關(guān)鍵詞：電子技術(shù)；CDIO；虛擬仿真；教學(xué)改革
1 引言
電子技術(shù)是上海工程技術(shù)大學(xué)非電類專業(yè)學(xué)生的一門公共基礎(chǔ)實踐課程。電子技術(shù)實驗課程不僅可以鞏固學(xué)生課堂所學(xué)的部分基礎(chǔ)知識，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生工程實踐和創(chuàng)新能力。CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）模式，即“構(gòu)思—設(shè)計—實施—運作”模式，其在電子實習(xí)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用[1-6]。上海工程技術(shù)大學(xué)工程實訓(xùn)中心也通過開展CDIO模式的電子實習(xí)實踐，不僅強調(diào)學(xué)生對電子技術(shù)、電工技術(shù)等課程基礎(chǔ)知識的復(fù)習(xí)和掌握，也注重在基本技能訓(xùn)練過程中培養(yǎng)學(xué)生團隊協(xié)作和創(chuàng)新精神[2]。它通過項目的構(gòu)思設(shè)計和實施運作，將學(xué)生的整個課程體系有機地結(jié)合起來，從而達到知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和工程實踐能力的全面提升。
2 電子實習(xí)教學(xué)改革前存在的問題
學(xué)生在課前預(yù)習(xí)率不高，導(dǎo)致自學(xué)能力提升不足實習(xí)學(xué)生在實習(xí)上課前都會分到電子實習(xí)教材，大多數(shù)學(xué)生沒有對教材進行課前預(yù)習(xí)。在電子實習(xí)期間，教師在實訓(xùn)教室對實習(xí)教學(xué)進行講解，學(xué)生基本上被動聽課。在實習(xí)過程中，學(xué)生完全聽從教師的安排，不少學(xué)生缺乏主動性和積極性。如果學(xué)生課前進行課前預(yù)習(xí)，會帶著些疑問進行聽課和動手實驗，這樣課堂收獲會更大，并在此過程中培養(yǎng)自學(xué)能力。教學(xué)內(nèi)容陳舊，教材和實習(xí)內(nèi)容很多年沒有發(fā)生變化，不能很好地適應(yīng)社會需求電子實習(xí)項目內(nèi)容只包括直流穩(wěn)壓電源的焊接和調(diào)試，該實習(xí)內(nèi)容應(yīng)該屬于20世紀90年代的直流穩(wěn)壓電源的做法，屬于市電不控整流AC/DC變換，功率因數(shù)很低，該架構(gòu)在實際應(yīng)用中已經(jīng)很少采用。實習(xí)的內(nèi)容陳舊，不能有效涵蓋電子技術(shù)、電工技術(shù)等教材的知識點。如核心的負反饋電路、運算放大器等其他重要的知識點，沒有涵蓋實驗項目。教學(xué)過程中理論和創(chuàng)新方面互動環(huán)節(jié)偏少目前在實習(xí)過程中，學(xué)生和實習(xí)教師互動環(huán)節(jié)很多，但涉及理論和創(chuàng)新方面的很少。在實習(xí)過程中，不少學(xué)生對電路原理不是很理解，關(guān)心的重點就是要如何把實驗結(jié)果給做出來，對電路工作原理是什么，如何對其進行改進，他們很少關(guān)心，造成實踐教學(xué)效果有欠缺。學(xué)生考核內(nèi)容不科學(xué)，不能很好地反映學(xué)生對知識點的掌握、運用和創(chuàng)新能力目前學(xué)生實習(xí)成績包括考勤、實驗完成情況和實習(xí)報告三大塊，不能客觀體現(xiàn)學(xué)生對知識點的理解能力和創(chuàng)新能力。由于實驗是分組進行，學(xué)生人數(shù)較多，實習(xí)教師工作量大，不可能正確評價每個學(xué)生在實習(xí)中的表現(xiàn)，可能會存在濫竽充數(shù)的問題，出現(xiàn)不努力的學(xué)生通過一份好的實驗報告，就有可能獲得好的成績等不合理現(xiàn)象。
3 教學(xué)改革與實踐教學(xué)模式介紹
根據(jù)之前電子實習(xí)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題，立足學(xué)校實際情況，通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，對以CDIO工程教育理念為指導(dǎo)的電子實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)進行教學(xué)模式的補充與完善，加強學(xué)生主動性，增加知識點運用及創(chuàng)新互動環(huán)節(jié)，培養(yǎng)適應(yīng)新時期社會需要的創(chuàng)新型人才。具體的教學(xué)改革措施與實踐情況如下。
1）建立以服務(wù)學(xué)生、引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新為目標(biāo)的教學(xué)模式，通過在實習(xí)前讓學(xué)生使用MATLAB、Saber、PSIM等計算機虛擬仿真工具進行仿真模擬，提前模擬做技術(shù)工作所需要的工作步驟，加強學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，培養(yǎng)他們進行自主學(xué)習(xí)的能力，適應(yīng)社會需要。首先要求實習(xí)教師樹立服務(wù)引導(dǎo)學(xué)生的教育理念，改變填鴨教學(xué)模式，在實習(xí)前依據(jù)CDIO工程教育理論，注重對學(xué)生電子實習(xí)課前的預(yù)習(xí)任務(wù)進行安排，增加課前仿真預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)作業(yè)。指導(dǎo)教師教授學(xué)生使用合適的仿真軟件，學(xué)生通過使用MATLAB、Saber、PSIM等虛擬仿真工具進行電子原理圖仿真模擬。這樣一來，學(xué)生通過計算機虛擬仿真環(huán)節(jié)，對實驗中需要手動搭建的原理圖已經(jīng)有了很好的認知。教師在實驗過程中可以幫助學(xué)生有針對性地提出問題，幫助他們掌握電子實習(xí)原理圖的工作原理。
2）電子實習(xí)過程中采用學(xué)習(xí)、仿真、實驗、創(chuàng)新實踐教學(xué)模式，幫助學(xué)生有效理解和運用知識，進而產(chǎn)生知識創(chuàng)新的能力。將電子實驗教學(xué)模式進行改革與創(chuàng)新，實施過程分解為學(xué)習(xí)、仿真、實驗和創(chuàng)新四個主要階段。學(xué)習(xí)主要包括課本知識的學(xué)習(xí)與理解以及介紹仿真的作用，在這個階段包括教師課堂講授和學(xué)生課前課后學(xué)習(xí)等。實習(xí)教師需要給學(xué)生講述電子技術(shù)的應(yīng)用范圍及發(fā)展趨勢，并帶領(lǐng)學(xué)生參觀之前學(xué)生進行電子實習(xí)的優(yōu)秀仿真及作品，激發(fā)學(xué)生對電子知識的興趣。仿真主要是在搭建仿真電路及仿真調(diào)試的過程中幫助學(xué)生更好地理解和消化知識點。這個階段要求學(xué)生分組進行仿真練習(xí)，實習(xí)教師主要引導(dǎo)學(xué)生逐步掌握電路模塊的調(diào)試和診斷能力，在學(xué)生仿真過程中引導(dǎo)和啟發(fā)他們在元器件損壞、線路連接不良等條件下，對可能會出現(xiàn)的問題進行仿真分析和分組討論，增加互動環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生對常見電路故障進行分析，在實驗時遇到問題和困難都可以很快解決。該階段有助于培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力。實驗主要是通過實際操作環(huán)節(jié)完成上機實驗，并獲取正確的實驗結(jié)果。在這個階段，實習(xí)教師要引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合仿真和實驗結(jié)果進行比較，對于仿真和實驗結(jié)果可能會出現(xiàn)的偏差進行分析，這樣有助于增強學(xué)生工程實踐的概念。創(chuàng)新主要培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新知識的能力。實習(xí)教師通過提出一系列創(chuàng)新項目，對學(xué)生進行項目引導(dǎo)，學(xué)生自由組隊、分工合作，共同完成創(chuàng)新項目的原理圖設(shè)計、仿真驗證及優(yōu)化、電路焊接和性能調(diào)試，達到或超過項目目標(biāo)。這個階段注重發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，學(xué)生根據(jù)項目的任務(wù)要求，自擬方案、自主設(shè)計、獨立調(diào)試，實習(xí)教師只是啟發(fā)和引導(dǎo)他們，同時在小組碰到難題時提供必要的幫助與支持。
3）利用虛擬仿真拓展實驗不具備的項目內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生對關(guān)鍵知識點進行仿真，強化學(xué)生知識點的掌握和理解能力，并在電子實習(xí)教學(xué)課程完成后增加創(chuàng)新設(shè)計環(huán)節(jié)。在電子技術(shù)、電工技術(shù)等課程中核心知識點很多，對于在電子實習(xí)中沒有涉及的知識點，引導(dǎo)學(xué)生對其進行仿真，并同時提供一些已經(jīng)完成的仿真程序，可以讓學(xué)生更直觀地了解電路工作原理，拓寬、加深對知識點的理解，避免出現(xiàn)以往死記硬背、考完試就忘記的現(xiàn)象。對于沒有納入電子技術(shù)實驗又非常重要的知識點，如運算放大電路比例積分負反饋、一階暫態(tài)電路瞬態(tài)分析等內(nèi)容，也要求學(xué)生進行虛擬在線仿真，加強對知識點的理解。并在此基礎(chǔ)上讓學(xué)生進行難度較大的仿真，增強他們掌握運用知識點的本領(lǐng)，進一步提升創(chuàng)新能力。
4）建立大學(xué)生創(chuàng)新工作室，為學(xué)生繼續(xù)開展項目研究提供硬件保障和技術(shù)支持。在完成電子仿真及實驗后，不少優(yōu)秀學(xué)生的創(chuàng)造力被激發(fā)，他們表達了類似的愿望，希望對電子實習(xí)內(nèi)容進行進一步的項目拓寬及技術(shù)探索。為此，工程實訓(xùn)中心建立大學(xué)生創(chuàng)新工作室，聘請有經(jīng)驗的教師作為學(xué)生導(dǎo)師，為學(xué)生在課外項目方案確定、仿真評估、實驗驗證過程中提供必要的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。同時，工程實訓(xùn)中心全力支持大學(xué)生創(chuàng)新項目的實施。
5）針對優(yōu)秀的學(xué)生，鼓勵他們參與教師科研項目，進一步提升技術(shù)能力。對于在電子實習(xí)中表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生，工程實訓(xùn)中心教師根據(jù)每個學(xué)生的特長，讓他們分工合作，共同承擔(dān)一部分教師的科研任務(wù)，主要包括資料查閱、原理圖繪制、電子元器件封裝制作、仿真模型搭建、電路調(diào)試、數(shù)據(jù)測量等內(nèi)容。這樣可以更好地開闊學(xué)生的視野，較好地培養(yǎng)學(xué)生的團隊意識，拓寬學(xué)生的知識面，激發(fā)他們的潛力和創(chuàng)造力。
4教學(xué)效果
通過學(xué)生仿真和實驗報告、調(diào)查問卷、師生座談和大學(xué)生創(chuàng)新項目等形式，了解到進行電子技術(shù)實習(xí)教學(xué)改革嘗試之后，廣大學(xué)生普遍感覺受益匪淺，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。個人自學(xué)能力明顯提高，對知識點的理解更加透徹之前在課堂上學(xué)到的理論知識，到了電子實習(xí)階段，不少學(xué)生已經(jīng)忘記很多。為了完成電子實習(xí)仿真作業(yè)，團隊成員前期必須翻看之前課本教材，查閱仿真技術(shù)資料，搭建仿真模型及進行仿真分析，通過虛擬仿真可以幫助他們有效理解、掌握相關(guān)知識點，掌握技術(shù)研究仿真模擬算法，提高運用電子知識的能力。采用仿真技術(shù)有效提高電子實習(xí)效率前期仿真學(xué)生花費的時間雖然較長，但主要是占用他們的課前課后時間，學(xué)生在自己搭建仿真電路并進行仿真調(diào)試的過程中，已經(jīng)對電路工作原理有了比較清晰的認識，后期手動焊接電路調(diào)試階段的時間大大縮短，提高了電子實習(xí)效率。增強學(xué)生創(chuàng)新能力不少學(xué)生在實習(xí)報告心得體會一欄寫到實習(xí)的最大體會，就是學(xué)習(xí)了如何掌握電子知識的正確的學(xué)習(xí)方法。仿真對電子實習(xí)幫助很大，通過增加虛擬仿真等環(huán)節(jié)，使得學(xué)生可以更好地理解目前實驗室不具備的實驗項目，使得他們采用虛擬仿真等手段對感興趣的項目進行仿真分析，這也激發(fā)了他們的創(chuàng)新能力。不少學(xué)生在實驗報告后續(xù)項目中列出不少新穎的提案，也有不少學(xué)生建議把仿真提前應(yīng)用于之前的電子技術(shù)和電工技術(shù)的教學(xué)中去。培養(yǎng)學(xué)生團隊合作精神及溝通能力電子技術(shù)實習(xí)過程中由于任務(wù)繁重，學(xué)生需要進行分組實驗。在實習(xí)過程中如何搭建仿真模型，如何進行參數(shù)調(diào)整及模擬異常情況，以及后續(xù)的動手實操環(huán)節(jié)等，都需要組內(nèi)學(xué)生共通討論、分工合作，一榮俱榮，一損俱損。每個學(xué)生要發(fā)揮自己的作用，做好自己的工作內(nèi)容，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，都會影響到小組成績。為了保證實習(xí)的正常進行，需要學(xué)生發(fā)揮主動性，除了完成自己的工作，對于組內(nèi)其他學(xué)生在工作中出現(xiàn)的問題都要及時提供幫助，在這個過程中也無形地培養(yǎng)了學(xué)生的合作精神和溝通能力。
5結(jié)語
通過引入虛擬仿真環(huán)節(jié)，應(yīng)用在以CDIO工程教育理念為基礎(chǔ)的電子實習(xí)教學(xué)中，對電子實習(xí)教學(xué)模式和考核方法進行改革，增加課前預(yù)習(xí)仿真作業(yè)，重視仿真對實習(xí)過程的理論指導(dǎo)作用，通過仿真加強學(xué)生對基礎(chǔ)知識的理解和靈活運用，并在此基礎(chǔ)上拓寬學(xué)生的仿真范圍，進而引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新能力，有效提高了電子實習(xí)教學(xué)的質(zhì)量，增強了教學(xué)效果。
參考文獻
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