基于CDIO教育理念的模拟电子技术实验教学改革研究

梁启文，许 棠，龙世瑜，莫长江，贾红芳

(岭南师范学院信息科学与技术学院，广东湛江524048)

模拟电子技术是高等学科的一门重要必修课，而实验教学对于培养工科学生创新能力和实验技能起到重要的作用。掌握好实验技能，能加深对理论知识的理解，弥补理论教学环节中存在的不足，对于提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力也具有很好的促进作用。然而，传统的模拟电子技术实验教学存在实验课时不足、实验内容偏重验证性和实验内容单一等一系列问题，使得知识的衔接不理想，缺乏连续性。学生完成全部实验后，不能将所学到的知识运用到生活中解决实际应用问题，造成学生对实验的重视程度不高，实验教学效果不理想[1]。本文结合岭南师范学院电工电子实验教学示范中心建设的实际情况，对模拟电子实验教学体系、教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了改革。

1 CDIO教育理念的实验教学体系建设

1.1 CDIO 教育理念

CDIO(Conceive Design Implement Operate)工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果。该模式以产品的构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)及运作(Operate)全过程为载体，让学生以主动的、实践的方式进行工程学习，注重培养学生专业知识、学习能力、团队交流能力及工程系统能力。迄今为止，已有几十所世界著名大学加入了CDIO组织，采用CDIO工程教育理念和教学大纲进行教学，取得了良好效果，培养的学生深受社会与企业欢迎。CDIO教育理念能够让学生获得更广泛的知识，具备足够的人际交流能力、专业知识应用能力、产品和系统构建能力，使学生毕业后更快地适应行业对人才的需求[2]。因此，针对模拟电子技术实验课程的特点和教学中存在的不足，笔者深入研究CDIO的精髓，并将CDIO教育理念应用于模拟电子技术实验教学改革中。

1.2 实验教学体系的建设

CDIO的教学模式充分反映了人才培养的客观规律。我们根据CDIO的教育理念，并结合实际情况，对模拟电子技术实验教学体系进行了优化，建立了“与理论教学相结合，以能力培养为核心”的多元化、多层次的实验教学体系(图1)。该体系是CDIO理念的“构思、设计、实施及运作”四个层次进行建设的实验教学体系，注重“循序渐进、不断提高、分层培养和注重创新”的过程[3]。这种优化后的教学体系在培养学生间接获取知识、直接获取知识、探索研究新知识等方面提供了比较明确的教学引导作用。

图1 模拟电子技术分层式实验教学体系

图2 各项实验所占的比例

在图1中，验证性实验位于实验教学体系的底层，是模拟电子技术的基础实验，主要验证课本中某一原理、理论或结论，从而加深学生对知识的理解。因此，在实验过程中使用仪器进行测试，通过观察实验结果、数据记录、数据分析等手段可得出被验证内容的实验过程。验证性实验是学生进行项目运作的基础，占整个实验教学体系的55%(图2)。

综合性实验位于验证性实验的上层，主要是巩固上一阶段的学习成果。实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关的知识，是学生在具有一定知识和技能的基础上，运用某一门课程或多门课程的知识、技能和方法进行综合训练的一种复合型实验。综合性实验是培养学生动手能力、数据处理能力和综合分析能力的有效方法，在整个实验教学体系中约占20%。综合性实验是项目设计的基础。

设计性实验位于综合性实验的上层。教师给定实验目的、要求和实验条件，由学生自行设计实验方案并独立完成操作、记录实验数据以及分析实验结果等过程。设计性实验主要培养学生查阅资料的能力、创新能力、团队协作能力、发现问题和解决实际问题的能力[4]。相对于综合性实验，设计性实验更接近于系统工程，有利于提高学生的工程实践和工程应用能力。设计性实验在整个实验教学体系中约占15%，是项目实施的有效手段。

创新性实验位于分层式实验教学体系的最顶层，主要通过第二课程竞赛的形式，让学生利用所学到的知识设计一个电子产品，解决实际生活中的一些简单问题。通过竞赛，可以充分调动学生学习的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，全面提升学生的创新能力。创新性实验(第二课堂竞赛)在整个实验教学体系中约占10%，是项目运作的过程。

2 实验内容和实验项目的更新

改革前的实验内容绝大部分为验证性实验。学生在实验时多数按照教师的演示进行接线，对实验内容不熟悉，遇到问题找教师帮忙解决，做完实验后并不知道实验原理，实验效果不理想[5]。为了改变这种现状，在教学实践中结合CDIO教育理念，将实验内容和实验项目进行更新，递进式安排实验内容(即基础层——应用层——综合设计层)，实验难度符合从简单到复杂的实验教学规律，形成分层式的项目教学模式，如图3。此框图为音响放大器的实验项目教学体系，其中音响放大器实验项目要求:设计一音响放大器，具有音调输出控制、卡拉OK伴唱功能，能对话筒与录音机的输出信号进行扩音。已知条件:话筒(低阻20Ω)的输出电压为5mv，录音机的输出信号电压为100mv;完成的主要技术指标:使用正负直流12V供电，输出功率PO≥1W，负载阻抗RL=8Ω，输入电阻Ri≥20KΩ，截止频率fL=40Hz，fH=10KHz;音调控制特性为1KHz处增益为0dB，100KHz和10KHz处有±12dB的调节范围，AVL=AVH≥20dB;整个实验项目分为信号输入部分、信号处理部分、功率放大部分和电源部分组成[6]。

图3 分层式实验项目教学体系

以音响放大器的设计与制作项目作为牵引，根据音响放大器的结构框图，在信号的输入部分、信号处理部分、功率放大部分和直流电源部分安排相应的实验内容，使实验内容由基础层向应用层和综合设计层拓展，以便更好地培养学生的工程实践能力和创新能力。分层式模拟电子技术实验项目如表1所示。

表1 分层式模拟电子技术实验项目

以项目式实验教学为主，构建了分层式模拟电子实验教学体系和实验项目，将模拟电子技术实验项目整合为一体。在图3的信号输入部分安排了3个基础实验，其中常用电子元器件的识别及常用仪器的使用是音响放大器电路设计的基础，将单管放大电路作为话筒输出信号放大，而音频信号发生器可产生1KHz的音频信号作为后级电路的测试信号源。在信号处理和功率放大部分安排了3个实验项目，利用运算放大器的应用电路对前级输出的信号进行混合放大，再经过音调控制电路后送到功率放大电路进行功率放大。其中直流稳压电源电路为整机提供电源，将音响放大器的电路设计及测试作为一个设计性实验。整个实验体系共设置了8个实验，包含了验证性实验、综合性实验和设计性实验。实验与实验之间前后均有衔接，使实验体系最终形成一个电路系统进行综合调试。这样不仅可加深学生对基础理论知识的理解，教会学生识别电子元器件、使用相关仪器进行测试，而且可以在实践中培养学生设计电子系统的能力，让学生的专业技能和工程实践能力得到很好的锻炼[7]。

3 教学方法与教学手段的改革

3.1 实验教学单独设课

传统的实验教学作为理论教学的一部分，让学生认为只要将理论课学好就可以通过考核，学生参加实验的积极性不高，造成实验教学效果不好。将模拟电子技术实验作为一门独立的课程单独开设，确立了模拟电子技术实验的地位，有固定的学时和学分，学生实验考核不及格同样要参加补考或重修。在改革后的实验教学中，实验安排基本上是单人单套设备独立完成，取消了以往两人一组共同完成实验的做法。这使得学生在思想上有一定的压力，要想取得实验学分，必须亲自动手做实验。同时通过修订实验教学大纲和重新编写实验教材，合理安排实验内容，将实验大纲、实验项目和课程安排等资料共享在电工电子实验教学示范中心的网站上，方便学生的查阅和学习[8]。

3.2 以学生为中心，改进实验教学方法

在实验教学过程中，通过深入研究CDIO教育理念，创新和使用多样化的实验教学方法，建立以学生为中心的实验教学模式，采用以教师为主导，知识、能力、素质协调发展的教学方法，逐步形成自主式、合作式、探究式的学习方式。打破传统以教师讲授为主的教学模式，充分调动学生学习的积极性、主动性和创造性，让学生在“做中学”，培养学生的分析问题和解决问题的能力。

3.3 虚拟仿真与实践相结合

利用虚拟仿真软件对实验进行仿真分析，是培养学生实验能力和工程意识的重要手段。目前，虚拟仿真技术应用于模拟电子技术实验教学中，已逐步被学生认可。要求学生在进入实验室做实验之前，利用业余时间使用自己熟悉的虚拟仿真软件，如Multisim、Proteus或Matlab等，对要所做实验进行仿真分析，初步得出实验结果。这样有助于学生更深入地了解实验原理，熟悉实验电路，激发他们的实验兴趣，提高实验的效率和自主学习的意识。

3.4 建立多元化的实验考核方法

实验考核是实验教学的重要环节。传统的考核方式主要根据学生的平时成绩、实验报告成绩和期末考试的成绩综合评定，忽视了学生实验过程中动手能力的培养，不利于培养学生的学习主动性。为了科学地评价学生的实验情况，应建立多元化的实验考核方法，统筹考核实验过程与实验结果，充分激发学生实验的积极性，提高他们实验和工程实践能力，使考核方式更加倾向于学生的自主学习、动手操作、数据分析处理、团队合作以及语言表达能力，以此提高学生的综合能力。

实验前要求学生写预习报告。学生通过虚拟仿真，对实验有初步的了解，明白实验的原理。在预习报告中要明确实验内容，如实验名称、实验目的、实验原理(含电路原理图)等，这样可提高学生的实验效率，同时也可以看出学生对实验的重视程度[9]。在这一部分中，考核的分数占整个实验项目的10%。

实验操作和实验报告是实验考核的重点，各占40%。实验操作主要是在教师的指导下，学生自主独立开展实验，通过实验得出实验数据和结论。在整个过程中注重培养学生的实验动手能力，以及发现问题和解决问题的能力。实验报告是培养和锻炼学生以书面形式进行数据处理和分析的能力，教师可从批改实验报告的过程中看出学生的实验数据是否真实、实验结论是否符合要求，从而得到学生对实验的掌握情况。

答辩是实验考核中的一个重要的环节，占整个实验项目的10%。学生在完成实验操作后得出实验结果，可举手示意教师来验收。教师根据实验的结果，提出相关问题让学生回答，最后由教师记录答辩成绩。这种方法使得实验教学效果得到一定程度的提升，更好地锻炼了学生的表达沟通能力，使学生的综合素质得到进一步的提高[10]。

4 教学效果与教学成果

以电工电子实验教学示范中心建设为契机，结合CDIO教育理念，对模拟电子技术实验教学进行深入的研究和改革，培养学生的动手能力、团队协作能力和创新精神，取得了较为显著的效果。

4.1 实验体系合理，教学效果显著

在实验教学改革过程中，对实验体系进行优化，补充大部分的实验教学设备，以保证每位学生独立完成实验，增加学生动手的机会。学生参与实验的兴趣浓厚，特别是在信息学院每年举办的“IT科技节”学术活动中，大批学生进入实验室进行设计、安装和调试;同时邀请相应的指导教师到现场进行指导，使学生受益颇多。

4.2 学生的创新能力得到明显的提高

2010年以来，学生参加各类电子设计竞赛的人数大幅度增加，取得了较好的成绩。到2014年底，我院学生参加国家级、省级、市级和校级的电子设计竞赛，获得三等奖以上的共有54项。其中，2013年获得全国大学生电子设计广东赛区一等奖2次、二等奖1次、三等奖2次;2014年获得广东大学生电子设计竞赛一等奖1次、三等奖2次。通过学生竞赛，我院学生的创新能力得到显著的提高。

4.3 实验教学改革成果丰富

近几年，学生除了在学科竞赛方面取得较好的成绩以外，在大学生创新创业的申报工作中也取得较好的成绩，有多份作品通过省级和国家级的立项。另外，通过实验教学改革研究，修改了实验教学大纲和实验内容，出版了模拟电子技术实验的教材，同时将实验教学改革取得的成果整理成论文的形式公开发表。

5 结语

模拟电子技术实验教学改革以CDIO教育理念为指导，目前基本上形成了一个循序渐进的分层式实验教学体系。通过教学实践发现，该体系能有效地调动学生的实验积极性，提高学生的实践创新能力和实践操作能力，实验教学效果显著，发挥了良好的示范和辐射作用。

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