基于CDIO的电子电路实践教学方法初探

邓文婷，谢斌盛

(广州大学　实验中心，广州　510006)



基于CDIO的电子电路实践教学方法初探

邓文婷，谢斌盛

(广州大学实验中心，广州510006)

摘要现代工程教育理念强调“做中学”，其核心思想是以工程实践项目贯穿整个教学过程，达到“做中学”的教学效果。根据培养应用型创新人才的理念，针对电子电路实践教学，提出了一种基于CDIO的“重组”电子产品的实践教学方法，并通过一个5 V开关电源的“重组”实例说明了整个教学方法的实施过程。

关键词创新；实践教学；开关电源；CDIO方法

CDIO是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学提出的一种新的教育模式，是近年来国际工程教育改革的最新成果，包括构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)、运作(operate)4个方面。CDIO工程教育理念的核心内容是强调学生的实际动手能力和工程实践能力，以工程实践项目贯穿教学整个过程，打通教学各环节，达到“做中学”的教学效果[1]。

实践教学是巩固理论知识和加深对理论理解的有效途径，是培养创新型高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。但目前的实践教学偏重于基本动手能力的培养和基本实践技能的训练，整体而言，系统化的工程能力培养效果有待加强。

1CDIO理念引入的必要性及方式

电子电路课程是各工科专业的必修课程，也是一门实践性很强的课程。一个电路的开发设计，电路参数的设定，元器件选型，以及合理性、安全性等各方面都需要学生通过实践才能真正领会和掌握。而这种包括电工、电子和设计3大部分在内的集中性实践教学环节往往是知识传授到能力培养的过渡节点，引入CDIO工程教育理念，能够将理论课程中抽象的电子电路知识与实践相结合，并将工程实践项目贯穿实训的整个过程，打通教学的各个环节，加强学生的工程系统能力、自主学习能力和组织协调能力的培养[2]。

由此，本文提出了一种基于CDIO的电子电路课程的实践教学方法——“重组”电子产品。该实训方式基本实现了一个完整的产品生产流程:学生经历市场调研、资料分析、方案设计、项目实施，了解产品的开发设计流程、生产制造工艺、成本控制，以及检验测试等各阶段[3]。

“重组”电子产品流程如图1所示。

图1　“重组”电子产品流程

25 V开关电源的电路剖析与改进

2.1了解研究对象及基本组成电路

指导老师指定某一类电子产品作为研究对象，由学生自行查阅图书资料，了解其电路原理及基本构造。这一阶段的调研对于后面的实训操作很关键，对研究对象有了准确的定位，才能在理论和实践上找到对接点。

图2　5 V开关电源结构图

2.2选型及购置产品

要求学生先进行市场调研，通过调查和对比后，按照指导老师的要求购买一款具体的电子产品，型号和规格由学生自己确定。如果学生的准备工作较充足，且具有较好的基础，可以选择较为复杂的产品；如果学生的能力一般，则可选择较简易的产品。

现在市面上的5V开关电源很多，其应用范围很广且具有通用性，手机等小型智能设备基本都是用5V开关电源进行充电，但是各个品牌的电源价格差别很大。这不仅与其内部电路(漏电保护电路、反馈稳压电路等)有关，而且和其工艺设计(散热、外观等)也有很大关系。如图3所示为本文购买的一款较为廉价的开关电源。

图3　5V开关电源实物图

2.3绘制具体电路图

要求学生根据实物使用AltiumDesigner(AD)或者Protel等电子线路辅助设计软件绘制具体电路图。这一步考验学生的细心和耐心，一点点小疏忽就有可能造成电路的“全盘”皆错，而对下一步的电路分析也会造成极大阻碍。

本文购买产品的内部电路原理图如图4所示。

图4　5 V开关电源内部原理图

2.4分析电路原理及电路测试

要求学生根据之前查阅的相关资料，剖析产品各部分功能电路的原理，并形成文字说明。同时，要求学生利用实验室仪器对产品的基本指标参数进行测量，记录结果。

从产品的电路图来看，只涉及了整流滤波电路、自激振荡器和输出电路3部分。产品的整流滤波电路采用的是半波整流电路.这种简单的整流方式有利于控制成本，但却意味着输出直流的杂波较多，且能量利用率低下。该产品基本省略了反馈稳压电路部分。反馈稳压控制电路部分中，光电耦合器用于将输出的直流电负反馈给开关管，来调节输出脉冲宽度以稳定输出电压，而该产品中光电耦合器并没有接到电路中，而是两端短路，造成反馈的假象。

本文的产品参数测量如下:

空载稳压——5.62V；

满负载稳压——4.59V；

绝对稳压系数——K=0.009；

输出电阻——Ro=6.135Ω；

最大纹波电压——1.085V。

2.5提出改进方案，重新设计电路图

要求学生查阅资料，对原电路进行改良。由于这一步骤的难度比较大，学生可根据自身的情况来进行设计，可以直接抄板，也可以尝试各功能模块的改良。

本文对市电整流和输出负反馈两个模块进行了改良[5]，改良后的电路原理图如图5所示。

1)改良市电整流。

整流部分将采用全波桥式整流和大容量电解电容滤波电路。全波整流采用的是整流桥堆，具有体积小、使用方便的特点。

2)改良输出负反馈。

由于光电耦合器并没有真正起到作用，会造成充电器在连接不同的负载时输出电压出现不稳定的现象，所以改良电路中将光电耦合器连接到了反馈稳压电路中。

图5　经改良后的电路原理图

2.6对改进后的电路进行测试

根据改进后的电路图，由学生自行购买所需的电子元器件，用万用板搭建电路。电路测试过程中可能会遇到各种问题，而选用的元器件规格和参数等也需要在测试中不断调整，同时，必须注意到安全的问题，因为调试过程中可能会出现爆管的情况。此阶段必须有老师在实验室进行现场指导。

电路改进后的测量参数如下:

空载稳压——5.11V；

满负载稳压——4.91V；

绝对稳压系数——K=0.011；

输出电阻——Ro=6.135Ω；

最大纹波电压——200mV。

2.7制作PCB板及焊接电路

要求学生利用AD或Protel软件进行PCB板的设计，设计过程中需要考虑产品的漏电保护、交直流隔离，以及产品外观等多种因素[6]。完成PCB板设计后再用热转印法进行制板，并手工焊接电路。

2.8“重组”产品

要求学生了解产品的外形设计因素，以及产品外形与内部电路的对接方法，并从市面上购买一款与设计电路相吻合的外壳，或者用3D打印机自行设计打印一款外壳，组装完成整个产品。学生“重组”后的产品实物图如图6所示。

图6　5 V开关电源组装图

本产品的外形设计要求:体积小、重量轻，呈流线型结构，符合人体工学，手感较好；内部有卡槽来固定电路板；插头与电路板之间所用的导线要用可靠的固定和绝缘方式，比如在焊接处盖上一层黄胶或者是环氧树脂胶。

3结束语

通过“重组”电子产品的方法，学生对实际

的电子产品进行了深入研究和分析，并在此基础上对电路缺陷部分进行了改良，整个实践过程其实就是一个完整的“新”产品设计过程。古人云:授人以鱼，只供一饭之需；授人以渔，则终生受用无穷。通过此类基于CDIO的电子电路实训，学生能够将理论知识真正地应用到实践当中，能够了解到自身的学习缺陷，便于在今后的学习中不断完善。

参 考 文 献

[1]吴桂峰，刘敏华，等.基于CDIO理念的电路课程教学改革与实践[J].中国科教创新导刊.2013(1):187-189.

[2] 张诚，林志贵，徐伟，等.基于CDIO模式的《电子系统设计》课程改革[J].教育教学论坛，2013(1):36-37.

[3]单小彪，黄文涛，王丽丽.基于项目学习的本科教学实践与经验[J].中国校外教育，2012(27)：68-69.

[4] 周洁敏.开关电源理论与设计[M].北京:北京航空航天大学出版社，2012:36-43.

[5]何晓帆，彭琼，刘丽.实用电源电路与充电电路图集[M].北京:中国电力出版社，2009.

[6] 谢陈跃，谢斌盛.电工电子基础实习[M].北京:中国大地出版社，2008.

Research on the Teaching Methods of Electronic Circuit with CDIO Method

DENG Wenting，XIE Binsheng

(LaboratoryCenter，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China)

AbstractThe concept of modern engineering education emphasizes “learning by doing”，its core idea is based on engineering practice project throughout the whole process of teaching，to achieve the effect of “learning by doing”.According to the concept of training creative students who could apply the theoretical knowledge which they have learned to the actual objects，this paper puts forward a practical teaching method of “restructuring” electronic products based on CDIO concept.Through an example of resructuring a swithing power supply,one shows the whole process of the implementation of the teaching methods.

Key wordscreativity；practical teaching；switching power supply；CDIO method

收稿日期:2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

基金项目：广州市教育科学“十二五”规划基金(2013A051)；广州大学教育教学研究基金(JYY201318)。

作者简介：邓文婷(1983-)，女，硕士，实验师，主要从事电工电子类实践课程的教学与管理工作。

中图分类号G642.423

文献标志码A

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.02.030