基于CDIO 模式的复杂工程问题能力培养实践

朱安福 许 磊 郭 恒 刘高峰

(华北水利水电大学 电子工程学院, 郑州 450046)

目前,数字科技和产业浪潮正在兴起,新产业和新工科不断涌现,新产业要求工程技术人才必须具备工程逻辑工程师思维,能够解决相关领域内复杂工程问题。因此工程教育迎来工程人才培养的机遇和挑战,为了提高工程教育质量,欧美教育水平较高的国家都制定了相应的工程教育制度,解决复杂工程问题的能力成为新工科人才的核心能力[1]。高等院校工科专业的工程教育应当积极面对解决实际复杂工程问题,围绕重大工程实践需求,遵循工程逻辑来重构课程体系,培养学生的工程能力和工程思维,培养能够适应复杂工程技术人才,提升毕业生解决复杂工程问题的能力,服务国家和社会。

我国的工程教育培养模式可以借鉴符合工程逻辑的CDIO模式,其含义表示构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate),模拟了工程师工作活动的真实场景和工程实施的全过程[2]。CDIO工程教育模式将毕业生的能力分为技术能力、沟通能力、学习能力、协作能力和系统工程能力等适用于工科人才培养核心能力。CDIO是工程教育先进理念和培养模式,以产品研发到产品运行的全周期全流程为培养流程,让学生以主动方式来接受工程实践训练,从而达到培养毕业生解决复杂工程问题能力的目的。

“单片机原理及应用”是以应用为主的工程技术课程,单片机在工业自动控制、智能仪器仪表检测方面有着广泛应用。单片机原理及应用对理论联系工程实践要求比较高,课程大纲的实验与实践环节占了比较大的比重[3]。实验教学以案例教学起到了较好的效果,在实际教学过程中,设计了由初级案例、中级案例到复杂案例的一系列层次化案例[4]。单片机课程以往的讲授模式偏重传授知识,轻视工程实践,综合设计项目比较少,毕业生的解决复杂工程问题能力没有得到显著提高,教学效果并不理想[5]。采用数控系统任务驱动的教学方案解决了教与学的矛盾,充分体现了学生在学习中的主体地位和教师的主导作用[6]。综上所述,多个文献指出了单片机课程存在的问题,分别给出了不同的解决方法,没有涉及到CDIO模式,本文尝试CDIO模式来培养学生的工程思维,提高学生解决工程项目研发中复杂工程问题的能力。

1 解决复杂工程问题的内涵

工程教育认证把解决工程问题能力作为成果导向教育的中心,明确了复杂工程问题的内涵。首先,我们明确什么是复杂工程问题,我国在2016年正式加入了《华盛顿协议》,协议中指出了复杂工程问题的内涵有七个特征[1],第一条是必备的,必须有深入的工程知识才能解决,这些知识是指能够运用基本原理分析方法的一个或多个知识要求。第二条到第七条按照工程项目可选,如工程项目涉及大范围或有冲突的技术、工程和其他问题,随着技术进步和利益相关者群体有广泛变化的需求等。作为实例的加油机综合工程项目需要用到电路、电子技术、信号处理、传感器测试、电力电子、自动控制等多个领域的工程知识,满足复杂工程问题的第一条要求。加油机综合工程项目包含电机驱动、数据通信、安全支付、油气回收等组成部分,涉及多个学科属于高水平问题,另外,综合课程设计涉及大范围的或有冲突的工程技术问题。

单片机课程目标是使学生具备单片机系统工程解决方案的设计能力,在掌握了单片机基本结构与工作原理的基础上,针对实际单片机系统的复杂工程问题,培养学生的应用单片机开发软硬件系统的能力,为学生毕业后从事智能仪表、检测与运动控制等相关工作奠定理论与实践基础,这个课程目标和毕业要求与复杂工程问题密切相关。

2 单片机课程教学存在的不足

“单片机原理及应用”在国内经过了几十年的发展,教学知识和教学模式基本稳定,教学知识内容包括单片机的基本结构和工作原理,单片机的程序设计方法,输入输出接口、定时器、中断系统等工作原理和应用方法。内容还涉及存储器扩展、并行接口的扩展、A/D和D/A接口、电力电子器件接口等设计和编程方法。还有涉及单片机键盘接口、LCD显示器接口、功率器件驱动接口等工作原理和编程方法、应用系统开发等。单片机课程综合了数字电路、模拟电路、微机原理、C语言编程等知识,呈现出知识点多、分散、关联性弱等特点。数字电路和C语言基础较好的学生,经过单片机综合训练,能够顺利使用单片机完成复杂功能的应用系统设计。

目前,单片机应用授课经常先讲抽象的单片机硬件结构和工作原理,再讲汇编或C程序语言程序设计。但是,先硬件后软件的教学过程逐步推进,由于学生缺乏实际的开发经验和应用背景,不能形成项目系统方案的任务需求逻辑思维,对于抽象的单片机硬件结构和工作原理的实际应用认识不清楚。对于单片机的知识停留在简单了解阶段,往往随着课程的深入,逐渐失去了学习兴趣。在后续课程设计环节的知识点综合应用时,就会出现软硬件设计能力严重不足的问题,很难完成单片机应用系统的复杂工程解决方案。反观一部分学生虽然没有上单片机课程,只是参加过电子设计竞赛,在大一学完C语言后,自学了单片机课程,经过了单片机项目设计实践训练后,课前课后学生学习主动积极,课程整体知识体系逻辑性强,单片机综合设计能力提高很快,自主学习的兴趣和学习效果都很好。究其原因,传统单片机教学片面强调单片机相关基础理论知识,理论教学与综合实践训练衔接处理不好;学生没有建立单片机系统项目工程设计理念,缺乏复杂工程问题的项目引领教学,针对这些问题,我们立足于CDIO模式,结合加油机系统应用项目设计,基于项目驱动重构课程教学内容,目的在于激发学生的学习兴趣,提高学生的创新性思维和解决实际工程问题能力。

3 CDIO模式的项目驱动教学理念

CDIO模式非常适合单片机这类工程实践性强的课程,单片机项目应用系统工程很多可以作为开发项目,来实现以产品工程人才培养模式,以电子产品项目研发到产品的运行、维护的全周期培养工程师必备的基本能力。我们结合单片机应用项目的实施思路,为学生提供符合工程逻辑的训练环境。其次,开发软件Proteus和Keil为CDIO模式单片机项目学习创造了良好的支持条件,作为单片机的开发工具,使得单片机开发变得愈来愈容易掌握,使得电子产品设计从概念到产品实现3D仿真效果。Proteus具有电路仿真、PCB设计和虚拟模型仿真等功能,可以完成原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真、PCB设计、电子产品3D模型设计,有利于电子产品的设计与实现。

4 教学设计实践

我们依据常见的加油机项目为例,模拟单片机应用系统工程开发的全过程,培养电子工程师必备的基本开发设计能力。首先,明确加油机设计的任务功能需求,由项目任务需求确定产品的基本功能和技术参数,加油机功能有油品输送、加油量计量计算、加油数据存储,附加功能还有加油站管理、盘点、报税等,需要用到单片机键盘接口、显示器接口、扩展存储器等。加油机需要电气控制设备把油罐内的油品吸引出来,然后通过传感计量器和电脑装置进行计量计算,最后通过油枪加到用户车油箱,需要使用到单片机串行口接口、功率器件驱动接口技术等。加油机还可以自助加油,具备连接计算机网络报税等辅助功能。由项目需求导引构思工程解决方案,设计CDIO模式非常适合单片机这类工程实践性强的课程,项目实施流程如图1所示。指导教师负责提出项目任务,指导学生进行任务分解和软硬件设计调试,评价项目系统方案,组织技术交流。学生主动构思项目系统方案,设计数学模型论证,求解系统主要参数,依据计算参数结果选择合适的器件,编写系统软件,测试软硬件是否满足项目设计需求,撰写设计报告,汇报总结等。

加油机项目可以作为一个复杂工程,知识涉及到多个学科多门课程,如电子工程、自动控制、电力电子技术等。依据项目需求构思设计实现运作CDIO模式,设计项目能够培养工程师需要硬件设计能力、软件开发能力、计算机仿真能力、团队协作能力、科技创新能力。我们还需要明确单片机课程目标后,把单片机课程的知识点进行分类,建立知识和能力目标的联系,在课程计划安排时,综合考虑教学进程。项目实践从简单功能到多功能综合,应用系统实现由易到难,设计出培养能力素质的项目如表1所示。

在分析课程达成情况时,把课程目标对应的工程能力去支撑毕业要求。单片机课程支撑三个毕业要求指标点,分别是指标点3-3、10-1、11-2,其中3-3是指能够根据需求目标的复杂工程问题设计解决方案,确定满足系统方案的需求算法,设计软件流程、编写程序、仿真、调试;10-1是指具备良好的语言和文字表达能力,能够通过口头表达或书面方式进行有效沟通和交流领域内复杂工程问题,11-2是指能够在电子产品设计和生产、全流程的工程管理与经济决策问题。通过CDIO模式教学实施,让学生按照做工程视角练习设计,借鉴Proteus和keil软件仿真和实验仪器调试操作, 促进了课程目标的学生整体达成到0.8以上,高于0.7的达成度要求,提高了学生的解决复杂工程问题的能力。依据持续改进的要求,还要依次增加综合工程练习的难度,设计还必须考虑增加技术因素和非技术因素要求。单片机课程与科技创新活动结合有利于解决复杂工程问题所需要的创新能力的培养,近3年学生参加全国大学生电子设计竞赛、“互联网+”创新创业大赛和全国“挑战杯”课外学术作品竞赛和集成电路设计大赛、机器人与人工智能大赛等,共获奖300多人次。

5 结语

CDIO模式作为工程教育先进理念和培养模式,使得学生实践真正做到以产品研发到产品运行的全流程训练。以学生为中心的教学理念,就是在教学过程中引导学生主动参与项目设计,采用复杂工程的综合项目任务作为课程教学目标,在项目实践过程中激发了学生自主学习的兴趣。学生作为学习主体,通过自己主动参与完成项目设计,让学生体验项目成功的价值,达成了课程教学目标,取得了较好的教学效果,在实际的综合工程项目开发过程中,培养了学生解决复杂工程问题的能力。