王 波， 王美玲， 劉 偉， 金 英， 肖 烜

(北京理工大學 自動化學院， 北京 100081)

0 引 言

《華盛頓協(xié)議》是工程教育本科專業(yè)認證的國際互認協(xié)議，1989年由美國、英國、加拿大、愛爾蘭、澳大利亞、新西蘭的工程專業(yè)團體發(fā)起成立，旨在通過工程教育本科專業(yè)認證保證工程教育質量，為工程師資格國際互認奠定基礎，2016年6月我國成為《華盛頓協(xié)議》正式成員國[1]。加入《華盛頓協(xié)議》有利于促進我國工程教育按照國際標準培養(yǎng)人才，提高工程教育的質量，對我國工程技術領域人才走向世界具有重要意義。工程教育專業(yè)認證的核心理念是以學生為中心、產出導向和持續(xù)改進[2]。

電子技術課程設計是自動化類、電氣類、信息類等相關專業(yè)大學生繼學習完電子技術基礎理論課、實驗課之后的重要的理論和實踐綜合設計環(huán)節(jié)[3-5]。隨著教育教學改革的不斷深化，在傳統(tǒng)教學過程中暴露出一些突出問題，主要表現(xiàn)在：① 教師在教學過程中居于主導地位，忽視了學生的主體性和能動性。② 教學內容的形式與工程實際相脫離，學生缺乏工程設計思想、方法的培養(yǎng)，不能綜合運用所學知識解決工程實際問題。③ 教學內容更新緩慢，不能體現(xiàn)現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計方法。④ 與工程實踐和素質教育密切相關的自學能力、經濟因素、團隊合作等因素的培養(yǎng)在教學目標中沒有體現(xiàn)。

1 產出導向教育理念

20世紀80年代到90年代早期,一種基于學習產出的教育模式(Outcomes-Based Education，OBE)最早出現(xiàn)于美國和澳大利亞的基礎教育改革。OBE是以預期學習產出為中心來組織、實施和評價教育的結構模式，實施OBE教育模式主要有4個步驟：定義學習產出(Defining)、實現(xiàn)學習產出(Realizing)、評估學習產出(Assessing)和使用學習產出(Using)[6-8]。該教育模式采用“自頂向下”的“反向設計”方式，通過預先設定培養(yǎng)目標，再設計支撐該目標的課程體系和培養(yǎng)方式，即根據培養(yǎng)目標整合優(yōu)化課程體系和教學過程。

2 課程目標

根據自動化專業(yè)畢業(yè)要求，細分畢業(yè)要求指標點，圍繞指標點進行電子技術課程設計教學目標設計。該課程教學目標有:① 了解、掌握電子系統(tǒng)設計的基本方法；② 能夠根據技術指標要求，進行任務分析，利用圖書館、網絡等資源，結合經濟性、可靠性、可實現(xiàn)性、可維護性等因素選擇合適解決方案；③ 利用EDA仿真軟件進行系統(tǒng)設計、驗證與完善；④ 學會以小組為單位分析問題、解決問題，合理分解工作任務，相互配合；⑤ 能夠通過硬件電路安裝調試，完成設計目標，達到技術指標要求，完成設計報告；⑥ 在電路調試、故障排除中熟練使用常用儀器設備；⑦ 提高分析與設計電子系統(tǒng)的能力，為以后應用打下基礎。

電子技術課程設計的課程目標與自動化專業(yè)畢業(yè)要求指標點的對應關系如表1所示。

表1 課程目標與自動化專業(yè)畢業(yè)要求指標點的對應關系

3 基于產出導向教育理念的教學設計

3.1 指導思想

電子技術課程設計具有工程性、實踐性、綜合性和系統(tǒng)性的特點。基于OBE教育理念的電子技術課程設計，除了實踐動手能力培養(yǎng)外，更注重把與工程實際密切相關的創(chuàng)新意識、自學能力、經濟因素、團隊合作、總結與表達等因素的綜合能力與素質教育貫穿于整個教學活動中。在教學過程中采用CDIO工程教育模式的項目教學法[9-12]，以項目的構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)及運作(Operate)全過程為載體來培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

3.2 項目教學法的實踐

結合工程實際產品設計的一般流程[13]，將電子技術課程設計中課題的設計過程分為課題分析和方案論證，方案設計，方案實現(xiàn)和總結及成果展示4個階段來進行教學。這4個階段分別對應CDIO教育理念中項目的構思、設計、實施和運行4個過程。

(1) 課題分析和方案論證。電子技術課程設計所選的課題來源于工程實際，并且具有綜合性、先進性和實用性。學生以團隊合作的形式(人數限定為2人)選擇不同的題目。每個團隊成員根據課題的設計要求，做好充分的調查研究，弄清楚系統(tǒng)所要求的功能和性能指標，對各種不同的解決方案進行討論交流及可行性分析，并進行成本預算，選擇最優(yōu)設計方案。例如，秒脈沖發(fā)生器的設計學生提出2種方案，如圖1所示。方案1電路結構簡單，但工作穩(wěn)定性及精度差。方案2電路工作穩(wěn)定性及精度好，如果集成電路選擇合適，電路結構也很簡單。經過比較采用第2種方案。

(a) 方案1

(b) 方案2

圖1 秒脈沖發(fā)生器的2種方案

在項目的構思階段，主要培養(yǎng)學生的團隊合作能力、工程系統(tǒng)能力及自主創(chuàng)新能力。

(2) 電路設計。確定了課題方案后，就要進行具體電路設計，要讓學生利用軟件仿真的方法來設計電路。對所設計的電路進行仿真，可以驗證設計電路的正確性，減少故障出現(xiàn)的可能性，大大縮短設計周期。例如，浮點頻率計課題中，學生利用Multisim軟件設計的三節(jié)拍產生電路如圖2所示，測量控制信號QT和節(jié)拍信號JP1、JP2和JP3的仿真波形如圖3所示。

圖2 節(jié)拍控制電路

由QT的下降沿啟動三節(jié)拍發(fā)生器，產生的第1個節(jié)拍信號JP1封鎖測量控制信號QT，使之不能送出后面的測量信號；第2個節(jié)拍信號JP2應在將近3s時產生，用來清除本次測量的結果，使測量結果顯示時間約為3s；最后產生第3個節(jié)拍信號JP3，解除對測量控制信號QT的封鎖，再次啟動測量過程。

圖3 節(jié)拍信號仿真波形圖

在項目的設計階段主要培養(yǎng)學生的單元電路設計能力、仿真分析能力及系統(tǒng)整體設計能力。

(3) 方案實現(xiàn)。目前電子系統(tǒng)的實現(xiàn)主要有以下幾種方法[14]：① 采用通用的集成邏輯器件實現(xiàn);② 采用可編程邏輯器件實現(xiàn);③ 設計功能完整的電子系統(tǒng)芯片。

第1種是傳統(tǒng)的方法，實際應用比較廣泛。第2種方法設計的系統(tǒng)體積小、功耗低、可靠性高。第3種方法成本較高，不適合小批量生產。經過比較，采用第1種和第2種實現(xiàn)方法。選用第1種實現(xiàn)方法時引導學生選用市場上價格便宜、貨源充足的集成電路。選用第2種實現(xiàn)方法時，引導學生采用Cypress半導體公司推出的PSOC(Programmable System on Chip)器件。PSOC器件是在一個芯片上集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞控制器的模擬及數字組件[15-16]。

在項目的實施階段主要培養(yǎng)學生的常用儀器儀表的使用能力、電路故障的檢查與排除能力，系統(tǒng)的調試能力，同時讓學生對工程中的經濟、安全等因素有所了解。

(4) 總結及成果展示。在調試成功后，進行系統(tǒng)演示及課題驗收。由團隊推選主講人，其他成員參與演示設計成果，介紹課題的設計思路、關鍵技術、工作原理、存在的問題等方面的內容。例如，學生設計完成的浮點頻率計實物如圖4所示，測量結果的顯示為3位十進制數，前2位為有效數字，第3位為10的冪次。當輸入信號頻率為500 Hz時，輸出顯示為50×101。在課題驗收后，要提交課題的研究報告，報告內容主要包括：設計目標、設計方案、設計電路及工作原理、軟件仿真結果、硬件調試結果、原理圖與印制電路板圖的設計、應用領域等。

在項目的運作階段主要培養(yǎng)學生知識的綜合運用能力、語言表達能力和寫作能力。

3.3 考核評價機制

課程考核上，堅持以學習產出為導向，在教學實施的各個階段對學生達成課程目標的程度進行評價?？己藘热菖c教學目標的對應關系如表2所示。

圖4 浮點頻率計實物圖

表2 考核內容與課程目標的對應關系

4 結 語

以工程教育專業(yè)認證的畢業(yè)要求為導向，根據OBE教學理念，對電子技術課程設計進行了一系列的教學改革。教學改革中將能力培養(yǎng)與素質教育融于整個教學過程中，由以教師為中心轉變?yōu)橐詫W生為中心，以教材為中心轉變?yōu)橐皂椖繛橹行?，以課堂為中心轉變?yōu)橐怨こ虒嵺`為中心，從知識、能力和素質三方面使學生得到了綜合的工程訓練和素質培養(yǎng)，為我校自動化專業(yè)畢業(yè)要求中多方面能力指標的完成提供了強有力的支撐作用。通過近幾年教學改革的實踐，激發(fā)了學生自主學習的主動性，提高了學生的實踐動手能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新精神、團隊精神、協(xié)作和配合能力、總結與表達能力，為學生整體素質的提高奠定了堅實的基礎。