張永芳， 張義紅， 陳根龍， 鄧開連， 沈利芳

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

隨著社會信息化和經(jīng)濟全球化的不斷發(fā)展，電子信息技術(shù)發(fā)展日新月異，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并迅速滲透到國民經(jīng)濟各個部門。因而社會對教育界提出了更高的要求，不但要求學(xué)生擁有扎實的理論知識，而且要有很強的實踐應(yīng)用能力［1-3］及對新知識的探索能力。同時，大數(shù)據(jù)和人工智能時代的到來，推動了社會對信息類人才的知識結(jié)構(gòu)和素質(zhì)能力的要求也水漲船高，不僅要求熟練掌握如電路分析、數(shù)字電路技術(shù)和模擬電路等重要專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，而且要求將這些課程所學(xué)的知識能夠靈活應(yīng)用于實際生活中，并能熟練運用這些知識解決實際生活中所遇到的問題［4-6］。實驗課程不僅是聯(lián)系理論與實踐的橋梁和紐帶，而且也是理論教學(xué)課程的重要補充，更是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才過程中不可或缺的實踐環(huán)節(jié)［7-9］。然而傳統(tǒng)的電子制作實驗課程面臨著內(nèi)容陳舊，模式單一，脫離工程實際和以教師為中心等問題，很難適應(yīng)當(dāng)今快速發(fā)展的社會趨勢［10-11］。為了培養(yǎng)出的信息技術(shù)專業(yè)人才具有更高的社會競爭力，較強的應(yīng)用實踐能力和創(chuàng)新思維能力，必須實現(xiàn)電子制作實驗課程的改革。

CDIO（Conceiving-Designing-Implementing-Operation，即構(gòu)思－設(shè)計－實現(xiàn)－運作）教育模式是當(dāng)前國際工程教育最新發(fā)展方式，是一種將理論與實踐有機聯(lián)系的工程項目教育模式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程基礎(chǔ)知識、個人能力、團(tuán)隊協(xié)作能力以及綜合創(chuàng)新能力［12-15］。成都信息工程學(xué)院、云南大學(xué)、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校均將CDIO教學(xué)方法運用于教學(xué)實踐，并取得了良好的教學(xué)效果，同時也成為CDIO國際合作組織亞洲區(qū)域中心成員［16］。為了滿足社會對信息技術(shù)專業(yè)人才的需求，以及積極推進(jìn)我校與國際接軌，將“項目制”思路融入電子制作實驗教學(xué)中，提出了基于CDIO模式的電子制作實驗教學(xué)方案。在學(xué)校激勵政策的引導(dǎo)下，探索出一條適應(yīng)時代發(fā)展、符合社會發(fā)展需求的新型信息技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式。

1 電子制作實驗課程特點與現(xiàn)狀

電子制作實驗課程是信息類專業(yè)必修的一門基礎(chǔ)實踐課程，該課程綜合性強，教育內(nèi)容覆蓋面大，既要掌握電路分析、模擬電路、數(shù)字電路等專業(yè)理論知識，又要有很強的動手實踐能力，因而在教學(xué)過程中既要注重理論知識的學(xué)習(xí)灌輸，又要注重學(xué)生的動手實踐能力的培養(yǎng)。同時，該課程又具有一定的發(fā)展性，由于時代的發(fā)展，制作內(nèi)容也要及時更新從而適應(yīng)市場的需求。然而大多數(shù)同學(xué)只會簡單地組裝現(xiàn)有產(chǎn)品，在完成制作內(nèi)容后并不知道其中的原理、行業(yè)背景、設(shè)計過程以及如何將設(shè)計的成果轉(zhuǎn)化為實實在在的電子產(chǎn)品，難以拓寬相關(guān)的知識面并進(jìn)行相應(yīng)的創(chuàng)新實驗。

2 基于CDIO模式的電子制作課程體系建設(shè)

2.1 電子制作實驗課程的改革

針對電子制作實驗課程的特點和教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的CDIO教學(xué)模式，從制作內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容等方面對電子制作課程進(jìn)行改革。在實際教學(xué)過程中，把電路分析、模擬電路、數(shù)字電路等理論知識與半導(dǎo)體物理知識相融合，設(shè)計成新的電子制作項目，使教學(xué)內(nèi)容緊跟科技發(fā)展。同時注重培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)工程能力、自學(xué)能力、組織溝通能力及項目的開發(fā)和實施能力。

2.2 體現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的教學(xué)方法及過程考核方式

在教學(xué)中改教師為主的“聽中學(xué)”消極學(xué)習(xí)模式為學(xué)生為主的“做中學(xué)”主動學(xué)習(xí)模式；采用CDIO工程項目教學(xué)法，選取難度適中、學(xué)生容易完成但包含的知識面較廣、可挖掘空間大的實際工程項目（見表1），引導(dǎo)學(xué)生積極思考進(jìn)而努力解決實際問題。同時依據(jù)CDIO工程教育理念，也可將拓展的相關(guān)學(xué)科知識，如半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（如PN結(jié)）制作知識、器件性能檢測及測試知識引入課堂；同時根據(jù)項目的難易程度，采用遞進(jìn)式的方式，由簡單到復(fù)雜，由點到線，再由線到面，由單一到綜合的方式，將各個知識點滲透到項目中。最后根據(jù)學(xué)生實際完成情況，采用知識＋能力＋素質(zhì)的綜合過程考核模式。

2.3 光電二極管探測器件項目教學(xué)實踐

在眾多電子產(chǎn)品的構(gòu)成元件中，二極管是再普通不過的元件了，然而人們常用的多是購買現(xiàn)成的二極管，而且主要運用二極管的正向?qū)ǎ诱螂妷簳r功能）和其穩(wěn)壓（加反向電壓至飽和時的功能）這兩個功能，信息類的學(xué)生大部分對于二極管的構(gòu)成及其他功能，比如發(fā)光功能（如LED），氣敏功能（如氣敏探測器）及光電探測功能（如紫外探測器，紅外探測器等，即加反向電壓但是未飽和時的功能）了解甚少，這里以紫外－可見光光電探測器的設(shè)計和制作項目為例，探討異質(zhì)PN結(jié)加反向電壓時的電流特性，及CDIO工程教育模式在電子制作實驗教學(xué)指導(dǎo)中的應(yīng)用。

2.3.1 項目總體要求

運用模擬電路中二極管的單向?qū)?，反向截止功能及半?dǎo)體異質(zhì)結(jié)二極管（PN結(jié)）的制作工藝等相關(guān)知識設(shè)計并制作一個紫外-可見光光電探測器件，利用微小偏壓或者不用偏壓，僅用光照即可實現(xiàn)其探測功能，即實現(xiàn)該PN結(jié)在反向電壓下（飽和前）的功能。

2.3.2 項目構(gòu)思

在項目構(gòu)思階段，學(xué)生可按照5或6人自由組成一個團(tuán)隊，通過查找資料、選定方案、優(yōu)化方案、并對擬實現(xiàn)的器件進(jìn)行基本輪廓性的構(gòu)建后，進(jìn)一步確定制作元件的基本模塊／元件。如設(shè)計所需要的基本材料（如Si片，化學(xué)藥品等），所需要的基本儀器，如示波器，穩(wěn)壓源、光源、半導(dǎo)體性能測試儀，探針等。在此過程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)，指導(dǎo)老師盡量不加限制或者少干預(yù)，只把控正確的大方向，如選擇何種材料做異質(zhì)結(jié)，如何制作器件，以及會達(dá)到什么樣子的性能等進(jìn)行探討，而不是直接告訴怎么做或者應(yīng)該怎么做。

表1 結(jié)合CDIO工程教學(xué)目標(biāo)的實踐教學(xué)項目

2.3.3 項目設(shè)計

在教師對學(xué)生的方案進(jìn)行初步論證后，學(xué)生便可進(jìn)行進(jìn)一步的制作。并利用穩(wěn)壓源、示波器、半導(dǎo)體測試儀等儀器協(xié)助，在測試的過程中進(jìn)一步確定相應(yīng)測量的最佳參數(shù)值，如光源可利用光電開關(guān)控制，選擇開10 s，關(guān)閉10 s，然后再開10 s，再關(guān)閉10 s，如此循環(huán)往復(fù)。偏壓可按照從小到大的順序，緩慢增加。最后指導(dǎo)老師對測試參數(shù)選擇及樣品的安裝進(jìn)行進(jìn)一步核查，確保所選擇的參數(shù)正確合理。在此設(shè)計過程中，學(xué)生的工程設(shè)計能力、創(chuàng)新能力和推理能力得到了充分的訓(xùn)練。

2.3.4 項目實施

在項目實施階段，學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計的原理分工合作完成相應(yīng)的二極管光電器件的設(shè)計、制作以及所需藥品的采購、組裝、調(diào)試和測量等工作。圖1所示為設(shè)計和制作的異質(zhì)結(jié)二極管光電探測器示意圖。在此過程中既切實鍛煉了學(xué)生的設(shè)計能力和實際動手能力，又培養(yǎng)了學(xué)生的交流與合作能力。

圖1 設(shè)計和制作的二極管光電探測器示意圖

2.3.5 項目運行

在項目運行階段，學(xué)生團(tuán)隊派一個代表將自己團(tuán)隊制作的二極管光電探測器件展示給指導(dǎo)老師和其他同學(xué)觀賞，并對其功能進(jìn)行演示。同時學(xué)生代表對此項目做匯報總結(jié)，針對設(shè)計項目的具體指標(biāo)要求，由指導(dǎo)老師和學(xué)生雙方作出科學(xué)合理的評價。在此階段，充分鍛煉了學(xué)生的實踐動手能力，團(tuán)隊協(xié)作能力、組織協(xié)調(diào)能力及現(xiàn)場解決問題的能力。圖2所示為制作的二極管光電探測器在紫外光（350 nm）和可見光（600 nm）照射下的電流-電壓特性圖。由圖可知，所制得的光電二極管滿足二極管的伏安特性。圖3所示為制作的光電二極管探測性能。由圖可知，在紫外光照射下，該二極管探測器獲得的光電流約為65μA／cm2，在可見光600 nm的光照下，獲得光電流約為160μA／cm2，因而該探測器對紫外光和可見光具有明顯的探測性能。

2.3.6 實驗教學(xué)實踐效果

在項目的整個實踐過程中，是以學(xué)生為主體、主動學(xué)習(xí)的過程。通過選定的教學(xué)項目，學(xué)生組隊完成項目的全部過程，包括資料搜集、方案設(shè)計及項目完成和展示。因而這種以CDIO模式的綜合訓(xùn)練項目不僅鍛煉了學(xué)生的實際操作能力，拓展了他們所學(xué)的理論知識，而且也提高了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作能力、解決實際問題能力和綜合創(chuàng)新能力。

圖2 學(xué)生制作的光電二極管電流電壓特性

圖3 學(xué)生制作的光電二極管光電流隨時間變化曲線

3 結(jié) 語

電子制作實驗課程作為銜接理論知識與實際動手能力的重要橋梁，其教學(xué)模式和內(nèi)容至關(guān)重要。從學(xué)校實際出發(fā)，采用CDIO工程教育模式，改革了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，以具體項目為載體，讓學(xué)生在具體項目完成的過程中將所學(xué)的各個知識點融會貫通，靈活運用，不僅拓展了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生發(fā)掘和解決實際工程問題的能力，而且也大大提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動手實踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力以及交流溝通能力。因而，通過這種教學(xué)模式或者理念的滲透和貫徹，可以有效提升畢業(yè)生的就業(yè)競爭力，并實現(xiàn)信息類專業(yè)人才培養(yǎng)與企業(yè)實際用人需求的無縫對接。