李辰 舒睿 劉貴杰

摘? ? 要：隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展和其在各個領(lǐng)域的不斷滲透，工科專業(yè)學(xué)生除了要掌握好本專業(yè)的知識以外，還要努力掌握好電工電子技術(shù)。針對傳統(tǒng)電工電子實訓(xùn)存在的相關(guān)問題，在CDIO（Conceive、Design、Implement and Operate）工程教育理念的支持下，文章提出了“三層次”電工電子實訓(xùn)模式，旨在通過基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層的訓(xùn)練方式，進一步增強學(xué)生對電工電子技術(shù)的認(rèn)識，提升其綜合能力。

關(guān)鍵詞：電工電子;CDIO工程教育理念;“三層次”實訓(xùn)模式

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）10-0063-03

一、引言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和其在各個行業(yè)的不斷滲透，其應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。為了培養(yǎng)高素質(zhì)的電工電子應(yīng)用型人才，電工電子實訓(xùn)已成為高等工科教育必要的實踐環(huán)節(jié)之一 [1-3]。電工電子實訓(xùn)是理論與實踐相結(jié)合，專業(yè)知識與綜合運用相結(jié)合，設(shè)計與驗證相結(jié)合的教學(xué)組織形式[4-6]，對學(xué)生工程應(yīng)用能力、解決技術(shù)問題能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以及綜合素質(zhì)的提升至關(guān)重要。目前，我國技能型人才緊缺問題日益嚴(yán)重，因此，高校應(yīng)重視技能型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。如何在實訓(xùn)教學(xué)中改善教學(xué)效果，提高學(xué)生工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力已成為實訓(xùn)教學(xué)的重大研究課題，因此，實訓(xùn)教學(xué)模式改革意義重大。

二、電工電子實訓(xùn)教學(xué)存在的問題

電工電子實訓(xùn)是對電類及非電類工科學(xué)生進行綜合能力培養(yǎng)的實踐教學(xué)，既是學(xué)生基本技能和工藝知識的入門向?qū)?，又是?chuàng)新實踐的開始和創(chuàng)新精神的啟蒙[7-8]。但多數(shù)高校的傳統(tǒng)電工電子實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容一般是焊接組裝成套電子產(chǎn)品，即直接在電路板上焊接元器件，并測試其功能，這種教學(xué)模式存在很多問題。

（一）實訓(xùn)內(nèi)容單一，不具有遞進性和漸進性

電工電子實訓(xùn)旨在通過焊接元器件得到物理電路，并利用功能測試和驗證實驗，達到培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力及解決實際問題能力的目標(biāo)。然而，傳統(tǒng)實訓(xùn)在實施時往往簡單、直接且單一，并沒有根據(jù)學(xué)生的專業(yè)背景、學(xué)科知識特點和認(rèn)知能力等擬定出具有針對性的訓(xùn)練模式，這使得學(xué)生在參加實訓(xùn)時產(chǎn)生跨度大、階梯性強的感覺，而缺乏遞進性和漸進性的學(xué)習(xí)方式，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣降低，極大阻礙實訓(xùn)目標(biāo)的完成[9]。

（二）實訓(xùn)模式固化，缺乏靈活性和創(chuàng)新性

高校電工電子實訓(xùn)往往承擔(dān)著全校理工科專業(yè)，以及部分文科專業(yè)的實訓(xùn)教學(xué)任務(wù)，但不同專業(yè)對于電工電子方面的理論教學(xué)目標(biāo)存在較大差異。實訓(xùn)模式固化易導(dǎo)致參加實訓(xùn)的學(xué)生對于相關(guān)理論知識的理解深淺不一，如電子類專業(yè)學(xué)生會認(rèn)為該實訓(xùn)內(nèi)容較為簡單，且偏向動手操作，而機械類專業(yè)學(xué)生由于對此部分理論的理解不深，只能“依葫蘆畫瓢”地做一遍，缺乏深入思考?？傊?，由于專業(yè)的差異性，傳統(tǒng)實訓(xùn)模式難以做到因材施教，不利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

（三）實訓(xùn)內(nèi)容側(cè)重模仿式操作，以驗證實驗為主

在傳統(tǒng)實訓(xùn)過程中，一般流程為：教師講解待焊接電路原理，闡述焊接要點，指明注意事項，演示焊接流程;學(xué)生按照電路圖，逐個選取元器件完成焊接，并進行功能驗證和測試。期間，教師協(xié)助學(xué)生解決遇到的焊接或驗證問題。但作者在實訓(xùn)過程中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生采取模仿操作的方式，根據(jù)圖紙依樣焊接，遇到問題不自行思考，而是直接咨詢教師或周圍的同學(xué)予以解決，甚至索性不解決，這顯然不利于培養(yǎng)學(xué)生的實操能力。究其原因，部分學(xué)生事先并沒有進行電路板設(shè)計，只是在成品上焊接組裝，缺乏整體把握和完整的認(rèn)識，僅僅側(cè)重于功能驗證，造成學(xué)生出現(xiàn)“只是模仿操作而不進行深入思考”、參與度低等問題。

（四）實訓(xùn)內(nèi)容較為傳統(tǒng)，缺乏對新技術(shù)的引入

創(chuàng)新思維和新技術(shù)是一對“孿生兄弟”，二者彼此交互、彼此促進：創(chuàng)新思維推動新技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，而新技術(shù)又會增強人們的創(chuàng)新思維。如半導(dǎo)體收音機這類產(chǎn)品的焊接訓(xùn)練雖然十分經(jīng)典，也涉及諸多基礎(chǔ)電路，如檢波電路、增益電路和功率放大電路等，但從應(yīng)用角度和市場角度出發(fā)，此類產(chǎn)品占有率已經(jīng)相對較少，取而代之的是STM32、飛思卡爾單片機和Arduino開發(fā)板等。因此，教師應(yīng)在實訓(xùn)過程中適當(dāng)引入，主要使學(xué)生了解新技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，進一步鍛煉其發(fā)散思維，提升其解決復(fù)雜、綜合問題的能力。

三、基于CDIO理念的“三層次”實訓(xùn)教學(xué)探究

針對上述問題，文章基于CDIO工程教育理念，提出了面向電工電子實訓(xùn)的“三層次”教學(xué)模式。

（一）CDIO工程教育理念

CDIO工程教育理念涵蓋4個不同的能力層次，即構(gòu)思能力、設(shè)計能力、實現(xiàn)能力和運行能力，給出了12條操作性強和適應(yīng)性廣的標(biāo)準(zhǔn)，如一體化教學(xué)計劃、工程實踐場所、主動學(xué)習(xí)和綜合性學(xué)習(xí)經(jīng)驗等，對整個理念的實行和驗證做了全面系統(tǒng)的指引[10]。CDIO工程教育理念以學(xué)生為中心，提供了“由點及線到面至體”的結(jié)構(gòu)層次序列，旨在通過系統(tǒng)的培養(yǎng)模式提升學(xué)生全方位的能力。從產(chǎn)品構(gòu)思到運行為整個周期，讓學(xué)生在全周期里，通過主動探究、實踐操作、有機融合的方式來了解工程、認(rèn)識工程，從而實現(xiàn)基礎(chǔ)知識、個人能力、團隊協(xié)作能力及工程系統(tǒng)能力4個層面的全方位提升。

下面以“門禁自動控制系統(tǒng)”為例，闡述CDIO工程教育理念在電工電子實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用過程（表1）。

通過分析上述教學(xué)流程不難發(fā)現(xiàn)，結(jié)合CDIO工程教學(xué)理念，教師可以為學(xué)生提供一套項目化、系統(tǒng)化和一體化的實訓(xùn)學(xué)習(xí)流程。學(xué)生在該過程中，可以體會并認(rèn)識到一個簡易系統(tǒng)從設(shè)計需求端起始，經(jīng)過設(shè)計、制作、功能驗證的中間過程，最終到成品的全流程。如學(xué)生通過需求分析可以有針對性地尋找設(shè)計要素并擬定設(shè)計變量，結(jié)合仿真分析策略，能夠更加有效地建立起設(shè)計端和制作端的聯(lián)系，預(yù)先排除制作過程中的部分問題，以提升制作效率。該方式是目前實際設(shè)計制造的基本流程，可以幫助學(xué)生建立起理論知識與生產(chǎn)實際間的聯(lián)系。

利用CDIO工程教育理念可以顯著提升實訓(xùn)效果，同時，為了更好地解決電工電子實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題，教師還需基于CDIO工程教育理念，結(jié)合電工電子實訓(xùn)特點予以具體實施和改進。

（二）“三層次”實訓(xùn)教學(xué)模式探究

在CDIO工程教育理念的指導(dǎo)下，以解決當(dāng)前電工電子實訓(xùn)教學(xué)中存在的問題為目標(biāo)，作者提出了基于CDIO工程教育理念的面向電工電子實訓(xùn)的“三層次”實訓(xùn)教學(xué)模式（圖1）。

作者根據(jù)知識體系與能力要求，將實訓(xùn)內(nèi)容分為3個層次：基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層，3個層次既是知識循序漸進掌握的過程，也是促進學(xué)生能力不斷提升的過程。其中，基礎(chǔ)層主要是基本技能、方法的掌握，包括基本元器件（電阻、二極管等）的測量與檢測、手工焊接與拆焊方法、常用儀器儀表（萬用表、示波器等）的使用方法等。該層次的實訓(xùn)內(nèi)容聚焦學(xué)生運行和操作能力的提升，側(cè)重于動手實踐，同時，該層次是CDIO工程教育理念的基礎(chǔ)。綜合層是培養(yǎng)學(xué)生的實現(xiàn)和制作能力，是基礎(chǔ)層的進一步延伸及面向創(chuàng)新層的銜接，通過裝配和調(diào)試收音機或單片機等綜合性較強的電子產(chǎn)品，掌握裝配、調(diào)試和故障排除的基本過程與方法。創(chuàng)新層側(cè)重于實現(xiàn)完整項目，為此，實訓(xùn)課程構(gòu)建了項目式實踐教學(xué)環(huán)節(jié)（圖2），門禁系統(tǒng)教學(xué)實踐流程是該層次的一個具體實例。

各環(huán)節(jié)有機結(jié)合，相互配合，實訓(xùn)教學(xué)過程從簡單到復(fù)雜，從基礎(chǔ)到綜合，從接受基本知識和基本技能到培養(yǎng)綜合能力再到提升創(chuàng)新實踐能力，實訓(xùn)內(nèi)容逐步積累、深化和提高。

四、實訓(xùn)教學(xué)實踐及教學(xué)效果

作者依托中國海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心展開電工電子實訓(xùn)，涉及7個專業(yè)，大部分專業(yè)進行為期1周的實訓(xùn)。現(xiàn)以機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)為例，對實訓(xùn)教學(xué)實踐和教學(xué)效果展開說明和論述。

基礎(chǔ)層的訓(xùn)練耗時2天，在對電阻、電感、電容、集成電路及電源模塊等基本器件介紹后，進行上述器件的焊接訓(xùn)練，即可完成第1天實踐任務(wù);第2天選擇簡易電路，如跑馬燈和定時器等，進行焊接并測試，同時講解示波器、可編程電源和信號發(fā)生器等儀器設(shè)備的使用方法。第3天進入綜合層的訓(xùn)練，選擇51單片機這種具有較強通用性和含有相對較新技術(shù)的器件作為實踐對象，由于該器件電路原理較為簡單，適合進行訓(xùn)練;教師在講述基本原理后，即可指導(dǎo)學(xué)生完成焊接，在第4天，通過流水燈、繼電器和蜂鳴器的實驗和測試，建立對51單片機功能的形象認(rèn)知。第5天進入本次實訓(xùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即創(chuàng)新層的訓(xùn)練，此處選擇51單片機最小電路系統(tǒng)作為分析對象，組內(nèi)學(xué)生自行查閱資料，利用Multisim進行仿真，同時，利用達林頓驅(qū)動管，設(shè)計步進電機驅(qū)動電路;第6天依據(jù)設(shè)計電路，利用面包板完成電路搭建，進行功能測試，即驗證步進電機能夠正常旋轉(zhuǎn)、調(diào)速和換向;第7天進行小組答辯，闡述和總結(jié)設(shè)計原理和實施思路。

在實訓(xùn)過程中，相對于傳統(tǒng)實訓(xùn)方式，學(xué)生能夠更加有效地融入該過程，特別是在創(chuàng)新訓(xùn)練方面，與之前僅僅焊接收音機的實訓(xùn)內(nèi)容相比，學(xué)生詢問的內(nèi)容由“某個元器件怎么焊接”“收音機為何不發(fā)出聲音”轉(zhuǎn)向了“最小系統(tǒng)的基本原理是什么”“步進電機為何要通過達林頓管驅(qū)動”，以及“步進電機的控制原理是什么”等。學(xué)生在思維方式上已經(jīng)不再過分在意基礎(chǔ)的操作技能，而是在思考所面對器件的基本原理，脫離了之前單純的模仿式學(xué)習(xí)，從而使其能力獲得了本質(zhì)上的提升，十分有助于激發(fā)其創(chuàng)新思維。除此之外，各組的PPT匯報也提高了組員的協(xié)同能力、展示能力和匯報能力等。

五、結(jié)束語

文章基于CDIO工程教育理念，提出了一種包含基礎(chǔ)層、綜合層和創(chuàng)新層的“三層次”電工電子實訓(xùn)模式，分析了該模式的關(guān)鍵組成要素，給出了實施步驟，在實訓(xùn)過程中提出了改進策略，并進行了效果論述，結(jié)果表明，該思路和策略能夠達到更好的實訓(xùn)效果。

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收稿日期：2022-11-16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期：2023-03-05

作者簡介：李辰（1988—），女，山東濰坊人，中國海洋大學(xué)工程訓(xùn)練中心助教，研究方向為電工電子教學(xué)。

基金項目：2022年山東省本科教學(xué)改革研究重點項目“面向新工科的‘三觀協(xié)同現(xiàn)代化實踐育人體系建構(gòu)與實踐”（Z2022195）;2022年度中國海洋大學(xué)本科教育教學(xué)研究一般項目“基于CDIO工程教育理念的電工電子實訓(xùn)項目開發(fā)與實踐”（2022JY190）;2021年度中國海洋大學(xué)本科教研重點項目“新工科背景下工程實訓(xùn)教學(xué)模式及體系構(gòu)建與實踐”（2021ZD12）