李辰 舒睿 劉貴杰

摘? ? 要：隨著電子技術的快速發(fā)展和其在各個領域的不斷滲透，工科專業(yè)學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。針對傳統(tǒng)電工電子實訓存在的相關問題，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”電工電子實訓模式，旨在通過基礎層、綜合層和創(chuàng)新層的訓練方式，進一步增強學生對電工電子技術的認識，提升其綜合能力。

關鍵詞：電工電子;CDIO工程教育理念;“三層次”實訓模式

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

一、引言

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

二、電工電子實訓教學存在的問題

電工電子實訓是對電類及非電類工科學生進行綜合能力培養(yǎng)的實踐教學，既是學生基本技能和工藝知識的入門向導，又是創(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)電工電子實訓教學內(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，這種教學模式存在很多問題。

（一）實訓內(nèi)容單一，不具有遞進性和漸進性

電工電子實訓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)學生動手實踐能力及解決實際問題能力的目標。然而，傳統(tǒng)實訓在實施時往往簡單、直接且單一，并沒有根據(jù)學生的專業(yè)背景、學科知識特點和認知能力等擬定出具有針對性的訓練模式，這使得學生在參加實訓時產(chǎn)生跨度大、階梯性強的感覺，而缺乏遞進性和漸進性的學習方式，導致學生學習興趣降低，極大阻礙實訓目標的完成[9]。

（二）實訓模式固化，缺乏靈活性和創(chuàng)新性

高校電工電子實訓往往承擔著全校理工科專業(yè)，以及部分文科專業(yè)的實訓教學任務，但不同專業(yè)對于電工電子方面的理論教學目標存在較大差異。實訓模式固化易導致參加實訓的學生對于相關理論知識的理解深淺不一，如電子類專業(yè)學生會認為該實訓內(nèi)容較為簡單，且偏向動手操作，而機械類專業(yè)學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)實訓模式難以做到因材施教，不利于激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

（三）實訓內(nèi)容側重模仿式操作，以驗證實驗為主

在傳統(tǒng)實訓過程中，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)助學生解決遇到的焊接或驗證問題。但作者在實訓過程中發(fā)現(xiàn)，部分學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予以解決，甚至索性不解決，這顯然不利于培養(yǎng)學生的實操能力。究其原因，部分學生事先并沒有進行電路板設計，只是在成品上焊接組裝，缺乏整體把握和完整的認識，僅僅側重于功能驗證，造成學生出現(xiàn)“只是模仿操作而不進行深入思考”、參與度低等問題。

（四）實訓內(nèi)容較為傳統(tǒng)，缺乏對新技術的引入

創(chuàng)新思維和新技術是一對“孿生兄弟”，二者彼此交互、彼此促進：創(chuàng)新思維推動新技術的產(chǎn)生和發(fā)展，而新技術又會增強人們的創(chuàng)新思維。如半導體收音機這類產(chǎn)品的焊接訓練雖然十分經(jīng)典，也涉及諸多基礎電路，如檢波電路、增益電路和功率放大電路等，但從應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，教師應在實訓過程中適當引入，主要使學生了解新技術發(fā)展脈絡，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，進一步鍛煉其發(fā)散思維，提升其解決復雜、綜合問題的能力。

三、基于CDIO理念的“三層次”實訓教學探究

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的“三層次”教學模式。

（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，即構思能力、設計能力、實現(xiàn)能力和運行能力，給出了12條操作性強和適應性廣的標準，如一體化教學計劃、工程實踐場所、主動學習和綜合性學習經(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工程教育理念以學生為中心，提供了“由點及線到面至體”的結構層次序列，旨在通過系統(tǒng)的培養(yǎng)模式提升學生全方位的能力。從產(chǎn)品構思到運行為整個周期，讓學生在全周期里，通過主動探究、實踐操作、有機融合的方式來了解工程、認識工程，從而實現(xiàn)基礎知識、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教學中的應用過程（表1）。

通過分析上述教學流程不難發(fā)現(xiàn)，結合CDIO工程教學理念，教師可以為學生提供一套項目化、系統(tǒng)化和一體化的實訓學習流程。學生在該過程中，可以體會并認識到一個簡易系統(tǒng)從設計需求端起始，經(jīng)過設計、制作、功能驗證的中間過程，最終到成品的全流程。如學生通過需求分析可以有針對性地尋找設計要素并擬定設計變量，結合仿真分析策略，能夠更加有效地建立起設計端和制作端的聯(lián)系，預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計制造的基本流程，可以幫助學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效果，同時，為了更好地解決電工電子實訓教學中存在的問題，教師還需基于CDIO工程教育理念，結合電工電子實訓特點予以具體實施和改進。

（二）“三層次”實訓教學模式探究

在CDIO工程教育理念的指導下，以解決當前電工電子實訓教學中存在的問題為目標，作者提出了基于CDIO工程教育理念的面向電工電子實訓的“三層次”實訓教學模式（圖1）。

作者根據(jù)知識體系與能力要求，將實訓內(nèi)容分為3個層次：基礎層、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，也是促進學生能力不斷提升的過程。其中，基礎層主要是基本技能、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。該層次的實訓內(nèi)容聚焦學生運行和操作能力的提升，側重于動手實踐，同時，該層次是CDIO工程教育理念的基礎。綜合層是培養(yǎng)學生的實現(xiàn)和制作能力，是基礎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)新層側重于實現(xiàn)完整項目，為此，實訓課程構建了項目式實踐教學環(huán)節(jié)（圖2），門禁系統(tǒng)教學實踐流程是該層次的一個具體實例。

各環(huán)節(jié)有機結合，相互配合，實訓教學過程從簡單到復雜，從基礎到綜合，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，實訓內(nèi)容逐步積累、深化和提高。

四、實訓教學實踐及教學效果

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

基礎層的訓練耗時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練，即可完成第1天實踐任務;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)生器等儀器設備的使用方法。第3天進入綜合層的訓練，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，適合進行訓練;教師在講述基本原理后，即可指導學生完成焊接，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知。第5天進入本次實訓的關鍵環(huán)節(jié)，即創(chuàng)新層的訓練，此處選擇51單片機最小電路系統(tǒng)作為分析對象，組內(nèi)學生自行查閱資料，利用Multisim進行仿真，同時，利用達林頓驅動管，設計步進電機驅動電路;第6天依據(jù)設計電路，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、調(diào)速和換向;第7天進行小組答辯，闡述和總結設計原理和實施思路。

在實訓過程中，相對于傳統(tǒng)實訓方式，學生能夠更加有效地融入該過程，特別是在創(chuàng)新訓練方面，與之前僅僅焊接收音機的實訓內(nèi)容相比，學生詢問的內(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動”，以及“步進電機的控制原理是什么”等。學生在思維方式上已經(jīng)不再過分在意基礎的操作技能，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習，從而使其能力獲得了本質上的提升，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、結束語

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

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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，中國海洋大學工程訓練中心助教，研究方向為電工電子教學。

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