CDIO模式下电子系统课程设计研究与实践

2019-08-25 版权声明 举报文章

CDIO模式下电子系统课程设计研究与实践

摘要:通过分析“电子系统课程设计”教学中存在的问题,阐述基于CDIO工程教育模式下的“电子系统课程设计”教学改革和实践,提出了该实践课程教学改革的具体措施,培养学生的综合实践和创新能力,从而构建了新的“电子系统课程设计”实践教学模式。实践表明,此课程设计模式避免了重理论轻实践、人才培养观念滞后、高等教育与社会需求脱节等问题,并在短期内整合了学生所学的知识,提高了学生的综合能力。

关键词:电子系统课程设计;CDIO;实践教学;教学改革

作者简介:梁毓明(1977-),男,壮族,广西来宾人,江西理工大学电气工程与自动化学院,讲师;梁礼明(1967-),男,江西吉安人,江西理工大学电气工程与自动化学院,副教授。(江西赣州341000)

基金项目:本文系江西省教改基金资助项目(项目编号:JXJG-10-6-22、JXJG-11-6-8)、江西省卓越人才培养计划和江西理工大学校级教改基金资助项目(项目编号:LGJG-10-6-67)的阶段性研究成果。

中图分类号:G642.0     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2012)09-0063-02

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的最新成果,也是目前我国高校工程教育领域的研究热点。CDIO中各个字母分别代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)。它是以从产品研发到产品运行的生命周期为载体,让学生以积极主动的、综合实践的、课程之间有机联系的方式学习,培养学生的工程实践能力、职业道德和诚信,从而使培养出的大学毕业生具备卓越工程师的职业道德、正直和富有责任感。这是使工程师在越来越依赖于复杂技术系统的环境中保持高效、创新和卓越所必需的。江西理工大学作为教育部“卓越工程师培养计划”第二批试点高校,并获江西省教育厅立项资助,在“电子系统课程设计”实践教学改革中,我们从学校实际情况出发,以CDIO工程教育模式为导向,以培养卓越工程师为目标,对该课程设计的实践教学方法进行了改革。

一、“电子系统课程设计”传统实践教学方法的不足

以往的“电子系统课程设计”实践教学都是以MCS-51系列单片机主导的软件编程为设计题目。MCS-51系列单片机是国内应用最广泛的8位微处理器,也是国内单片机教科书中的主体内容。以MCS-51系列单片机为主体的电子系统作为课程设计的主体内容是有一定道理,并且在以前确实取得过较好的教学效果。但是,随着科学技术和工程技术的不断发展,电子技术发展日新月异,特别是各种基于不同架构的微处理器不断发展及其芯片的推出,使得先前的设计方法和设计思路无法满足现代企业对工程技术人员更高的需求,这迫使高等教育的课程体系也要不断改革以适应社会的发展。

首先,在内容安排上,传统的课程设计指导书详细讲解了MCS-51单片机系统硬件设计和软件设计的思路及其设计步骤,而且设计内容单一,过于程式化,学生只要依葫芦画瓢、按部就班即可,这种教学方法很容易使学生的学习形成思维定势,不利于发挥学生的特长和创新能力,从而无法体现学生的个性和激发学生的积极性,从根本上制约了学生创造力的发挥。随着技术的发展,各种功能强大的单片机不断涌现,特别是32位基于ARM Cortex-M0/M3的微处理器功能强大,并且有取代传统8位单片机的趋势。从这种意义上讲,以MCS-51系列单片机为主体的系统设计不仅谈不上创新,也不能算是真正意义上的设计,充其量是重复一个过时的大作业罢了。因此,以MCS-51单片机为课程设计的主体内容,限制甚至扼杀了学生接受新技术的机会,不能适应当前素质教育的大形势。

其次,传统课程设计布置题目是安排在理论教学完成之后,要求学生在学期末两周内完成。期间可能有些课程期末考试将会与课程设计的时间相冲突。这使学生没有充足的时间用于课程设计,很多问题都来不及思考就在匆忙中完成课程设计。在设计方法上采用Protel软件设计和绘制原理图,再在实验平台上进行连线,通过Keil C51环境进行编程和编译,最后下载到实验平台上的单片机进行调试,这种方法让学生难以全面地想象出电子产品设计的整个流程,导致学生看不到自己设计出的实物样品而缺乏乐趣。

再次,长期以来大多数院校都是在“电子工艺实习”实践教学完成一年后才开始设置“电子系统课程设计”实践教学的。在“电子工艺实习”电子产品制作(实际上大多数都是买来现成的收音机电路板,然后让学生焊接元件和调试)中,学生对模拟电路、电路基础都得到了较好的训练;在“电子系统课程设计”实践教学中的单片机系统设计中,学生对数字电路和软件编程得到了训练。但是两门课程开课时间间隔过长,而且它们之间没有建立必要的对接点以形成一个有机的整体。其最大弊端是在开完模拟电路、数字电路、电路基础、单片机原理、C语言等系列课程之后,学生缺乏对现代电子产品从设计到制作这一完整过程的掌握。

二、基于CDIO模式的课程设计实践教学改革措施

1.以面向工程为导向、以项目驱动为手段,激发学生的学习兴趣

以前课程设计的题目设计内容单一、过于程式化,大多是几个实现单一功能的实验叠加起来,与实际的工程项目相差甚远。以面向工程为导向、以项目驱动为手段就是将学生的学习活动与实际的工程项目研发相结合,每个项目组织几个学生以团队合作的方式实施一个完整的“项目”而逐步深入、全面展开教学活动,以此探究问题和解决问题,从而提高学生的学习积极性,进而树立他们的信心和培养他们的创新能力。

在“电子系统课程设计”实践教学模式中,关键是题目内容的设计合理与否,它将直接影响到实践教学效果。因此,指导该课程设计的教师最好具有实际工程实践经历,而且在设计题目内容时应紧扣实践教学内容,以创新能力培养为出发点,结合实际的电子产品研发过程,结合大学生电子竞赛题目的考核要求拟订合适的题目。一般遵循以下原则设计题目:一是实用性。所涉及的理论知识具有较强应用价值,并能与实际技能训练紧密结合,让学生学以致用。二是可行性。选择学生易理解、感兴趣的题目,尽量贴近企业工程项目,其实施过程与实际科研项目有众多相似之处,从而激发学生的学习积极性。三是难度适中。题目难度过大会导致部分学生对课程设计望而生畏,无法取得预期的教学效果;难度过小则会影响部分学生的学习热情和积极性,达不到课程设计的要求。四是综合性。注重理论联系实际,注意与其他机电、电气、信息类课程的专业知识融合,进一步提高学生的综合能力。

2.课程设计题目工程项目化,树立统筹工程概念

从模拟电路设计到数字电路设计、硬件设计到软件设计,对学生进行系统的训练,使学生具有整体设计思想;从产品设计的全过程出发,以工程项目为主线,编排课程设计的内容具有完整性、系统性和综合性。课程设计的选题应具有工程项目化、内容多样化,设计要求具有挑战性,而且均具备从模拟电路到数字电路的硬件设计和软件设计,以满足不同学生的兴趣,将传统的设计由单纯模仿型变为思考与实践综合型。可以通过多种途径有效搜集课程设计题目。例如:以指导教师的科研项目拟订合适的题目,或通过学校与周立功单片机有限责任公司、南昌瑞林工程技术有限公司建立的校企合作关系去了解企业的需求,并将他们急需解决的科研项目引入到课程设计中。允许并鼓励学生根据经验和特长自己拟题。此外,也可以寻找一些与历年全国和各省市的大学生电子竞赛主题合适的题目作为课程设计题目。依据上述要求设计的题目具有了明确的设计要求,使学生积极投入课程设计,课程设计实践教学效果显著。

3.以先分散再集中的模式布置设计任务,培养学生独立思考与综合实践的能力

以往的课程设计是集中在两周内完成的,导致存在突出的矛盾:设计内容多与设计时间紧张。先分散再集中的课程设计方式可以有效解决这一矛盾。将传统的集中式课程设计变为分散模式就是将课程设计内容与理论教学并行实施,设计原理、设计方案和软硬件设计方法与理论教学同步实施,最后集中时间制作、调试各个模块并组合形成完整的样机加以调试。在理论教学的同时,以课外作业形式完成信号放大电路、滤波电路、单片机最小系统、传感器信号采集电路等各个模块的设计原理、软硬件设计方案,从而让学生积极、主动地学习并有充分的时间进行创新性设计,指导老师对各个环节进行监督和指导。这种教学方式给学生充分的时间进行思考和设计,也给指导老师充足的时间进行指导。理论教学与课程设计实践教学融合进行的教学方式使实践教学与理论教学环环相扣、互相呼应,从而真正实现课程教学的有机统一。

4.利用电子EDA技术,提高学生的创新能力

随着计算机技术和电子技术的迅速发展,电子产品从设计到制造已进入数字化时代,各种计算机辅助设计层出不穷。在“电子系统课程设计”中,将电子EDA工具中的Proteus软件代替传统的采用Protel软件设计绘制电路与PCB以及用Multisim软件仿真电路是课程设计改革的一个重点,将电路仿真分析和设计、PCB设计在Proteus软件+Keil C51环境下进行设计与实现。现阶段许多学生选用传统Protel软件绘制电路原理图和设计PCB,用Multisim软件仿真电路,用Keil C51对单片机进行编程。对于学生来说,设计一个电子产品需要跨越的软件平台有点多了,降低了学生的学习和设计效率,不利于学生设计能力和创新意识的培养。Proteus软件具备数模混合仿真、单片机仿真、ARM7仿真功能以及PCB设计功能。采用Proteus软件工具可拓宽学生创造设计能力的培养,也是软件发展多样化的需要。学生应用该软件和Keil C51进行电子产品设计所花的时间只有以前的一半,显著提高了设计效率。在今年江西省Proteus + Keil C51电子设计大赛中,有的学校派不出参赛学生,而江西理工大学派出了阵容强大的参赛队伍并获得了优异的成绩。

5.重视课程设计的答辩和总结,培养学生团队合作意识

要肯定学生的设计成果就务必要重视课程设计的答辩。实施课程设计答辩是学生间、师生间最有效的交流方式,是指导老师检查课程设计效果好与差的有效手段。通过答辩可以发现课程设计过程中一些共性问题并对这些问题进行集中答疑,以使学生加深印象。同时,通过对学生进行答辩,也可以锻炼学生的口头表达与即时分析能力,让学生掌握设计中的各个细节问题。

课程设计总结报告同样可以反映出学生的设计思想、技术方案和设计步骤。要求学生的毕业设计论文写出完整的课程设计报告,认真总结和剖析设计过程中存在的问题,并写出设计心得或体会。指导老师也要对整个课程设计教学过程进行分析和总结,不仅要肯定好的一面,也要指出不足之处,并尽可能给出一些相应的改进措施。通过对课程设计的答辩和总结,可使学生发现设计过程中未曾考虑到的问题,使指导老师对整个课程设计过程有总体的了解,使得老师和学生都获得更大的收获,从而圆满地达到课程设计的要求与目的。

三、结束语

本文提出的基于CDIO教育模式的“电子系统课程设计”实践教学与传统的课程设计有较大的不同:题目具有一定的开放性,多样化,注重实践过程,并加强对实践结果的总结与合理性分析。课程设计题目较好地融合了“构思―设计―实现―运作”的指导思想,提高了学生通过自己分析、研究、解决实际问题的能力,体现了团队合作精神。要顺利完成基于CDIO的课程设计,不仅要有厚实的基础知识,而且要有良好的沟通能力并具有开拓创新的精神。CDIO是一个新的教育模式,尽管它的历史还很短,但已经显示出了强大的生命力。通过CDIO高等工程教育模式的改革,将会极大增强学生的综合创造能力,提高学生的国际竞争力。

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