陳新兵?謝斌盛?龍曉莉?陳虹

摘要：電工電子實(shí)習(xí)是多數(shù)工科專業(yè)開設(shè)的基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)課程，傳統(tǒng)的技能訓(xùn)練方式已不能適應(yīng)新形勢(shì)下工程人才培養(yǎng)的需要，教學(xué)改革勢(shì)在必行。圍繞能力的培養(yǎng)，從科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容入手，重點(diǎn)介紹了CDIO理念下的實(shí)習(xí)內(nèi)容組織和教學(xué)設(shè)計(jì)，通過模塊化設(shè)計(jì)，將工程案例與實(shí)習(xí)課程具體特點(diǎn)結(jié)合，在保障技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和系統(tǒng)工程能力。

關(guān)鍵詞：實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)；工程教育；CDIO；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）36-0195-02

電工電子實(shí)習(xí)，亦稱電子工藝實(shí)習(xí)，是高校開設(shè)的公共基礎(chǔ)實(shí)訓(xùn)課程，涉及專業(yè)較多，在工科專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要地位。隨著國家的發(fā)展轉(zhuǎn)型，業(yè)界對(duì)人才的需求，已從學(xué)術(shù)型人才轉(zhuǎn)向工程型人才，[1-3]傳統(tǒng)的技能培訓(xùn)模式已不能適應(yīng)新形勢(shì)下人才培養(yǎng)的需要，教學(xué)改革勢(shì)在必行。現(xiàn)代工程教育模式為集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的改革帶來了先進(jìn)理念，[4-6]根據(jù)CDIO理念改革電工電子實(shí)習(xí)平臺(tái)，模塊化的方案設(shè)計(jì)和教學(xué)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，圍繞能力的培養(yǎng)，從科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容入手，結(jié)合項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)法和最新的虛擬仿真技術(shù)，進(jìn)行實(shí)習(xí)內(nèi)容的組織和教學(xué)設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)，將工程案例與實(shí)習(xí)課程具體特點(diǎn)結(jié)合，在保障技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化系統(tǒng)性的工程能力培養(yǎng)，重點(diǎn)提升了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)開發(fā)能力和應(yīng)用創(chuàng)新水平。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)

智能車作為創(chuàng)意機(jī)器人設(shè)計(jì)的參考原型，是高校進(jìn)行跨學(xué)科創(chuàng)新的典型工程案例，也是實(shí)現(xiàn)課賽結(jié)合的理想主題，在各類賽事和學(xué)科創(chuàng)新活動(dòng)中獲得了較多成果。CDIO理念下的電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)改革，將智能車成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，完成教學(xué)適配，[7]以智能車主題貫通實(shí)習(xí)教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，增加了課外自學(xué)內(nèi)容，結(jié)合虛擬仿真開發(fā)技術(shù)，使學(xué)生在實(shí)踐中循序漸進(jìn)，具備安全用電、電子制作、電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用創(chuàng)新的各項(xiàng)能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性的工程能力培養(yǎng)目標(biāo)。教學(xué)設(shè)計(jì)方案見表1，下面從安全用電、電子制作、電子設(shè)計(jì)、進(jìn)階引導(dǎo)四個(gè)方面進(jìn)行介紹。

表1 CDIO理念下的電工電子實(shí)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)習(xí)模塊 主要內(nèi)容 智能車工程案例 能力目標(biāo) 適用范圍

安全用電 用電常識(shí)、用電規(guī)范

照明電路、室內(nèi)配電 電源模塊 安全用電技能

看圖接線能力 必做

動(dòng)力線路、PLC自動(dòng)化 驅(qū)動(dòng)模塊 信息獲取利用能力 選做

電子制作 焊接、調(diào)試、裝配 循跡模塊 電子制作技能

分析解決問題能力 必做

電子設(shè)計(jì) PCB設(shè)計(jì)、制板、焊接、調(diào)試 車燈模塊 設(shè)計(jì)開發(fā)能力 選做

電路仿真、整車調(diào)試 顯示模塊、整車 工程系統(tǒng)能力 電類

進(jìn)階引導(dǎo) 實(shí)習(xí)總結(jié)、擴(kuò)展應(yīng)用、編程 MCU模塊及擴(kuò)展 自主學(xué)習(xí)能力

應(yīng)用創(chuàng)新能力 電類

1.安全用電

學(xué)生具備安全用電常識(shí)和解決日常用電問題的能力，是電工電子實(shí)習(xí)的最低要求。安全用電是工程實(shí)踐的基礎(chǔ)，須克服心理障礙，熟悉用電常識(shí)與操作規(guī)范，防患于未然，主要內(nèi)容有安全用電常識(shí)、常用工具的使用、單相電路、三相電路。需要注意強(qiáng)弱電、交直流的結(jié)合對(duì)照，做好與后續(xù)實(shí)習(xí)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)，融會(huì)貫通，培養(yǎng)學(xué)生的信息獲取與利用能力。

單相電路側(cè)重培養(yǎng)安全用電技能和看圖接線能力，主要內(nèi)容是照明用電和室內(nèi)配電實(shí)訓(xùn)，了解交流市電的使用，在此基礎(chǔ)上加入智能車直流電源課外自學(xué)內(nèi)容。電源作為電子產(chǎn)品系統(tǒng)的供配電部分，是系統(tǒng)調(diào)試和故障多發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域，也是安全用電和電路檢修的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能車電源模塊使用了7.2V電池，對(duì)外供電采用雙電源，7.2V直接為顯示模塊、循跡模塊和驅(qū)動(dòng)模塊供電，變換為5V電壓后為MCU模塊供電，初學(xué)者容易接錯(cuò)電源，造成元器件燒壞或者人體燒傷，須提示安全用電。

三相電路側(cè)重培養(yǎng)看圖接線能力和信息獲取與利用能力，有動(dòng)力用電和PLC自動(dòng)化兩個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，主要內(nèi)容是電機(jī)的繼電控制和PLC電氣自動(dòng)化，在此基礎(chǔ)上通過智能車的驅(qū)動(dòng)模塊了解直流繼電器及直流電機(jī)的控制，了解H橋驅(qū)動(dòng)原理，智能車的驅(qū)動(dòng)模塊用于運(yùn)動(dòng)控制，通過兩路控制信號(hào)分別對(duì)開關(guān)管和繼電器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)而控制速度、晶體管驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)而控制行進(jìn)方向。因?yàn)樵摬糠謱龠x作內(nèi)容，內(nèi)容較多，比較實(shí)用，有助于培養(yǎng)學(xué)生的信息獲取與利用能力。

2.電子制作

學(xué)生具備課外科技制作的能力，是電工電子實(shí)習(xí)的最低培養(yǎng)目標(biāo)。電子制作包含儀器的使用、元器件的識(shí)讀檢測(cè)、焊接工藝、電路調(diào)試和整機(jī)裝配五個(gè)部分。其中儀器的使用和元器件的識(shí)讀要結(jié)合焊接具體電路來教學(xué)，尊重學(xué)生在實(shí)訓(xùn)中的主體地位，邊講邊操作，考慮學(xué)生信息的獲取與利用能力和效率，有的放矢避免泛泛而談。

焊接工藝是電子制作的基本功，主要內(nèi)容有立方體的焊接、萬用板的焊接、印刷電路板的焊接和拆焊練習(xí)，其中立方體的焊接是焊接基礎(chǔ)，采用“準(zhǔn)備-加熱-加錫-去錫-去烙鐵”五步訓(xùn)練法教學(xué)，要求學(xué)生握持烙鐵要穩(wěn)，養(yǎng)成焊前對(duì)烙鐵頭和引腳進(jìn)行預(yù)處理的習(xí)慣，避免虛焊；萬用板的焊接推薦引腳直連法或者用單支線，訓(xùn)練實(shí)例為智能車電源模塊，要求學(xué)生養(yǎng)成“先檢測(cè)，再焊接，焊前預(yù)布局”的習(xí)慣；印刷電路板的焊接訓(xùn)練實(shí)例為智能車循跡模塊，學(xué)生通過印刷電路板的焊接對(duì)PCB結(jié)構(gòu)和標(biāo)識(shí)有一個(gè)初步的了解，為后續(xù)設(shè)計(jì)PCB奠定基礎(chǔ)。

通電調(diào)試前，使用萬用表對(duì)照原理圖檢測(cè)電路，發(fā)現(xiàn)元件焊反或焊錯(cuò)的，須進(jìn)入拆焊環(huán)節(jié)，拆焊可用熱風(fēng)機(jī)或加錫拆焊法，均勻預(yù)熱避免長(zhǎng)時(shí)間加熱某個(gè)焊點(diǎn)，以免焊盤脫落；調(diào)試時(shí)沿電流方向依次檢測(cè)，查找虛焊或問題元件，掌握離線檢測(cè)電路的方法。通過智能車循跡模塊掌握運(yùn)放的典型應(yīng)用和運(yùn)放電路在線調(diào)試的方法，初步具備依據(jù)電路原理進(jìn)行調(diào)試分析與解決問題的能力。電子制作教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生多為初學(xué)者，要求指導(dǎo)老師“多演示、多巡視、多指導(dǎo)、嚴(yán)驗(yàn)收”，拆焊練習(xí)屬于選作內(nèi)容，方便學(xué)有余力的同學(xué)自我提升。

3.電子設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì)是是工程型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵，是電工電子實(shí)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容，直接關(guān)系到培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、設(shè)計(jì)開發(fā)能力和工程系統(tǒng)能力培養(yǎng)質(zhì)量，主要內(nèi)容包含電路仿真、原理圖繪制、電路板設(shè)計(jì)、電路板制作和整車調(diào)試。電路仿真是進(jìn)行電子設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的便捷途徑，學(xué)生通過Multisim電子電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，仿真智能車車燈模塊或顯示模塊，分析電路原理，了解集成運(yùn)放電路典型應(yīng)用與調(diào)試技巧，掌握電路設(shè)計(jì)的可行性仿真分析和虛擬儀器在電路驗(yàn)證中的應(yīng)用，為后續(xù)電路板設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

使用Altium Designer 繪制電路原理圖，或進(jìn)行原理圖修改，是進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)的前提，應(yīng)注意易讀性和效率，學(xué)生在繪制智能車車燈模塊原理圖的過程中，要提前發(fā)放元器件，自然而然地了解軟件界面、元件與封裝。Altium Designer 進(jìn)行PCB電路板設(shè)計(jì)之前，利用前面焊接的循跡模塊PCB成品，使學(xué)生對(duì)PCB電路板有個(gè)感性認(rèn)識(shí)，然后通過剛繪制的車燈模塊原理圖快速上手，初步掌握PCB設(shè)計(jì)流程和使用技巧，布置一些課外內(nèi)容，例如布局原則、布線技巧、批量修改和機(jī)電匹配、幫助學(xué)生迅速掌握軟件[8]，提高自主學(xué)習(xí)能力。

通過熱轉(zhuǎn)印工藝，了解印刷電路板制作流程，每個(gè)環(huán)節(jié)建議設(shè)置簡(jiǎn)短提醒，完成車燈模塊PCB的制作，在讀懂電路原理的基礎(chǔ)上獨(dú)立完成焊接與調(diào)試。

最后是整車調(diào)試環(huán)節(jié)。利用已制作并調(diào)試成功的五個(gè)模塊，配上智能車底座和單片機(jī)最小系統(tǒng)板成品，要求學(xué)生分組完成整車調(diào)試，通過檢測(cè)跑道（或地圖）的黑線來自動(dòng)調(diào)整小車前進(jìn)的方向，使小車不脫離黑線跑完全程，從而實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡，提高學(xué)生的工程系統(tǒng)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，通過對(duì)電子設(shè)計(jì)因果的反思總結(jié)，提高學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

4.進(jìn)階引導(dǎo)

進(jìn)階指導(dǎo)是實(shí)習(xí)課程的課外拓展，是課外創(chuàng)新的新起點(diǎn)。實(shí)習(xí)課程結(jié)束后，進(jìn)行一次完整的梳理總結(jié)，便于知識(shí)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)化，利于后續(xù)的課外創(chuàng)新實(shí)踐。圍繞智能車工程案例，總結(jié)單片機(jī)外圍電路，梳理電子技術(shù)知識(shí)的典型應(yīng)用；科普單片機(jī)編程和控制算法，引導(dǎo)學(xué)生以智能車為原型，進(jìn)行創(chuàng)意智能車/機(jī)器人的擴(kuò)展設(shè)計(jì)與創(chuàng)新，組織學(xué)生參加相關(guān)賽事，提升學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。

二、成效

電工電子實(shí)習(xí)是校級(jí)公共實(shí)踐平臺(tái)，教研組根據(jù)現(xiàn)代工程教育理念，采用“分批次多層次多模塊”的方式，逐步推進(jìn)教學(xué)改革，滿足了各個(gè)專業(yè)的需要。通過模塊化設(shè)計(jì)的智能車，實(shí)現(xiàn)了已學(xué)電子技術(shù)與后續(xù)單片機(jī)課程的對(duì)接；以單片機(jī)外圍電路梳理電子技術(shù)典型應(yīng)用，打通了實(shí)習(xí)教學(xué)各模塊和環(huán)節(jié)，從傳統(tǒng)的技能培養(yǎng)成功過渡到系統(tǒng)性的能力培養(yǎng)，提高了人才培養(yǎng)水平。制作的“電工電子實(shí)習(xí)課件（CDIO版）_跟我學(xué)做智能車”系列課件，在2014校多媒體教育課件大賽中獲獎(jiǎng)，根據(jù)5個(gè)專業(yè)的教學(xué)測(cè)試，以及教學(xué)問卷反饋，完善了教學(xué)設(shè)計(jì)，取得了階段成果。

在此基礎(chǔ)上，探索了課賽結(jié)合教學(xué)模式（圖2）。智能車項(xiàng)目的模塊化設(shè)計(jì)，考慮了與后續(xù)賽事的對(duì)接與關(guān)聯(lián)，預(yù)留了MCU編程、創(chuàng)意設(shè)計(jì)和硬件擴(kuò)展等內(nèi)容，把智能車成功打造為學(xué)生未來工程實(shí)踐的創(chuàng)新起點(diǎn)和參考范例，打通了實(shí)習(xí)與課外創(chuàng)新環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生提前進(jìn)入了課外創(chuàng)新階段，通過組織學(xué)生參加智能車、機(jī)器人和飛行器等賽事，以競(jìng)賽帶動(dòng)學(xué)生參加課外創(chuàng)新活動(dòng)，提高了學(xué)生的工程能力和就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

三、結(jié)論

CDIO理念下的電工電子實(shí)習(xí)，通過模塊化設(shè)計(jì)的智能車項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了以能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)設(shè)計(jì)，適配了各專業(yè)人才培養(yǎng)課程體系，提升了工程人才培養(yǎng)水平；通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用和成果的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)開發(fā)能力和工程系統(tǒng)能力；課賽結(jié)合的探索，打通了實(shí)習(xí)與課外創(chuàng)新實(shí)踐，取得了階段成就，但開支也相應(yīng)加大，如何取得規(guī)模與經(jīng)費(fèi)之間的平衡，例如通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行人才選拔降低耗材消耗等措施，還需要進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧佩華，沈民奮，李升平，等.從CDIO到EIP-CDIO—汕頭大學(xué)工程教育與人才培養(yǎng)模式探索[J].高等工程教育研究，2008，（1）：12-20.

[2]胡志剛.工程型本科人才培養(yǎng)方案及其優(yōu)化—基于CDIO-CMM的理念[J].高等工程教育研究，2010，（6）：20-29.

[3]高林.以工程應(yīng)用能力為主導(dǎo) 提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量[J].中國大學(xué)教學(xué)，2013，（1）：27-29.

[4]曹海平，管圖華.基于CDIO理念的電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，（1）：140-142.

[5]劉琳，蘇寒松，李昌祿.電子工藝實(shí)習(xí)工程教學(xué)改革的探索[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2011，14（2）：63-65.

[6]汪敬華，趙春鋒，王佳，等.引入CDIO工程教育理念的電子實(shí)習(xí)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].中國教育技術(shù)裝備，2012，（10）：132-134.

[7]王照平，王玉巧，彤瑤，等.基于CDIO理念的電子信息類工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].價(jià)值工程，2013，（8）：209-210.

[8]牛耀國，朱朝霞，芮新芳.Altium Designer軟件在印刷電路板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子科技，2011，（8）：128-130.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）