基于CDIO工程教育理念的电工电子学课程教学设计与实践

高师理科学刊Journal of Science of Teachers' College and University 第41卷第4期
2021年 4月Vol. 41 No.4Apr. 2021
文章编号：1007-9831（2021 ） 04-0106-05
基于CDIO 工程教育理念的电工电子学
课程教学设计与实践
付少波，何惠英，张淼
（陆军军事交通学院基础部，天津300161 ）
摘要：针对电工电子学课程传统教学模式存在的问题，提出了基于CDIO 工程教育理念的电工电 子学教学模式改革方案.通过重组每个教学模块所涵盖的知识点，设计具有可操作性的驱动项目， 构建了电工电子学CDIO 驱动项目资源库.以小功率音频放大器驱动项目为例，介绍了 CDIO 教 学模式的具体实施过程.教学实践表明，基于CDIO 的工程教育理念的教学模式，既能培养学生 的工程应用思维和工程实践能力，还能加强学生创新能力的培养.
关键词：CDIO ；工程教育理念；驱动项目；电工电子学
中图分类号：TM1：G642.0 文献标识码：A doi ： 10.3969/j.issn.1007-9831.2021.04.023
Teaching design and practice of electrotechnics and electronics course
based on CDIO engineering education concept
FU Shaobo ,HE Huiying , ZHANG Miao
（Department of General Courses ,Army Military Transportation University,Tianjin 300161, China ）
Abstract : In view of the problems existing in the traditional teaching mode of electrotechnics and electronics course , puts forward the construction scheme of teaching mode of electrotechnics and electronics based on CDIO engineering education concept. By reorganizing the knowledge points covered by each teaching module ,the operable projects driven are designed , and the CDIO driving project resource library of electrotechnics and electronics is constructed. Mainly takes the driving project of low-power audio amplifier as an example to introduce the specific implementation process of CDIO teaching mode.The teaching practice shows that the teaching mode of electrotechnics and electronics based on the concept of CDIO can cultivate students r engineering application thinking ,improve their engineering practice ability , and strengthen the cultivation of students r comprehensive ability except their major. Key words : CDIO ; engineering education concept ; project driven ; electrotechnics and electronics
电工电子学是各高等院校针对理工科非电类专业开设的一门重要的专业技术基础课.目前，电工电子 学课程大多采用传统的理论讲授+基础实验的教学模式，教学注重理论分析和基本计算，学生所学的理论 知识与工程实践不能很好地融合，且学生缺乏创造思维和解决实际问题的能力，这与本课程较强的工程性 和实践性特点不相适应.另外，传统的教学偏重于理论计算和理论分析，而实际工程应用常需要在一定范 围内的估算或定性分析，这将导致理论上的系统参数计算、设计选型方法与实际工程应用相脱节.因此， 电工电子学课程教学模式亟待深化改革，探索新的教学模式.
收稿日期：2020-11-15
作者简介：付少波（ 1975-）,男，河北邯郸人，副教授，硕士，从事电路电子教学研究.E-mail ：******************
第4期付少波，等：基于CDIO工程教育理念的电工电子学课程教学设计与实践107 1cdio工程教育理念
近年来，CDIO工程教育理念被我国各大高校在工程教育领域逐步得到认可和推广.CDIO工程教育理念是将构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）融为一体的新型工程教育模式.结合CDIO工程教育理念和电工电子学课程特点，让学生通过类似工程项目的实践训练，使学生充分理解课程间的联系，培养学生的综合运用能力和工程实践能力，并内化为项目运营的能力.基于CDIO的电工电子学课程教学模式改革，以项目为主线组织教学内容和开展教学活动.该教学模式以工程应用为重点，尽量淡化基础理论的难度，基础知识以“必需、够用”为原则，把强调学科知识的完备性与系统性变为注重项目训练的系统性与完整性，让学生在项目设计的过程中学习必要的专业基础知识，训练学生的构思、设计、实现、运行的能力，从而提高学生适应工作环境和技术更新的能力，将“学以致考”变为“学以致用”.
2电工电子学CDIO教学模式改革
2.1电工电子学CDIO教学模式改革万案
基于CDIO的电工电子学教学模式改革方案见图1.
—优化人才培养方案
——重构课程教学设计m构建工程项目资源库
电工电子学课程
CDIO教学模式改革
—制定课程教学计划
——编写课程教案
—探索教学方法
（—教案
—讲稿
—文献查阅T——引入仿真技术T——思政进课堂
图1基于CDIO的电工电子学教学模式改革方案
2.2电工电子学CDIO驱动项目资源库
人才培养方案中各专业的电工电子学课程设置为50学时（理论部分），包括电路基础、模拟电路和数字电路3个教学模块.通过重组每个教学模块所涵盖的知识点，设计具可操作性的驱动项目，并以驱动项目为任务牵引，尽可能全面覆盖所学理论知识，将相关知识点连珠成线，使学员在边做边学的过程中体验工程教育理念并得到实践训练.基于CDIO工程教育理念的电工电子学驱动项目资源库［3七见表1.
表1电工电子学CDIO驱动项目资源库
教学模块章节模块驱动项目教学知识点
电路基础模块直流电路典型电路原理图①电路的基本概念
②基尔霍夫定律
③叠加定理
④2种电源模型的等效互换
⑤戴维宁和诺顿定理
正弦交流电路日光灯电路①正弦量的相量表示法
②单一参数的交流电路
③正弦交流电路的分析
④功率因数的提高
⑤三相电路的分析
模拟电路模块分立放大电路小功率音频放大器①二极管
②三极管
③基本放大电路
④多级放大电路
108高 师 理 科 学 刊第 41 卷
续表
教学模块章节模块
驱动项目教学知识点集成运算放大器温度检测与声光报警电路① 集成运算放大器
② 集成运算放大器的线性应用——③ 集成运算放大器的非线性应用-④ 负反馈
-运算电路
——电压比较器
数字电路模块组合逻辑电路简单三人表决器LED 显示译码器① 数制与编码
② 逻辑代数
③ 逻辑门电路
① 组合逻辑电路的分析和设计
② 加法器
③ 编码器
④ 译码器
时序逻辑电路12进制电子数字钟24进制电子数字钟
① R S 触发器
② J K 触发器
③ D 触发器
① 集成计数器74LS161, 74LS290
② 任意进制计数器电工电子学课程的实践环节包括验证性实验、综合性实验和设计性实验，共计24学时，CDIO 教学体 系巾见图2.
2.3电工电子学CDIO 教学模式实施流程
2.3.1明确项目任务根据课程教学计划，教师提出项目任务的设计要求.
2.3.2设计阶段 学生领取项目任务，查阅文献资料，确定总体设计方案，并在小组内分工合作，分模块 进行电路原理图设计与仿真、器件选型、电路制板、组装与调试.
2.3.3课堂讨论 根据项目进度要求，课堂上各小组按计划进行项目汇报，通过自评和质疑指出存在的问 题，进一步修改完善作品.
针对不同层次学生，教师要全面掌握项目所涉及的教学知识点，并了解相关前沿动态.对学生可能遇 到的问题有所预见，对学习合作过程中可能出现的困难要有能力协调和化解，教师在学生困顿不前时能适 当给予点拨[8].
2.3.4项目验收考核 全程监控每组学生的项目进展状况，最后通过答辩、演示、研讨等方式对项目进行 评价和考核，教师进行点评和小结.
3电工电子学CDIO 教学设计案例
电工电子学中模拟电路模块主要包括分立元件构成的放大电路和集成运算放大器2部分内容[9].对于 分立元件构成的放大电路，主要涉及三极管的元器件特性、不同组态的基本放大电路以及多级放大电路的 分析.综合以上教学知识点，设计了一个简单小功率音频放大器驱动项目.基于CDIO 的工程教育理念， 从构思一设计一实现一运行4个方面的具体实施过程如下
：
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3.1构思——方案认证
3.1.1项目设计要求首先给出设计要求，要求设计一个小功率晶体管音频放大器，其设计指标：（1）源电压增益役＞32dB（40倍）；（2）音频信号源开路输出幅度U s£10mV，频率/=300-15000Hz；（3）音频信号源内阻R s= 10kW；（4）负载阻抗（耳机）R L=30W；（5）输出信号失真度THD£8%；（6）完成原理图设计和PCB板制作，而后进行电路焊接与调试，并对测试结果进行分析.
3.1.2模块化设计思想对于较复杂的电路原理图设计，若一并将整个电路原理图设计出来，对学生来讲比较困难.这时，教师可将整个电路系统根据功能不同划分为若干个子系统，每个子系统对应着相应功能的原理图模块，并分别绘制在多张图样上（子图）；然后定义模块之间的连接关系（母图），这样就可以达到聚零为整的目的，使多张子原理图组合起来构成一个完整的具有特定电气功能的系统.
模块化设计可降低电路设计的复杂度，其特点是化整为零、聚零为整，从而增强原理图的可读性，使电路系统的层次结构更加清晰，从而便于原理图的检查和修改.同时有利于学生之间的分工合作，提高工作效率.
3.1.3电路总体设计根据设计要求，小功率音频放大器的组成结构框图见图3.
图3电路组成结构框图
话筒将声音信号转换成对应的电压信号后作为小功率音频放大器的输入，在直流电源的作用下，经输入级、中间级和输出级共三级放大，驱动耳机，可得到放大的声音信号.各级放大电路的选择：（1）输入级的选择：考虑输入级需要较高的输入电阻，从而提高信号源的工作稳定性，并减小失真的可能性，故采用射极跟随器作为输入级，同时将放大器与信号源之间隔离，提高了放大器的工作稳定性.
（2）中间级的选择：中间级主要是为了获得较高的增益，同时要考虑静态工作点的稳定性，故采用共发射极放大电路的一种—
—分压式偏置放大电路.
（3）输出级的选择：输出级要维持中间级共射放大电路的高增益并减小失真，进行阻抗变换将耳机的低阻抗变为高阻抗，能够获得一定的驱动电流和功率，故采用射极输出器.
3.2设计----电路设计
3.2.1电路原理图设计基于模块化设计思想，分步设计各功能模块的电路原理图，包括电源电路、输入级一射极跟随器、中间级一共发射极放大电路和输出级一射极输出器4部分，其原理图见图
4.
c3
RT1
耳Q唧c4：
输入级射极跟随器
中间级
共发射极放大电路
输出级
射极输出器:
LED
o+Fcc
■|^T3:电源电路
图4
小功率音频放大器电路原理
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3.2.2元器件选择根据设计任务要求，理论计算得到各元器件参数.其中晶体管！；，T2,T3均选择2SC1815型，其放大倍数150,R,=330k W，R2=2k W，R3=18k W，R4»6.5k W，R5=1.8k W，R6»1.3k W，R7»20k W.由经验值，级间耦合电容C，C2，C3可取100;旁路电容C4取值470pF;电解电容C p可取470pF;瓷片电容C p,可取0.01pF.
3.3实现——组装与调试
仿真电路及仿真波形见图5~6,对比仿真结果，满足项目设计要求.
图5仿真电路图6仿真波形
3.4运行——测试结果分析
根据仿真电路，利用Proteus软件设计原理图，制作PCB板，进行焊接并调试，直到电路设计符合设计要求.运
4教学效果
基于CDIO工程教育理念的电工电子学教学模式，以项目为任务牵引，通过方案认证、电路设计、电路仿真和电路实现，使学生的关注点放在分析问题和解决问题上，教学模式得到了学生较大程度的认可，满意度较高.选取2018级350名本科生进行问卷调查，88%的学生认为与传统教学模式相比，基于CDIO 工程教育理念的教学模式更能调动他们的积极性和主动性；92%的学生认为这种教学模式对培养其工程应用思维和工程实践能力作用明显.问卷调查还发现，82%的学生认为课堂教学效果满意度为“高”或“较高”，同时学生也对这种教学模式的改进提出了很好的建议.下一步，将针对现有的教学模式及项目式教学中存在的问题和难点进行探讨和总结，开发基于CDIO工程教育理念的优秀案例，项目实施过程中各环节有序衔接，实现课程理论与工程实践的有机融合，使学生具备电路设计与开发的综合能力[10].
参考文献：
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[2]周晓华，陈祖斌.CDIO理念创新“模拟电子技术”课程教学改革[J].电气电子教学学报，2018(10)：47-51.
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[5]阎石.数字电子技术基础[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.
[6]王树堃.数字电路与逻辑设计[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[7]孙惠英，南余荣.面向新工科的CDIO模式电工电子实验教学改革探索[J].教育教学论坛，2020(9)：385-386.
[8]王波，吴茜琼.CDI O理念SC模式对传统模拟电子技术课程教学模式的突破[J].科技资讯，2016(7)：95-97.
[9]宓茜.基于CDIO模式下模拟电子技术课程教学改革与实践[J].教育现代化，2019(8)：46-47.
[10]程玮玮.CDI O模式下模拟电子技术课程应用型微课教学改革与实践[J].电子制作，2018(12)：45-46.。