浅谈教学改革基于CDIO“数字电子技术”教学革新初探

论文导读：
摘要：在高等教育的电气工程及其自动化专业中，“数字电子技术”一直以来是一门重要的专业基础课，具有很强的理论性和工程实践性。针对传统“数字电子技术”教学中存在的理论与实践脱节的问题，将近几年新发展起来的CDIO教育理念引入“数字电子技术”的理论教学和实践教学中，通过EDA软件实现了理论教学和实验教学的互补，提高了学生的学习兴趣，使其能够主动学习，实践表明这样的教学改革达到很好的教学效果。
关键字：CDIO；数字电子技术；电气工程及其自动化；EDA；Protel
作者简介：张妤（1980-），女，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学机电工程学院，讲师；白雪冰（1965-），男，黑龙江哈尔滨人，东北林业大学机电工程学院，教授。（黑龙江 哈尔滨 150040）
基金项目：本文系东北林业大学教育研究课题项目（项目编号：DGY2011-01）、东北林业大学重点课程建设项目“数字电子技术”、东北林业大学重点课程建设项目“电机及拖动基础”、东北林业大学教育研究课题（课题编号：DGY2010-10）的研究成果。
1007-0079（2013）26-0053-03
“数字电子技术”是电气工程及其自动化专业教育中的一门重要的专业基础必修课，与其他专业基础课相比，不但具有很强的理论性，而且具有工程实践性。除了要让学生能够扎实掌握基本理论和概念，还要具有分析和设计数字电子技术的能力，最终能够进行常用逻辑电路的设计。所以，随着社会的发展，以及学校规模的扩大，传统的教学方法已经不能适应现代社会对工程人才的需求，因此优化该课程的教学方法，对提高该课程教学质量至关重要。
自从20世纪90年代起，针对工程人才教育质量难以适应社会需要的问题，国外的专家提出了对工程人才教育的改革，其中，CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate）即“构想—设计—实施—操作”，是影响最广泛、接受国家最多的一种教育模式。因而，将CDIO教育理念通过EDA（Electronic Design Automation）软件应用到“数字电子技术”的实际教学当中，用EDA软件构建虚拟的数字电路学习和设计环境，可以实现对基本理论和概念的阐述证明、实现实验教学、进行课程设计等，便于学生们掌握相关知识。
EDA即电子设计自动化，是工程技术人员进行设计、开发和制造过程中最重要的部分。EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果进行电子产品的自动设计。
本文主要是针对传统“数字电子技术”理论教学和实验中的不足，分析了CDIO 教学理念，通过EDA软件的使用，提高了学生的学习兴趣，达到很好的教学效果，同时利于后续相关课程的学习，并为就业后的实际操作能力的源于：论文致谢怎么写www.7ctime.com
培养奠定了基础。

一、传统“数字电子技术”教学方法的不足

目前，我国高等教育的改革热点之一，就是如何培养兼具专业知识和能力素质的创造型工程人才。对于电气工程及其自动化专业的毕业生，更要具备现代化工程环境中成长和生存的团队精神，这已经成为这个新时代赋予高等院校的教育责任。
以往的经验表明，无论国内还是国外，虽然工科高校毕业生毕业时已经学习了很多理论知识，也具备了一定的动手能力，但是在成为真正的工程师之前，还需要培训1～2年的时间。[3]因此，培养学生的工程意识、创新意识是高等工程教育亟待解决的问题。“数字电子技术”的教学更是如此，因其具有较强的工程实践性，更加需要培养学生的工程意识、创新意识。
在理论课教学方面，传统教学方法多采用灌输式、照本宣科式的讲授方法，学生只是认识了一个电子器件的逻辑功能，并不能将其和实际的应用相联系。学生大多数处于一个被动学习的状态，遇到问题发现问题后不能主动学习。
在实验课教学方面，传统教学也有很多不足之处。例如：课程设计中大多采用“自上而下”的方法，用固定功能的芯片设计一个系统。这种方法不够灵活而且效率低，需要的芯片数量品种多、纠错困难。此外，每年千余名学生开设数字电子实验，要投入大量的实验器材和足够的实验场地，而且随着题目的不断更新，要不断补充和更新器材。受到这些因素的制约，通常论文导读：
是一届的学生都做1～2个题目，由于查错困难，学生精力过多花在如何正确连线上，因而会觉得课程枯燥乏味，兴趣索然。此外，实验多为验证性实验，学生大多认为简单不用预习，只是简单观察实验现象。[4]因而，这样的实验不能够培养学生分析问题解决问题的能力，有时甚至会影响到学生们对于这门课程的学习兴趣。
由以上分析可见，传统“数字电子技术”教学方法，已经不能跟上现代社会的发展步伐，不能够激发学生的创造能力，因此改革势在必行。教育创造学生价值，强调知识的运用比知识的拥有更重要。[5]

二、CDIO理念

由美国麻省理工学院等四所工程大学发起，全球23所大学参与，开发出的CDIO理念是一种新型的工程教育模式，其涵盖的四个过程，来源于产品/系统的生命周期过程，涵盖了绝大多数的工程师必要的专业活动。它以制造使用便捷的产品为目标来培养工程师。
Mc Kinsey Global Institute在2005年10月发表的一份报告称，中国2005年毕业的约60万工程技术人才中，适合在国际性公司工作的不到10%。而这其中的原因，其分析为“中国教育系统偏于理论，中国学生几乎没有受到项目和团队工作的实际训练，相比之下欧洲和北美学生以团队方式解决实际问题”。
在法国有200多所工程师学院实行高等工程教育，学生需要经过2年的预科学习后考入学校，在之后的三年里去企业（国内或跨国公司）分别实习一个月、两个月、三个月，共六个月的工业实践时间。毕业后颁发在欧盟和北美有很强权威性的工程师证书，构成了国家、学校、企业、教师和学生五位一体的工程教育培养体系，确保了培养质量。 在我国，2010年中国民航大学召开2010年工作会议上提到，2010年该校将启动人才培养模式改革，以电子信息工程专业为试点开展工程教育CDIO人才培养示范区建设，首次将CDIO改革列入工作计划，并把它把在各项工作的首位。
2010年2月，由教育部CDIO工程教育模式研究与实践课题组试点工作组主办、汕头大学和成都信息工程学院联合承办的“2010年度全国第一次CDIO工程教育模式试点工作会议”在北京召开，39所试点高校共派出近140名代表共同讨论2010年度工作任务与计划，国家第五批高等学校特色专业建设点中的11个CDIO特色专业的负责人，以及教育部高教司理工处代表共同出席了会议。2010年6月，华中科技大学光电学院在光电国家实验室召开“光电器件专业方向CDIO本科培养计划”专题研讨会。
所以，无论在国内还是国外，“数字电子技术”的教学，正向着理论与实际相结合、设计与应用相结合的方向发展，更加注重学生动手能力的培养，从而激发学生的创造能力，为以后的工作奠定坚实的基础。

三、基于CDIO理念的EDA软件在“数字电子技术”课程教学中的应用

1.课堂理论教学方法的改进

“教”的质量的提升，要靠转变教学理念，改变课堂教学方法。第一，根据授课内容特点，选择和组织课堂内容，并着重于分析及解决问题的思路，还要与时俱进地引入本学科的新技术，丰富学生知识面。第二，多采用启发式教学、引导式教学、提问式教学、实例分析教学、基于任务教学等先进的教学方法。第三，改变教师在教学中的角色，与学生一起学习，在教学活动中扮演亦师亦友的角色。由于CDIO强调把职场环境作为工程教育环境，而不是作为工程教育的内容，因此教师应通过积极参与的方式帮助学生调控好自己的学习态度，进而激发学生学习的主动性。
例如，不同于以往照本宣科式的授课方法，通过EDA软件来演示信号流向或者器件之间的连接，让单一的知识点能够连接起来，让枯燥的知识“动”起来，更加直观，同时也调动了学生的学习兴趣和热情。

2.实验教学方法改进

东北林业大学机电工程学院（以下简称“我校”）除了“数字电子技术”的实验课之外，还有为期一周的单独设课的电子综合实验课。大二学生在修完“数字电子技术”、“论文导读：
模拟电子技术”课程后，会进行电子综合实验，在实验中引入EDA软件做大量的尝试。这样做加强了实践与理论教学的互补，贯穿整个课程体系，丰富了实践内容。“数字电子技术”课程实践教学的新路子改变了传统“数字电子技术”课程实验方法，在实验题目选择、实现过程、设计环境、结果评价四个方面做了有意义的尝试，形成了行之有效的经验与方法，取得很好的教学效果，具体体现在：
首先，严格要求学生课前预习。预习并不是简单看看实验指导书，不动脑思考抄抄实验步骤，而是要求学生预习时，要利用计算机EDA软件模拟仿真将要做的数字电路实验。在此过程中，学生不但掌握实验的预备知识，还能够发挥自己的创造力，尝试各种实验方案。这样，可以大大提高实验教学质量，又可减少因电路连接错误而发生的仪器损坏。
其次，实验安排中结合验证性实验和综合性实验。按照从易到难的数字电路设计过程，让学生在完成实验的过程中，掌握数字电路的设计思路和方法，掌握EDA软件的应用方法，并且在实验完成后，挑选部分学生与大家一起分享实验部分典型的分析设计过程，帮助其他同学提高。
最后，合理地评价设计成果，客观给出成绩，并不以最后的实验结果作为成绩评定的唯一标准，而是对设计过程的每个环节都给出量化的评分标准，同时加入针对学生创新成果的评价，进一步鼓励学生的创新意识。

3.关注个性化教育、培养创新型人才方面的改进

个性化教育是高等学校培养学生创新能力的重要途径。在教学中首先要从培养学生对这门课程的兴趣入手，如通过设计案例的演示，激发学生对所学知识的兴趣。在具有感性认识的基础上，循序渐进地总结解题思路、算法设计以及构思，再提升到理论高度，体会用计算机设计解决问题的技术与方法。其次是将学生从“被动实践”引入到“主动实践”中去。“被动实践”是指实践的对象、方法、程序各要素是由教师制定的，学生在教师制定的框架内去完成实践内容，在预定的路径中无需发挥个性和想象力，即可完成任务。而“主动实践”的关键在于调动和激发学生对系统设计的兴趣和渴求，让学生最大限度地参与实践设计的各个环节，包括对象的确定、方法的制定、电路设计以及问题质疑、分析总结等。在“主动实践”中，学生的质疑力、观察力、协同力等能力都能得到培养，个性才能够得到充分的发挥，这是培养创新能力的关键。
四、结束语
通过我校电气工程及其自动化专业近几年的“数字电子技术”的实际教学成果表明，在电气工程及其自动化专业的“数字电子技术”课程的教学中引入EDA软件技术，克服了以往传统教学方法中的一些不足之处，不但提高了理论教学质量，带动了学生的主动学习能力，而且扩大了学生的知识面和解题思路，经常出现同一题目的多种设计方案。这样教学的改革，使“数字电子技术”的学习既丰富多彩，同时又与模拟电子技术、电路、单片机等课程互成体系，学生们能够感觉到学以致用的乐趣，锻炼了学生对问题的综合分析能力。学生们的数字电路设计能力大幅度提高，有三位同学分别获全国大学生电子设计竞赛二等奖，全国电子专业人才设计与技能大赛东北赛区一等奖一项，优秀奖中国免费论文网www.7ctime.com
两项。这些成绩的取得，均得益于现代CDIO教学理念和EDA软件技术与“数字电子技术”教学相结合的实践教学改革。
参考文献：
辛修芳，李媛.EDA技术与数字电子技术教学的整合[J].重庆电子工程职业学院学报，2010，19（2）：155-157.
王玫，王桂珍，田丽鸿.基于EDA改革数电课程设计——培养学生创新能力[J].电气电子教学学报，2006，28（4）：18-21.
[3]张相胜，孙蕾.数字电子技术课程教学和实践内容的改革[J].江南大学学报（教育科学版），2009，29（3）：280-284.
[4]韩丽英，吕晓玲，乔良.以培养实践技能为中心的数字电子技术教学方法探讨与实践[J].科技教育，2010，（12）：217-219.
[5]刘金华.“数字电子技术”基础课程引入案例教学的探讨[J].黄石理工学院学报，2009，25（4）：57-59.
（责任编辑：王意琴）