CDIO理念下的电工电子实习教学设计
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0195-02
电工电子实习，亦称电子工艺实习，是高校开设的公共基础实训课程，涉及专业较多，在工科专业人才培养中占有重要地位。随着国家的发展转型，业界对人才的需求，已从学术型人才转向工程型人才，[1-3]传统的技能培训模式已不能适应新形势下人才培养的需要，教学改革势在必行。现代工程教育模式为集中性实践教学环节的改革带来了先进理念，[4-6]根据CDIO理念改革电工电子实习平台，模块化的方案设计和教学设计非常关键，围绕能力的培养，从科研成果转化为教学内容入手，结合项目驱动法和最新的虚拟仿真技术，进行实习内容的组织和教学设计，采用模块化设计，将工程案例与实习课程具体特点结合，在保障技能训练的基础上，强化系统性的工程能力培养，重点提升了学生的自主学习能力、设计开发能力和应用创新水平。
一、教学设计
智能车作为创意机器人设计的参考原型，是高校进行跨学科创新的典型工程案例，也是实现课赛结合的理想主题，在各类赛事和学科创新活动中获得了较多成果。CDIO理念下的电工电子实习教学改革，将智能车成果转化为教学内容，依据教学需要进行模块化设计，完成教学适配，[7]以智能车主题贯通实习教学的各个环节，增加了课外自学内容，结合虚拟仿真开发技术，使学生在实践中循序渐进，具备安全用电、电子制作、电子设计与应用创新的各项能力，实现了系统性的工程能力培养目标。教学设计方案见表1，下面从安全用电、电子制作、电子设计、进阶引导四个方面进行介绍。
表1 CDIO理念下的电工电子实习教学设计
实习模块 主要内容 智能车工程案例 能力目标 适用范围
安全用电 用电常识、用电规范
照明电路、室内配电 电源模块 安全用电技能
看图接线能力 必做
动力线路、PLC自动化 驱动模块 信息获取利用能力 选做
电子制作 焊接、调试、装配 循迹模块 电子制作技能
分析解决问题能力 必做
电子设计 PCB设计、制板、焊接、调试 车灯模块 设计开发能力 选做
电路仿真、整车调试 显示模块、整车 工程系统能力 电类
进阶引导 实习总结、扩展应用、编程 MCU模块及扩展 自主学习能力
应用创新能力 电类
1.安全用电
学生具备安全用电常识和解决日常用电问题的能力，是电工电子实习的最低要求。安全用电是工程实践的基础，须克服心理障碍，熟悉用电常识与操作规范，防患于未然，主要内容有安全用电常识、常用工具的使用、单相电路、三相电路。需要注意强弱电、交直流的结合对照，做好与后续实习内容的关联，融会贯通，培养学生的信息获取与利用能力。
单相电路侧重培养安全用电技能和看图接线能力，主要内容是照明用电和室内配电实训，了解交流市电的使用，在此基础上加入智能车直流电源课外自学内容。电源作为电子产品系统的供配电部分，是系统调试和故障多发的重点区域，也是安全用电和电路检修的关键环节，智能车电源模块使用了7.2V电池，对外供电采用双电源，7.2V直接为显示模块、循迹模块和驱动模块供电，变换为5V电压后为MCU模块供电，初学者容易接错电源，造成元器件烧坏或者人体烧伤，须提示安全用电。
三相电路侧重培养看图接线能力和信息获取与利用能力，有动力用电和PLC自动化两个实训项目，主要内容是电机的继电控制和PLC电气自动化，在此基础上通过智能车的驱动模块了解直流继电器及直流电机的控制，了解H桥驱动原理，智能车的驱动模块用于运动控制，通过两路控制信号分别对开关管和继电器进行控制，以实现电机的速度、转向等动作。达林顿管驱动电机进而控制速度、晶体管驱动继电器进而控制行进方向。因为该部分属选作内容，内容较多，比较实用，有助于培养学生的信息获取与利用能力。
2.电子制作
学生具备课外科技制作的能力，是电工电子实习的最低培养目标。电子制作包含仪器的使用、元器件的识读检测、焊接工艺、电路调试和整机装配五个部分。其中仪器的使用和元器件的识读要结合焊接具体电路来教学，尊重学生在实训中的主体地位，边讲边操作，考虑学生信息的获取与利用能力和效率，有的放矢避免泛泛而谈。
焊接工艺是电子制作的基本功，主要内容有立方体的焊接、万用板的焊接、印刷电路板的焊接和拆焊练习，其中立方体的焊接是焊接基础，采用“准备-加热-加锡-去锡-去烙铁”五步训练法教学，要求学生握持烙铁要稳，养成焊前对烙铁头和引脚进行预处理的习惯，避免虚焊；万用板的焊接推荐引脚直连法或者用单支线，训练实例为智能车电源模块，要求学生养成“先检测，再焊接，焊前预布局”的习惯；印刷电路板的焊接训练实例为智能车循迹模块，学生通过印刷电路板的焊接对PCB结构和标识有一个初步的了解，为后续设计PCB奠定基础。
通电调试前，使用万用表对照原理图检测电路，发现元件焊反或焊错的，须进入拆焊环节，拆焊可用热风机或加锡拆焊法，均匀预热避免长时间加热某个焊点，以免焊盘脱落；调试时沿电流方向依次检测，查找虚焊或问题元件，掌握离线检测电路的方法。通过智能车循迹模块掌握运放的典型应用和运放电路在线调试的方法，初步具备依据电路原理进行调试分析与解决问题的能力。电子制作教学环节，学生多为初学者，要求指导老师“多演示、多巡视、多指导、严验收”，拆焊练习属于选作内容，方便学有余力的同学自我提升。 3.电子设计
电子设计是是工程型人才培养的关键，是电工电子实习的重点内容，直接关系到培养学生的自主学习能力、设计开发能力和工程系统能力培养质量，主要内容包含电路仿真、原理图绘制、电路板设计、电路板制作和整车调试。电路仿真是进行电子设计与验证的便捷途径，学生通过Multisim电子电路设计与仿真软件，仿真智能车车灯模块或显示模块，分析电路原理，了解集成运放电路典型应用与调试技巧，掌握电路设计的可行性仿真分析和虚拟仪器在电路验证中的应用，为后续电路板设计奠定基础。
使用Altium Designer 绘制电路原理图，或进行原理图修改，是进行电路板设计的前提，应注意易读性和效率，学生在绘制智能车车灯模块原理图的过程中，要提前发放元器件，自然而然地了解软件界面、元件与封装。Altium Designer 进行PCB电路板设计之前，利用前面焊接的循迹模块PCB成品，使学生对PCB电路板有个感性认识，然后通过刚绘制的车灯模块原理图快速上手，初步掌握PCB设计流程和使用技巧，布置一些课外内容，例如布局原则、布线技巧、批量修改和机电匹配、帮助学生迅速掌握软件[8]，提高自主学习能力。
通过热转印工艺，了解印刷电路板制作流程，每个环节建议设置简短提醒，完成车灯模块PCB的制作，在读懂电路原理的基础上独立完成焊接与调试。
最后是整车调试环节。利用已制作并调试成功的五个模块，配上智能车底座和单片机最小系统板成品，要求学生分组完成整车调试，通过检测跑道（或地图）的黑线来自动调整小车前进的方向，使小车不脱离黑线跑完全程，从而实现小车的自动循迹，提高学生的工程系统能力和团队合作能力，通过对电子设计因果的反思总结，提高学生的设计开发能力。
4.进阶引导
进阶指导是实习课程的课外拓展，是课外创新的新起点。实习课程结束后，进行一次完整的梳理总结，便于知识结构的系统化，利于后续的课外创新实践。围绕智能车工程案例，总结单片机外围电路，梳理电子技术知识的典型应用；科普单片机编程和控制算法，引导学生以智能车为原型，进行创意智能车/机器人的扩展设计与创新，组织学生参加相关赛事，提升学生的应用创新能力。
二、成效
电工电子实习是校级公共实践平台，教研组根据现代工程教育理念，采用“分批次多层次多模块”的方式，逐步推进教学改革，满足了各个专业的需要。通过模块化设计的智能车，实现了已学电子技术与后续单片机课程的对接；以单片机外围电路梳理电子技术典型应用，打通了实习教学各模块和环节，从传统的技能培养成功过渡到系统性的能力培养，提高了人才培养水平。制作的“电工电子实习课件（CDIO版）_跟我学做智能车”系列课件，在2014校多媒体教育课件大赛中获奖，根据5个专业的教学测试，以及教学问卷反馈，完善了教学设计，取得了阶段成果。
在此基础上，探索了课赛结合教学模式（图2）。智能车项目的模块化设计，考虑了与后续赛事的对接与关联，预留了MCU编程、创意设计和硬件扩展等内容，把智能车成功打造为学生未来工程实践的创新起点和参考范例，打通了实习与课外创新环节，引导学生提前进入了课外创新阶段，通过组织学生参加智能车、机器人和飞行器等赛事，以竞赛带动学生参加课外创新活动，提高了学生的工程能力和就业竞争力。
三、结论
CDIO理念下的电工电子实习，通过模块化设计的智能车项目，实现了以能力培养为目标的教学设计，适配了各专业人才培养课程体系，提升了工程人才培养水平；通过虚拟仿真技术的应用和成果的转化，进一步提高了学生的设计开发能力和工程系统能力；课赛结合的探索，打通了实习与课外创新实践，取得了阶段成就，但开支也相应加大，如何取得规模与经费之间的平衡，例如通过虚拟仿真技术进行人才选拔降低耗材消耗等措施，还需要进一步探索。
