李滢潞， 朱志强， 张 山， 连 剑

(山东科技大学 电气信息系， 济南 250031)

基于CFC-CDIO理念项目驱动的数字电子技 术 教 学 改 革

李滢潞， 朱志强， 张 山， 连 剑

(山东科技大学 电气信息系， 济南 250031)

根据中外合作办学模式要求，针对数字电子技术课程提出了基于CFC-CDIO理念项目驱动的教学改革方法，探讨了以构思、设计、实施、运行为项目工程链的双语教学流程思想，构建了多维度、立体化的考核机制。并以交通灯故障报警电路设计为例，设计完成了交通灯故障报警功能，通过了MAX+plus II 和Multisim 13软件仿真。从而大大提高了学生的创造力和想象力，提高了学生工程实践能力，为中外合作办学的教学理念和教学方法进一步融合提供了参考。

CFC-CDIO理念； 项目驱动； 中外合作办学； 数字电子技术； 教学改革

0 引 言

数字电子技术课程是电力类、自动化类和计算机类等专业必修的专业基础课，具有举足轻重的作用。但是目前，国内外高校办学理念存在较大差异，综合测评体系也不尽相同, 这使得中外合作办学背景下的数字电子技术课程教学亟需改革。

目前，中外合作办学教学模式对数字电子技术课程理论知识和工程实践要求都很高，即既要求学生具有扎实的理论基础，同时又要有丰富、灵活的实际电路设计能力。因此，将CDIO工程式教学模式融入于数字电子技术教学改革中，结合中外合作办学教学目标，提出了基于CFC-CDIO理念的项目驱动教学模式。这种教学模式采用工程实践的教学思想，以教师为主导、以学生为主体，学生是教学的主要参与者，这极大地激发了学生的学习热情，提高了学生的工程实践能力以及创新能力，能实现学生知识、技能的内化[1-3]，并达到中外合作办学数字电子技术课程教学目标。

1 CFC-CDIO理念项目驱动的内涵

CDIO[4-6]是在2000年由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学联合研究发起的，4年后，创立了CDIO工程教育理念，形成了CDIO国际合作组织。CDIO其含义为构思(Conceive)、设计(Design)、实施(Implement)和运行(Operate)，它是以产品研发到产品运行的生命周期为载体的，让学生以主动的、 实践的、 课程之间有机联系的方式学习工程。因此，CDIO[7-8]教学理念强调“做中学”的思想，旨在培养学生的学习热情，从而提高学生的工程实践能力。

CFC是英文单词Chinese-Foreign Co-operation 首字母缩写，CFC-CDIO其含义即为中外合作背景下的CDIO工程教育理念。基于CFC-CDIO理念的项目驱动教学模式是以中外合作办学为背景，以项目为教学主线，按照“构思、设计、实施、运行”的工程链方式完成数字电子技术教学改革[9-11]。其具体做法为：首先从实际应用中提炼出与教学大纲吻合的若干个工程项目式教学内容，然后把整个教学过程当做若干工程项目处理，其中，每个项目都采用项目构思、项目设计、项目实施和项目运行的“工程链”流程来完成。通过教师引导，学生逐一完成若干教学项目，从而驱动数字电子技术工程式教育教学完成，实现理论和实践一体化，让学生最大限度的获得知识技能和技术技能。

基于CFC-CDIO理念的项目驱动教学模式改革，在教学方式上，采用项目驱动的教学方法，突出理论和实践教学“一体化”[12-14]；在项目进行过程中，采用CDIO教学模式[15-16];在考核方式方面，采用多维度、综合性方式，即根据笔试、项目完成过程、成品展示、报告情况综合考核。此外，CFC-CDIO强调的是 CFC即中外合作办学的教学背景，介于这种办学特点，教师在项目题目构建、项目介绍、学生报告以及学生汇报答辩等环节都应用双语完成，从而有效提高学生的英文能力，达到中外合作办学的教学目标。

2 基于CFC-CDIO理念的项目驱动教学流程

2.1 项目构建

CFC-CDIO理念下项目驱动的数字电子技术教学改革关键是项目构建。其宗旨是打破原有的知识界限，将必要的知识编制到多个项目中去，要以项目为主要参照点重构其知识体系。具体的说，项目构建需遵循几个原则：尽量涵盖教学大纲基本内容，并突出本门课程的重点；具有模块化分析设计特点，能够体现出整个课程体系结构；创新性强，能使学生产生浓厚的学习兴趣。

本次教学改革强调工程项目的基本思想，将数字电子技术课程大纲内容编制成了8个项目内容。表1所示为构建的项目目标矩阵，列出了项目名称、相应的理论知识以及学生通过项目学习需要达到的技术目标等内容。

可见，项目目标矩阵基本覆盖了数字电子技术教学大纲主要内容，突出课程重点，并将孤立零散的知识点通过某几个项目紧密联系起来。此外，由于选取的项目都是应用广泛、趣味性强的实际电路，因此大大激发了学生的学习和创新热情。

表1 项目目标矩阵构建

2.2 项目执行

表1中的8个项目在项目执行过程中都遵从构思、设计、实施和运行4个教学活动环节来完成。此外，由于是国内外合作办学的教学模式，因此，在项目的构思、设计、实施、运行过程中均采用双语完成，最终达到CFC-CDIO教学模式目标要求。

下面以项目3交通灯故障报警电路设计为例，从 CDIO的基本流程介绍项目执行的全过程。

2.2.1 项目构思

交通灯故障报警电路是监视交通灯工作状态的逻辑电路。任何时刻必有一盏灯亮且只允许一盏灯亮，当出现两盏灯点亮、三盏灯点亮或者无灯点亮状态时电路发出故障报警信号提醒维护人员前去维修。通过教师启发、引导的方式，让学生构思该项目设计方案。经过学生主动思考、归纳得出项目3交通灯故障报警电路设计包括两套设计方案：基于小规模集成电路(SSI)的门电路设计方案以及基于中规模集成电路(MSI)的集成芯片电路设计方案。表2展示了两套电路设计方案不同的设计流程。

表2 两套设计方案的电路设计流程

2.2.2 项目设计

依据项目构思阶段确立的两套交通灯故障报警电路设计流程，教师引导学生逐一完成。如表2可见，两套设计方案中的电路设计流程前三步基本相同，首先设定红灯、绿灯、黄灯输入状态变量分别为R、G、Y，若R、G、Y值为0表示信号灯灭，若为1表示信号灯亮，输出变量为Z，当Z=1时指示交通灯出现故障，当Z=0时表示交通灯无故障，根据交通灯报警电路的功能，列写真值表，如表3所示。由真值表归纳其逻辑函数式，化简或变换后可得Z=R′G′Y′+GY+RY+RG。

表3 交通灯故障报警电路真值表

由于两套电路设计方案选用电路元器件不同，因此，逻辑电路接线是不同的。基于SSI的门电路设计方案根据逻辑函数式选用基本门电路完成电路接线，如图1(a)所示。基于MSI的集成芯片电路设计方案，根据逻辑函数式选择数据选择器芯片型号为74LS153。确定数据选择器74LS153输出对输入信号的逻辑函数表达式为:

最终提示学生对比74LS153的输出函数表达式完成电路接线设计，如图1(b)所示。

(a) 基于SSI的门电路设计方案

(b) 基于MSI的集成芯片设计方案

图1 交通灯故障报警电路两种设计方案

完成上述交通灯故障报警电路两套设计方案后，引导学生利用MAX+plus II 软件对两套设计方案逐一仿真。基于SSI的门电路设计方案采用文本输入设计法，即利用VHDL语言编写程序，程序代码如下：

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY jiaotongdeng1 IS

PORT(r, y, g: IN STD_LOGIC;

z:OUT STD_ LOGIC);

END jiaotongdeng1;

ARCHITECTURE one OF jiaotongdeng1 IS

BEGIN

Z<=((NOT r) AND (NOT y) AND (NOT g)) OR (g AND y) OR (r AND y) OR (r AND g);

END one;

其仿真波形如图2所示。基于MSI的集成芯片电路设计方案，采用原理图输入设计法完成电路仿真，其仿真电路截图以及其仿真波形图如图3所示。

针对上述两套方案的电路设计方法、设计流程、电路连线以及仿真方法等内容作出如表4所示的方案比对。可见，两套设计方案虽然设计原理、设计方法、设计流程、选用的芯片种类、仿真方法等都不同，但是两套方案波形仿真结果图是完全一致的，说明其逻辑功能的一致性。

图2 基于SSI的门电路设计方案电路仿真波形图

(a) 电路仿真图

(b) 电路仿真波形图

此外，在此阶段，虽然使用了同一软件MAX+plus II对两套方案设计电路逐一仿真，但采用的仿真方法是不同的。基于SSI的门电路设计方案选用文本输入设计法，即采用VHDL硬件语言编程方法对其电路进行描述和仿真，使学生更加深刻理解利用基本门电路设计的组合逻辑电路的电路逻辑关系；而基于MSI的集成芯片设计方案选用原理图输入设计法，该仿真方法电路结构直观，从而使学生更加直观体会到电路的连接方法，更深刻理解74LS153芯片功能、芯片引脚以及其应用。

可见，两套电路设计方案的完成，使学生进一步理解了基本门电路器件和集成芯片的逻辑功能以及设计电路的方法。在电路设计过程中，教师和学生的角色发生了转变，教学过程从以教师为中心变为了教师的作用只是“引导”和“提示”，而学生从原来被动接受者变为了项目的主要实施者，从而实现“做中学”的目的。

2.2.3 项目实施

在上述项目设计阶段采用了MAX+plus II软件完成电路仿真。该仿真软件可方便、快捷的完成电路设计、时序仿真等功能，它提供了一种与结构无关的设计环境，并提供VHDL硬件描述语言完成电路仿真。因此，在项目设计阶段，利用MAX+plus II软件通过文本输入设计法和原理图输入设计法分别对两套电路设计方案实现电路仿真，获得电路波形仿真结果图，从而使学生理解两套电路设计方案功能的一致性。

在项目实施阶段，电路仿真目的不再是电路的设计和波形图仿真，而是需要模拟真实交通灯故障报警电路实物，验证其功能正确性。因此采用Multisim 13软件对两种方案设计电路进行电路仿真，从而测试电路的交通灯故障报警功能。

如图4所示为采用Multisim 13软件分别对两套设计方案进行电路仿真的截图，在这两个仿真图中，3个开关分别控制红灯、黄灯和绿灯，开关断开表示信号灯不亮，开关闭合表示信号灯点亮，输出连接故障报警灯，报警灯亮提示交通信号灯出现故障。从这两个仿真截图可见，当任意2盏信号灯同时亮，3盏信号灯同时亮或者3盏信号灯都不亮时，故障报警灯亮，提示工作人员故障出现；当有且只有1盏信号灯亮时，报警灯不亮，从而实现交通信号灯故障报警电路的功能。从两套方案电路仿真结果分析可见，虽然二者电路设计方案不同，但是其仿真逻辑功能是一致的，都完成了交通灯故障报警的功能，说明两套电路设计方案都是正确可行的。

(a) 基于SSI的方案

(b) 基于MSI的方案

图4 两种设计方案的Multisim13仿真结果图

2.2.4 项目运行

在项目运行阶段，学生首先采用双语完成8个项目报告撰写，报告包括项目分析、方案构思论证、电路设计、电路原理比对分析、MAX+plus II 软件仿真结果分析、Multisim 13软件仿真结果分析以及报告总结几部分内容。然后进入学生项目答辩阶段，学生使用英语完成项目描述以及项目电路仿真功能展示，教师用英语向学生提出问题，学生用英语回答教师提问，从而完成8个项目运行。

2.3 项目考核机制

本次数字电子技术教学改革是基于CRC-CDIO理念项目驱动的教学模式改革，因此，项目考核机制需打破传统的“一卷式”考核机制，建立新型多维度的工程项目教育考核机制。新型考核机制其考核内容包括笔试测试和项目考核两部分内容。其中笔试部分考核学生对数字电子技术课程理论内容的掌握程度；项目部分将从学生对项目的构思、设计、实施、运行等环节进行双语考核，考核内容主要包括8个项目仿真结果展示以及双语报告撰写两部分。如表5所示，建立了多维度考核机制，展示了主要考核部分和其细化内容，以及分数分配比例，最终考核总成绩为笔试部分和项目部分考核成绩之和。

表5 多维度考核机制

本次教学改革是以中外合作办学为背景展开的，因此要求学生报告总结、成果展示以及汇报答辩都以英语形式完成。对于能够以全英文完成上述内容的学生，并且报告书写有条理，结构规范，答辩和结果展示英语描述流利，都应酌情给予加分。

完善的多元数字电子技术考核机制的建立，实现中外高校教育教学模式的并轨，大大提高了学生的积极性、主动性和创造性，提高了学生的工程实践能力，实现了学生的技能和知识的双丰收。

3 结 语

本论文针国内外高等教育教学模式存在较大差异的问题，将CFC-CDIO教学模式融入于数字电子技术教学中去，并采用项目驱动的教学改革模式，即学生利用构思、设计、实施、运行的工程链流程逐一完成设定的若干教学项目，从而完成了以教师为中心到以学生为教学主要参与者的教学模式的巨大转变，实现了工程项目实践教学改革。

此外，基于CFC-CDIO教学理念的教学改革，要求师生在教学各环节中采用双语完成，这就在缩小国内外高校教学理念差异的同时也弥补了学生英语交流和专业英语词汇的不足。从而有效地使国内外高校教学模式相接轨，达到国内外合作办学的教学目标。

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Reform on Project-driven Teaching of Digital Electronic Technology under the CFC-CDIO Idea

LI Yinglu, ZHU Zhiqiang, ZHANG Shan, LIAN Jian

(Department of Electrical Engineering and Information Technology, Shandong University of Science and Technology, Jinan 250031, China)

According to the particular requirement of Chinese-foreign cooperation in running schools, we present a project-driven teaching reform method based on the CFC-CDIO idea, and focus on discussing the bilingual teaching flow idea through taking the “Conceive, Design, Implement and Operate” as the project chain, and constructing the multi-level, three-dimensional evaluating mechanism. Then to explain this new teaching idea, fault alarm equipment in traffic lighting system is taken as an example, especially, the corresponding simulation is performed by exploiting MAX+Plus II and Multisim 13. It can help the students to improve their creativity and imagination, enhance their practical ability of engineering. It also provides an important reference value for future integration of the teaching idea and the teaching method of Chinese-foreign cooperation in running schools.

CFC-CDIO idea; project-driven; Chinese-foreign cooperation running schools; digital electronic technology; teaching reform

2016-09-01

山东省自然科学基金资助项目(ZR2014FQ020)；山东科技大学优秀教学团队支持计划(JXTD20160512)；山东科技大学高等教育研究项目(2015YB018)

李滢潞(1981-)，女，辽宁朝阳人，硕士，讲师，主要从事汽车电子技术、电工电子理论教学及实验教学研究。

Tel.：18754169025；E-mail：yinglul@163.com

TP 331; G 642

A

1006-7167(2017)08-0195-05