應(yīng)用型本科院校數(shù)字電路與邏輯系統(tǒng)教學(xué)改革實踐

摘要：應(yīng)用型本科院校的《數(shù)字電路與邏輯系統(tǒng)》課程作為學(xué)科建設(shè)的重要基礎(chǔ)課程之一，不僅需將培養(yǎng)人才的目標(biāo)定位于應(yīng)用型人才，體現(xiàn)出對專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的支撐作用，還需要與工程實踐相結(jié)合，培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實、實踐能力強、符合市場需求、適應(yīng)社會發(fā)展的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用型本科院校;新工科;數(shù)字電路;教學(xué)改革

一、引言

《數(shù)字電路與邏輯系統(tǒng)》（以下簡稱《數(shù)電》）是電子信息工程、電氣工程及其自動化、計算機科學(xué)與技術(shù)等工科專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是一門發(fā)展迅速、實踐性和應(yīng)用性很強的課程。該課程在電子類、電氣信息類、計算機類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中起著承上啟下的重要作用，它以電路分析、模擬電路等課程為基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是讓學(xué)生獲得數(shù)字電子技術(shù)的基本理論、知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際數(shù)字電路/系統(tǒng)問題的能力，為后續(xù)學(xué)習(xí)可編程邏輯器件與VHDL、微機原理、計算機組成原理、單片機和嵌入式等專業(yè)課程打下基礎(chǔ)。

在國家戰(zhàn)略方面，隨著集成電路、物聯(lián)網(wǎng)、5G等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得對相關(guān)人才培養(yǎng)的重要性提升到前所未有的高度，巨大的市場需求也使得人才需求量不斷上升。針對應(yīng)用型本科院校發(fā)展方面，隨著“新工科”及新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，地方本科院校承擔(dān)著培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重任，要求培養(yǎng)出的人才應(yīng)具有較強的實操能力和工程能力。

二、《數(shù)電》課程現(xiàn)狀分析

《數(shù)電》作為工科類的專業(yè)基礎(chǔ)課，對學(xué)生的工程意識、工程能力與工程創(chuàng)新精神的培養(yǎng)起到承前啟后的作用。但目前《數(shù)電》課程的授課方式，多數(shù)還停留在傳統(tǒng)的講授方式，雖然也有老師將教學(xué)內(nèi)容進行實例化、情景化的改革，但對學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)，始終還不能充分銜接，往往出現(xiàn)理論課程與實驗課程內(nèi)容脫節(jié)，或僅進行驗證性實驗、缺少相關(guān)的系統(tǒng)性項目實踐的問題。因此在以往的課堂中，教師往往扮演著課堂教學(xué)的主體角色，而學(xué)生處于被動受教的狀態(tài)且缺乏自主思考和探究的過程，不足以激發(fā)學(xué)生的興趣，也就不能帶動學(xué)生對知識進行獨立思考;同時，學(xué)生缺少動手實踐的機會，對工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)十分有限。目前我系《數(shù)電》仍主要使用傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容與方法，但此課程是一門實踐性和應(yīng)用性很強的課程，它不僅與后續(xù)課程《可編程邏輯器件與VHDL》的教學(xué)內(nèi)容銜接緊密，并且兩門課在數(shù)字系統(tǒng)的分析方法、項目設(shè)計思路上由淺入深、循序漸進。因此，在《數(shù)電》課程階段進行項目化重構(gòu)與教學(xué)方法、教學(xué)評價改革，使學(xué)生更早建立對工程項目從無到有的實戰(zhàn)練習(xí)，對后續(xù)課程的順利開展與學(xué)生工程綜合能力的提升，具有十分重要的意義。

三、《數(shù)電》課程改革思路

（一）教學(xué)內(nèi)容模塊化

并以培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)與動手能力為主線進行項目設(shè)計，開發(fā)具有工程特色的課程體系。對原有理論內(nèi)容進行模塊化重構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上，針對不同知識模塊的內(nèi)容特點與理論講授型教學(xué)現(xiàn)狀，采取項目驅(qū)動與工程情境驅(qū)動教學(xué)相結(jié)合，使用Multisim軟件（具有豐富的芯片庫與測試儀器儀表）進行虛擬仿真實現(xiàn)，并配合使用Quartus II軟件與FPGA口袋實驗室硬件儀器進行硬件項目實現(xiàn)。

（二）以學(xué)生為中心

初步建立以線上資源與教師自有資源為主體，學(xué)生課前線上學(xué)習(xí)、課堂線下討論的混合式教學(xué)模式，促使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)探索、創(chuàng)新的能力。針對以目前教師為中心的教學(xué)模式，通過翻轉(zhuǎn)教學(xué)、項目驅(qū)動、仿真實驗等方法，逐步建立學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位。

1.以電子信息工程專業(yè)為初期實施對象，整合《數(shù)字電路與邏輯系統(tǒng)》課程的線上教育教學(xué)資源，同時根據(jù)個性化需求建立教師自有微課資源，通過SPOC平臺進行碎片化資源整合。

2.根據(jù)課前學(xué)習(xí)任務(wù)，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控與配套測試實時掌握學(xué)生預(yù)習(xí)行為與預(yù)習(xí)效果，并針對課前學(xué)習(xí)出現(xiàn)的問題與模塊化內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計進行部分翻轉(zhuǎn)教學(xué)。

3.課堂教學(xué)過程中注重系統(tǒng)性與拓展性，啟發(fā)主動思考、擴展思維，結(jié)合工程實踐進行內(nèi)容擴充，并在項目設(shè)計過程中傳遞CDIO（構(gòu)思Conceive-設(shè)計Design-實現(xiàn)Implement-運行Operate）思路，培養(yǎng)工程思維與職業(yè)素養(yǎng)。

4.細(xì)化完善考核評價體系。鼓勵學(xué)生開展討論與互評，同時將SPOC平臺的數(shù)據(jù)與學(xué)生線下的表現(xiàn)結(jié)合，同時引入企業(yè)評價，對學(xué)生的綜合表現(xiàn)進行準(zhǔn)確評價。

（三）以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向

以實戰(zhàn)型教師為主干，初步建成一支具有較高教學(xué)水平和較強實踐能力、結(jié)構(gòu)合理的“雙師型”教師團隊。改變“在規(guī)定學(xué)時和教室內(nèi)，僅僅講授沒有錯誤的知識”這一以教師為中心的教學(xué)現(xiàn)狀，鼓勵教師探索新知識，結(jié)合工程實踐，并形成適合本院學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法。提高教師自身素養(yǎng)與能力，通過參與科學(xué)研究、行業(yè)會議、掛職鍛煉等方式，探索新知識，并結(jié)合工程實踐，優(yōu)化并形成適合本院學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法。

四、《數(shù)電》課程改革實踐

（一）教學(xué)內(nèi)容改革和教學(xué)體系改革

1.明確課程定位

《數(shù)電》課程的能力培養(yǎng)目標(biāo)為提高學(xué)生的邏輯思維與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力。在理解專業(yè)人才培養(yǎng)方案（2019版）的基礎(chǔ)上，進行行業(yè)、企業(yè)調(diào)研，根據(jù)行企需求明確《數(shù)電》在電子技術(shù)、電氣信息、計算機類專業(yè)就業(yè)過程中的細(xì)節(jié)需求與其他專業(yè)課程之間的聯(lián)系點。站在學(xué)生未來能力培養(yǎng)的角度，對學(xué)科與行業(yè)領(lǐng)域整體進行凝練。

2.教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

相對于有限的教學(xué)課時，課程的知識內(nèi)容非常龐大，如何形成有限學(xué)時內(nèi)的《數(shù)電》課程內(nèi)容體系，需要進行教學(xué)內(nèi)容、資源的有效選擇與整合。

恰當(dāng)使用開放精品慕課資源，配套建立與慕課資源相對應(yīng)的引導(dǎo)性測試;根據(jù)學(xué)生課堂的表現(xiàn)與反饋，針對部分課時內(nèi)需要弱化，但又作為重要基礎(chǔ)知識的內(nèi)容制作相應(yīng)微課視頻以補充學(xué)生課前、課后階段的學(xué)習(xí)所需。線上微課的設(shè)計主要包括以下三個使用場景：

重難點講解：利用碎片化資源講解知識點，以動畫演示的方法將抽象的內(nèi)容演示出來，達到較易理解的效果;同時及時引導(dǎo)學(xué)生思考，達到舉一反三的學(xué)習(xí)效果。

理論與實踐一體化教學(xué)：強調(diào)理論與實踐的交替進行，著力培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和專業(yè)技能，可充分激發(fā)學(xué)生的興趣。尤其是在軟件操作、硬件設(shè)計學(xué)習(xí)初期，學(xué)生可以通過模仿老師的操作，進行高效學(xué)習(xí)。

對課上內(nèi)容的補充與完善：針對學(xué)生在預(yù)習(xí)、課上學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題，課上講解之后學(xué)生仍然存在問題的內(nèi)容;綜合設(shè)計或討論之后，學(xué)生仍存在疑惑的知識點，可通過微課教學(xué)設(shè)計，用不同角度引導(dǎo)學(xué)生進行查漏補缺。

3.課程內(nèi)容模塊化構(gòu)建與實施

對原有理論內(nèi)容進行模塊化重構(gòu)，針對不同知識模塊的內(nèi)容特點，設(shè)置綜合項目，再對綜合項目采取項目驅(qū)動與工程情境驅(qū)動教學(xué)方法相結(jié)合，使用Multisim軟件（具有豐富的芯片庫與測試儀器儀表）進行虛擬仿真實現(xiàn)項目設(shè)計，并配合使用Quartus II軟件與FPGA口袋實驗室硬件儀器進行硬件項目實現(xiàn)。

（二）教學(xué)方法和教學(xué)手段改革

在明確課程定位的基礎(chǔ)上，采用多元化教學(xué)方法，將理論與實踐結(jié)合，線上與線下融合，課前、課中、課后內(nèi)容層層遞進貫通，使學(xué)生掌握知識的同時，培養(yǎng)工程思維與項目的執(zhí)行能力，從而實現(xiàn)CDIO的培養(yǎng)目標(biāo)。教學(xué)過程中，主要采用Multisim軟件進行數(shù)字電路的設(shè)計與仿真;亦可根據(jù)各專業(yè)需求，選擇EDA軟件Quartus II進行系統(tǒng)級仿真，為可編程邏輯器件與硬件語言VHDL/Verilog課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。主要教學(xué)方法有：

1.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法

學(xué)期初期，考慮到學(xué)生預(yù)習(xí)自覺性普遍較低、學(xué)習(xí)能力較弱、語言表達較弱的實際情況，本階段重點培養(yǎng)學(xué)生對知識點的挖掘能力與對知識的初步運用能力。學(xué)生通過完成以概念性引導(dǎo)性為主的測試，檢驗預(yù)習(xí)效果。教師引導(dǎo)學(xué)生對各章/模塊內(nèi)容構(gòu)建思維導(dǎo)圖，初步培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)歸納能力。通過“接龍”形式，在學(xué)習(xí)群進行測試題/習(xí)題的解答分享，促進學(xué)生對“小翻轉(zhuǎn)”教學(xué)方式的熟悉，同時鞏固對基礎(chǔ)知識的掌握。學(xué)期中后期，在學(xué)生逐步養(yǎng)成提前預(yù)習(xí)、主動思考的習(xí)慣后，延續(xù)線上預(yù)習(xí)+測試的學(xué)習(xí)形式，同時注重培養(yǎng)學(xué)生對知識點的挖掘與應(yīng)用能力。課堂上逐步加深對知識應(yīng)用難度，并對部分知識開展翻轉(zhuǎn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生逐漸自主思考、討論、解決問題，教師負(fù)責(zé)提醒、補充、總結(jié)，實現(xiàn)部分內(nèi)容的翻轉(zhuǎn)與難度提升。學(xué)期后期，學(xué)生各方面能力進一步提升之后，重點培養(yǎng)學(xué)生的工程綜合能力，進而實現(xiàn)CDIO的培養(yǎng)目標(biāo)。在項目式教學(xué)的課堂中，學(xué)生可向大家介紹自己的設(shè)計方案，學(xué)生之間也可互相評價或質(zhì)疑任何方案，教師最終可通過學(xué)生的項目設(shè)計與互評進行點評，并評選出優(yōu)秀的方案。

2.項目驅(qū)動教學(xué)法

項目驅(qū)動教學(xué)法主要以培養(yǎng)學(xué)生綜合實踐和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，按照項目管理的原則與思路，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成一個相對獨立的項目。課程配套項目涵蓋5大模塊：邏輯代數(shù)基礎(chǔ)與邏輯門電路;組合邏輯電路分析與設(shè)計;觸發(fā)器與應(yīng)用;時序邏輯電路分析與設(shè)計;555定時器。分別配合數(shù)字系統(tǒng)中常用、實用的功能模塊，如：表決電路、編碼器與譯碼器、搶答器、多模計數(shù)器、報警器等，教師只給出簡略的項目實驗方案，學(xué)生通過所學(xué)知識或查詢資料的方法，明確項目涉及的系統(tǒng)模塊與芯片，通過Multisim仿真軟件或Quartus II軟件構(gòu)建數(shù)字邏輯電路，并完成電路的設(shè)計與調(diào)試。

3.案例教學(xué)法

由生活中的實際案例驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)進行探究，從基礎(chǔ)概念到實際運用進行思考，由案例中的需求分析過渡到電路設(shè)計的需求分析;同時啟發(fā)學(xué)生思考哪些部分還可以優(yōu)化，再運用深度教學(xué)方法引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計。例如：用CMOS芯片74HC4511實現(xiàn)時鐘顯示電路，首先讓學(xué)生自主預(yù)習(xí)顯示譯碼器芯片的工作原理，并根據(jù)之前階段培養(yǎng)的資料查閱能力，對芯片各管腳功能進行分析，再根據(jù)實際案例進行設(shè)計需求分析，進而選擇所需芯片進行電路設(shè)計;基礎(chǔ)電路設(shè)計完成后，還可繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活中的實際運用，繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，熄滅高位的“0”。

4.情境教學(xué)法

在教學(xué)過程中，有目的地引入或創(chuàng)設(shè)形象生動的具體場景或課程思政，以引起學(xué)生的情感體驗，讓學(xué)習(xí)自然發(fā)生，進而幫助學(xué)生理解知識內(nèi)容，并促使學(xué)生對系統(tǒng)模塊間如何關(guān)聯(lián)進行思考，提高教學(xué)質(zhì)量。例如：如果你是一名志愿者，面對疫情中口罩需求的激增，如何幫助口罩生產(chǎn)商家按一定數(shù)量進行口罩分裝？這就需要設(shè)計一個計數(shù)器，并將口罩?jǐn)?shù)量實時顯示出來。并流水線及生產(chǎn)過程的實際場景，讓學(xué)生了解各個模塊及所需芯片，拓展相關(guān)知識的廣度。

5.分享教學(xué)法

線上教學(xué)資源使學(xué)生能夠隨時隨地自主學(xué)習(xí)的同時，也帶來了使學(xué)生感受不到線下教學(xué)中實實在在的學(xué)習(xí)氛圍這一問題，使學(xué)習(xí)孤獨、難以堅持。分享教學(xué)法的主要目的是引導(dǎo)學(xué)生把學(xué)到的內(nèi)容“講出來”，例如，通過SPOC平臺的話題討論，微信群“接龍”分享、綜合項目的知識分享課等，同時可將線上預(yù)習(xí)成果檢測、易混淆概念思辨、擴展性知識點、習(xí)題/測試題或主觀題等融入其中，促進同學(xué)之間分享知識、交流學(xué)習(xí)經(jīng)驗的熱烈氛圍。

（三）教學(xué)評價改革

針對重構(gòu)的教學(xué)大綱與教學(xué)內(nèi)容，建立多元化考核指標(biāo)，構(gòu)建完整的過程評價體系，建立學(xué)生自主驅(qū)動學(xué)習(xí)的文化氛圍。

教師教學(xué)工作評價：定期調(diào)查問卷，任課教師互相聽課、開展教學(xué)討論等，企業(yè)參與評價。

學(xué)生學(xué)習(xí)效果評價的細(xì)化與升級：

1.細(xì)化20%考勤與30%過程考核量化指標(biāo)，將出勤率考核升級為課堂參與度（課堂互動答題）與掌握程度（課堂互動題目正確率）考核;將作業(yè)考核細(xì)化為多種形式的過程考核，如：階段性測試、預(yù)習(xí)完成度、視頻觀看個數(shù)、參與話題研討次數(shù)與質(zhì)量、主觀題同伴互評的綜合表現(xiàn)等。

2.知識考核向能力考核轉(zhuǎn)變。將知識放在具體場景中，讓學(xué)生應(yīng)用理論知識來解決具體問題。例如，將部分較為綜合的課后作業(yè)由傳統(tǒng)習(xí)題升級為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計問題，鼓勵學(xué)生使用工程思維解決問題。同時配合模塊化內(nèi)容和基于項目的教學(xué)方法，對主觀設(shè)計內(nèi)容構(gòu)建開放性評價體系，采用小組討論與互評的學(xué)習(xí)和評價方式，對學(xué)生的表現(xiàn)進行基于CDIO的綜合評價。

五、結(jié)束語

通過對《數(shù)電》課程的教學(xué)實踐，近兩學(xué)期已將部分改革內(nèi)容實施于電子信息工程專業(yè)的學(xué)生。經(jīng)專業(yè)主任教師、教研室主任、教研室教師聽課反饋良好;通過階段性學(xué)生問卷調(diào)查，學(xué)生反饋基本可以適應(yīng)現(xiàn)階段教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法的調(diào)整;通過SPOC平臺后臺數(shù)據(jù)反饋，學(xué)生的預(yù)習(xí)自主性、預(yù)習(xí)測試效果、課堂互動效果、課后知識分享情況良好。通過配套實驗課程、課程設(shè)計課程、學(xué)科競賽等方式的開展，印證了通過本課程應(yīng)用型模式實踐，逐步培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識與能力，逐步提升了學(xué)生工程實踐能力與創(chuàng)新意識。同時，學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣、對學(xué)科拓展的能力均有一定程度的提高，初步實現(xiàn)了“應(yīng)用型”人才的培養(yǎng)。

作者單位：邵璐? ? 寧夏大學(xué)新華學(xué)院

參? 考? 文? 獻

[1]張勇，程曉紅，王昱潔，等.“新工科”背景下人才培養(yǎng)模式探討與實踐——以電子信息工程專業(yè)為例[J].工業(yè)和信息化教育，2020（12）：1-4.

[2]成寶芝，陳立勇，王健，等.應(yīng)用型本科電子信息工程專業(yè)實踐教學(xué)體系建設(shè)研究與實踐[J].大慶師范學(xué)院學(xué)報， 2019，39（03）：113-116.

[3]畢楊.新工科背景下應(yīng)用型本科院校電子信息工程專業(yè)課程體系改革探索與實踐[J].高教學(xué)刊，2019（11）：143-144+147.

[4]晉春，張佳，李鋒.“數(shù)字電子技術(shù)”課程改革的探索與實踐[J].黑龍江教育（高教研究與評估），2016（01）：51-52.