張志勇 張建鋒 黃鋁文

摘? 要：在對(duì)傳統(tǒng)工科課程進(jìn)行升級(jí)改造的新工科背景下，為解決專業(yè)基礎(chǔ)課時(shí)數(shù)減少的問題，提高教學(xué)效果，文章利用案例式、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)和課程思政等多種教學(xué)手段，在鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力前提下，以看得見的現(xiàn)象和摸得著的結(jié)果為抓手，結(jié)合理論知識(shí)因地制宜地開展電路仿真，輔以針對(duì)性較強(qiáng)的問題思考與課堂練習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)字電路的積極性。推進(jìn)以學(xué)為中心的多種教學(xué)方式的改革與嘗試，對(duì)建設(shè)新工科、促進(jìn)“課程和工程”融合和培養(yǎng)新一代電路人才具有重要的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新工科；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)；課程思政；案例式教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2023）26-0101-04

新工科是傳統(tǒng)工科專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造而產(chǎn)生新興事物，旨在培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，知識(shí)快速獲取能力，創(chuàng)新能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力、知識(shí)綜合與集成能力，全球視野的領(lǐng)軍人才［1］等方面具有巨大應(yīng)用前景，對(duì)目前工科教育的教學(xué)方式創(chuàng)新帶來了新挑戰(zhàn)。當(dāng)前，西北農(nóng)林科技大學(xué)在數(shù)字電路教學(xué)中的教學(xué)理念、課程課時(shí)、師資、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)等方面與新工科存在一定差距，仍然以“教”為中心，由教師主導(dǎo)課堂，組織和控制教學(xué)過程，數(shù)字電路的教學(xué)內(nèi)容既無法支撐產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也不能適配產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

第一，工程實(shí)際與理論教學(xué)交叉性差，既不能相互促進(jìn)，也無法滿足產(chǎn)業(yè)升級(jí)與學(xué)科發(fā)展需要具備的綜合素質(zhì)人才要求［2］。

第二，教師在教學(xué)方式上基本上依靠“一份PPT、一支投影筆、一本教材、一本教案、老師臺(tái)上講、學(xué)生座下聽”的單一化課堂教學(xué)方式，考核手段仍然以期末試卷為主?！敖谭ā睙o法較好的影響“學(xué)法”，造成學(xué)生習(xí)慣“照葫蘆畫瓢”，充當(dāng)知識(shí)的被動(dòng)接受者，教師教什么，學(xué)生就學(xué)什么。

第三，在實(shí)踐環(huán)節(jié)中，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)居多，進(jìn)行探索性與自主創(chuàng)新性的實(shí)踐內(nèi)容較少。

第四，在學(xué)時(shí)減少、課時(shí)壓縮后，學(xué)生每課時(shí)要求接受的知識(shí)量增多，導(dǎo)致相關(guān)的概念理解吃力，教師也沒有很好地把握專業(yè)特點(diǎn)，加之課后習(xí)題講解沒有時(shí)間保證，勢(shì)必導(dǎo)致部分學(xué)生平時(shí)不認(rèn)真學(xué)習(xí)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)動(dòng)力不足、混學(xué)分、厭學(xué)等現(xiàn)象。

隨著新工科計(jì)劃的實(shí)施和新工科理念的逐步滲透，在滿足教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的多樣性和新穎性的前提下，不斷加強(qiáng)多學(xué)科交叉、理論結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用等方面的探索研究，更需要引領(lǐng)本科生早進(jìn)課題、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早進(jìn)團(tuán)隊(duì)參與科研活動(dòng)［3］。對(duì)于體現(xiàn)實(shí)踐性、工程性與應(yīng)用性的專業(yè)基礎(chǔ)課程數(shù)字電路教學(xué)，還需要在加深對(duì)大綱知識(shí)理解的前提下，提高學(xué)生課堂參與度，把所學(xué)內(nèi)容“活學(xué)活用”，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與學(xué)生自主項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的有機(jī)融合與閉環(huán)反饋，在突出注重授課內(nèi)容實(shí)用性的前提下，把課程側(cè)重于分析和設(shè)計(jì)的特點(diǎn)以問題的形式引出，以虛擬仿真或?qū)嶒?yàn)室實(shí)操為主線，提出問題，凸顯項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)分析并解決問題，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐實(shí)作與理論教學(xué)的平滑連接，以解決在新工科背景下把單純知識(shí)灌輸傳授改變?yōu)閱l(fā)式授課的難題。

一、數(shù)字電路教學(xué)方式改革與實(shí)踐

在新工科背景下，數(shù)字電路理論教學(xué)是熟悉、領(lǐng)會(huì)電路主要分析和設(shè)計(jì)方法的基本教學(xué)環(huán)節(jié)，為應(yīng)對(duì)當(dāng)前大學(xué)生思維活躍、個(gè)性突出、需求多元的特點(diǎn)，需探索高效的理論教學(xué)模式和教學(xué)方法，形成“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念［4］，完善提高課程質(zhì)量教學(xué)的手段。文章在教學(xué)過程中融入一系列探究性教學(xué)方法，在不斷提升教師人格魅力的前提下，針對(duì)計(jì)算機(jī)類且生源質(zhì)量較高的本科生，交叉運(yùn)用案例教學(xué)、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)、課程思政的融入等進(jìn)行理論教學(xué)，提高課堂效率，提升學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力，助其將所學(xué)知識(shí)付諸實(shí)踐并快速轉(zhuǎn)換為自身能力。

（一）提升教師的人格魅力

教師的人格魅力體現(xiàn)在“以情感人、學(xué)高與身正”?！皩W(xué)高”，不只是要求教師要有廣博的學(xué)識(shí)，還需要具備較為豐富的人文修養(yǎng)，針對(duì)學(xué)生的專業(yè)學(xué)科特點(diǎn)，堅(jiān)持以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體，教學(xué)為主線，突出在講練結(jié)合的數(shù)字電路課堂教學(xué)中展現(xiàn)自身人格魅力。彰顯教師在潛移默化中感染和影響學(xué)生的理想信念、知識(shí)能力、學(xué)識(shí)水平、品質(zhì)修養(yǎng)等人文素質(zhì)［5］。首先教師要?jiǎng)側(cè)嵯酀?jì)，充滿親和力地與學(xué)生溝通，與學(xué)生良好互動(dòng)，努力感染學(xué)生的內(nèi)心，使學(xué)生喜歡上老師，喜歡上老師的數(shù)字電路課堂；其次要不斷學(xué)習(xí)，用新知識(shí)提升學(xué)識(shí)魅力，在教學(xué)過程中充滿自信，滿懷激情，教師豐富科學(xué)文化基礎(chǔ)知識(shí)和精深專業(yè)學(xué)科知識(shí)，既能理論聯(lián)系實(shí)際地向?qū)W生傳授知識(shí)，又能風(fēng)趣幽默地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使課堂保持求知的積極性；再次在問題處理上，教師展現(xiàn)智慧和包容魅力，在課堂上常會(huì)出現(xiàn)影響教師教學(xué)的情況，比如學(xué)生玩手機(jī)、睡覺等，在遇見這類問題時(shí)，教師可以根據(jù)頻率和時(shí)長(zhǎng)采取理解、微笑提醒和站在后排聽課的方式處理。鑒于問題總是在實(shí)踐中不斷出現(xiàn)，方法總是在實(shí)踐中不斷悟出，經(jīng)驗(yàn)總是在實(shí)踐中不斷積累，人格魅力的提升也要在實(shí)踐中不斷地完善與提高。

（二）案例式教學(xué)法

案例教學(xué)法是通過經(jīng)典案例分析、講解、討論等環(huán)節(jié)加深學(xué)生理解復(fù)雜問題的一種經(jīng)典的教學(xué)方法。為滿足學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路的好奇心，有效理解較為抽象的邏輯知識(shí)，加深理解相關(guān)時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)步驟［6］，可根據(jù)數(shù)字電路知識(shí)體系、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用和當(dāng)前電路熱點(diǎn)問題構(gòu)建生動(dòng)有趣的案例教學(xué)。例如識(shí)別并繞開障礙物的智能機(jī)器人，依靠前端的視覺傳感器可以在布滿障礙物的環(huán)境里自由行走。當(dāng)遇到障礙物時(shí)傳感信號(hào)為1，控制信號(hào)Z1和Z0控制腳輪行走以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向。在避障規(guī)則的指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和直行，試用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人行走方式的避障控制器的教學(xué)案例，增強(qiáng)課程的趣味性；又如為提高道路交叉口車輛的通行效率、緩解交通堵塞，解決交叉口在車流量相差很大時(shí)產(chǎn)生空等待的問題，提出以兩相位十字交叉口為對(duì)象，用Verilog HDL硬件描述語言在Quartus開發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)信號(hào)燈控制模塊、分頻模塊、譯碼顯示模塊，利用QuartusⅡ13.0軟件進(jìn)行綜合測(cè)試，對(duì)交通控制系統(tǒng)進(jìn)行功能仿真的交通燈控制器設(shè)計(jì)，豐富案例教學(xué)的內(nèi)容。學(xué)生通過聆聽、思考并交叉運(yùn)用提問、交流等方式加深理解同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力，將經(jīng)典理論知識(shí)與前沿研究?jī)?nèi)容深度融合，創(chuàng)造生動(dòng)活潑的課堂氣氛激發(fā)學(xué)生理解數(shù)字電路相關(guān)知識(shí)的興趣，平等的互動(dòng)交流催生了學(xué)生的創(chuàng)新思想的火花［7］。不斷運(yùn)用上述案例，持續(xù)引領(lǐng)學(xué)生探究新知，將按部就班的課堂教學(xué)過程轉(zhuǎn)變?yōu)槊鞔_的任務(wù)實(shí)現(xiàn)過程，在理論教學(xué)和動(dòng)手實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識(shí)。

（三）探究式教學(xué)法

為增強(qiáng)學(xué)生對(duì)邏輯電路的分析能力、設(shè)計(jì)集中規(guī)模邏輯器件應(yīng)用的能力，項(xiàng)目組提前將設(shè)計(jì)好的教學(xué)案例和案例思考發(fā)給學(xué)生，便于教師在課堂上引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和學(xué)習(xí)，科學(xué)合理安排學(xué)生討論和師生互動(dòng)?！疤骄俊弊鳛橐环N科學(xué)有效的教學(xué)方法，主要對(duì)理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，采用知識(shí)點(diǎn)融合案例的教學(xué)形式，更有利于學(xué)生理解相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)［8］。例如在前面章節(jié)已經(jīng)學(xué)過的復(fù)合門設(shè)計(jì)全加器電路，在講授中規(guī)模集成組合邏輯電路的內(nèi)容時(shí)，可以先拋磚引玉，使學(xué)生思考是否還能用其他邏輯部件來實(shí)現(xiàn)加法器電路，由此引出本節(jié)將要學(xué)習(xí)的加法器74290、譯碼器74138和數(shù)據(jù)選擇器74153等中規(guī)模邏輯器件及其相應(yīng)的芯片邏輯電路。接續(xù)提出譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器的定義為什么能實(shí)現(xiàn)上述加法器電路設(shè)計(jì)等問題。首先依據(jù)功能表與邏輯符號(hào)詳細(xì)講授其邏輯功能，然后通過例題講解與復(fù)合門結(jié)合實(shí)現(xiàn)邏輯電路功能的設(shè)計(jì)過程，學(xué)生不僅收獲了消除疑問的喜悅，也掌握了采用多種方案實(shí)現(xiàn)同一邏輯問題的組合邏輯電路設(shè)計(jì)方法。該探究式教學(xué)方法通過分析問題、主動(dòng)學(xué)習(xí)、理解問題、解決問題等環(huán)節(jié)的引入，不僅能開闊學(xué)生視野，還能加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高學(xué)生的探究能力和創(chuàng)造能力，充分發(fā)揮其主動(dòng)性和積極性，為后續(xù)驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的教學(xué)做好鋪墊。

（四）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生以任務(wù)為學(xué)習(xí)的中心，在執(zhí)行任務(wù)過程中去討論、分析、解決問題，是培養(yǎng)學(xué)生小組協(xié)作能力的有效教學(xué)方法。需要從學(xué)生的視角設(shè)計(jì)教學(xué)項(xiàng)目主題，包含選擇、方案設(shè)計(jì)、所需材料的選取等［9］，在實(shí)施過程中以學(xué)生為主體來設(shè)計(jì)與選擇，教師不包辦代替、不提供直接的解決方案，學(xué)生要從自身生活的經(jīng)驗(yàn)世界中，利用所學(xué)知識(shí)，尋求解決方案。該教學(xué)方法讓教師圍繞著一個(gè)核心知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)階式引導(dǎo)學(xué)生在課前進(jìn)行調(diào)研，將所學(xué)的理論知識(shí)融會(huì)貫通，自主設(shè)計(jì)一個(gè)完整的系統(tǒng)，再搭建電路與系統(tǒng)仿真并完成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目實(shí)施中，按照個(gè)人的意愿和特長(zhǎng)允許學(xué)生3人一組在團(tuán)隊(duì)中發(fā)揮各自的作用，相應(yīng)負(fù)責(zé)電路理論分析、電路設(shè)計(jì)、電路制作。團(tuán)隊(duì)在時(shí)間允許前提下，鼓勵(lì)對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)感興趣或?qū)嵺`能力較強(qiáng)的學(xué)生掌握學(xué)習(xí)的主動(dòng)權(quán)，利用仿真技術(shù)搭建虛實(shí)結(jié)合的電子課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，升級(jí)項(xiàng)目難度并為項(xiàng)目考核加分。在項(xiàng)目考核內(nèi)容方面，需要體現(xiàn)原理與方案選擇的課前調(diào)研；體現(xiàn)出系統(tǒng)功能的構(gòu)建方法和電路設(shè)計(jì)的自主創(chuàng)新；體現(xiàn)出規(guī)范的設(shè)計(jì)報(bào)告所包含的測(cè)試過程、數(shù)據(jù)分析與仿真結(jié)果。上述三種體現(xiàn)反映了全方位、多角度的考評(píng)機(jī)制，在破解過去學(xué)生被動(dòng)等待教師傳授知識(shí)的難題，在逐步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合實(shí)踐能力，使學(xué)生探索主動(dòng)尋求知識(shí)融合的方式方法，鍛煉學(xué)生的溝通和管理能力等方面，均有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)踐探索價(jià)值。

（五）踐行課程思政

將思想政治教育融入課堂教學(xué)，是目前教學(xué)改革中的重要熱點(diǎn)。數(shù)電課堂中如果能夠潛移默化地將表面冰冷的概念、定律和方法中引發(fā)出智慧光芒、深層次哲學(xué)和人文思考，將科學(xué)知識(shí)蘊(yùn)涵的美麗思考呈現(xiàn)給學(xué)生，使學(xué)生沐浴深層次、高質(zhì)量、全方位教育春風(fēng)，這也是大學(xué)教師對(duì)“傳道、授業(yè)、解惑”的高境界詮釋［10］。基于以上教學(xué)理念，凝練思政元素步入數(shù)字電路課堂的教學(xué)實(shí)例，詳細(xì)闡述如何將數(shù)電知識(shí)與做人、做事相結(jié)合，增強(qiáng)服從意識(shí)，達(dá)到“教書重在育人”的教學(xué)目標(biāo)。在數(shù)字電路教學(xué)中，鑒于時(shí)鐘在數(shù)字電路中扮演同頻同步各種信號(hào)的功能，因此各輸入信號(hào)、邏輯單元等狀態(tài)出現(xiàn)與更新都以時(shí)鐘為基礎(chǔ)發(fā)揮指揮棒的作用。同樣，學(xué)生在集體生活和學(xué)習(xí)中，只有統(tǒng)一時(shí)間節(jié)點(diǎn)與號(hào)令，大家才能步調(diào)一致的有序運(yùn)轉(zhuǎn)，體現(xiàn)出什么時(shí)間段出現(xiàn)什么狀態(tài)（該干什么事情）的人生哲學(xué)。在講解觸發(fā)器時(shí)，先講述所有的觸發(fā)器之間都一脈相承，均在閂鎖電路的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，觸發(fā)器之間可以相互轉(zhuǎn)換，如果身邊沒有JK觸發(fā)器，可以用D觸發(fā)器代替，故以此告之學(xué)生，同樣與我們同承一脈的兄弟姐妹，他們身上不僅有相似的優(yōu)點(diǎn)，而且還有值得重視的性格缺陷和其他缺點(diǎn)，故不僅要相互珍惜，更要加強(qiáng)溝通與聯(lián)系，要以開放、包容的姿態(tài)對(duì)待他們，切莫因?yàn)樾∈露肛?zé)與否定。

二、數(shù)字電路教學(xué)方式課程教學(xué)改革思考

在“新工科”背景下，建立以應(yīng)用為主線，運(yùn)用典型系統(tǒng)的案例分析、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練的多種教學(xué)方法的交替綜合，既可以鼓勵(lì)學(xué)生利用開放實(shí)驗(yàn)室，激勵(lì)學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)自學(xué)平臺(tái)解決面對(duì)新工科自學(xué)能力欠缺的問題，還可以擺脫傳統(tǒng)教學(xué)中的學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力弱、動(dòng)手能力差的問題。反觀近5年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合的數(shù)字電路課程非常感興趣，在項(xiàng)目實(shí)施中所投入的精力和時(shí)間已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出課程的要求，產(chǎn)生了明顯的教學(xué)效果。開放實(shí)驗(yàn)室的有效利用，使得項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)做到了項(xiàng)目時(shí)間、項(xiàng)目?jī)?nèi)容和項(xiàng)目器材對(duì)學(xué)生的真正融合，使學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐結(jié)合、課程前沿與經(jīng)典結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合，將耳聞（授課聽課）、目睹（課堂演示）、手動(dòng)（學(xué)生做實(shí)驗(yàn)）、完成項(xiàng)目的經(jīng)歷有機(jī)結(jié)合起來，突出重點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，在促進(jìn)學(xué)生充分閱讀教材，查閱學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)資源，提升語言表達(dá)與合作能力，完善編程等實(shí)踐能力方面激發(fā)更多潛能。學(xué)生評(píng)教顯示，項(xiàng)目式教學(xué)使教師給予了學(xué)生更個(gè)性化的指導(dǎo)，有針對(duì)性地彌補(bǔ)了學(xué)生能力的短板，學(xué)生對(duì)教師的教學(xué)態(tài)度評(píng)價(jià)高，學(xué)生的學(xué)習(xí)獲得感強(qiáng)，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的熱情，工程實(shí)踐的能力以及探究和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)，讓學(xué)生在“干中學(xué)”。課程思政幫助學(xué)生在潛移默化中熟悉了分析與設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，提升了對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，擴(kuò)展了知識(shí)的外延，升華了做人做事的道理，與項(xiàng)目式教學(xué)深度結(jié)合構(gòu)成了數(shù)字電路課堂融入新工科教育的重要教學(xué)改革手段。

三、結(jié)語

文章在西北農(nóng)林科技大學(xué)新工科建設(shè)背景下，以不斷提升教師人格魅力為前提，通過多種教育方法融合思政教育，使學(xué)生更快、更好地領(lǐng)會(huì)電路理論，鍛煉動(dòng)手能力，喚起學(xué)生對(duì)數(shù)電課程的好奇心，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)探索電路相關(guān)研究領(lǐng)域知識(shí)的熱情，特別是項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)教學(xué)改革應(yīng)用已經(jīng)成為學(xué)校授課教師的共識(shí)。根據(jù)針對(duì)性較強(qiáng)的問題思考和課堂練習(xí)，結(jié)合理論知識(shí)循序漸進(jìn)地展開課程設(shè)計(jì)、電路仿真，形成以課堂主體、網(wǎng)絡(luò)為驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、開放實(shí)驗(yàn)室為載體的協(xié)同教學(xué)模式，探究以學(xué)為中心的多種教學(xué)方式的改革與嘗試，在“新工科”建設(shè)中對(duì)新一代電路人才培養(yǎng)具有重要意義。相信面向新工科內(nèi)涵的數(shù)字電路教學(xué)方式的構(gòu)建與實(shí)踐，將會(huì)得到更多教師和學(xué)生的認(rèn)可。

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