融合CDIO的數字邏輯實驗教學改革探索

丁淑妍 李世寶 顧麗紅

摘要：改革傳統數字邏輯電路實驗教學模式，探索融合CDIO先進的工程教育理念，以“簡易數字跑表”實驗為例，從項目內容、項目要求到項目評價三個角度介紹了新的實驗教學方法，使學生在“構思—設計—實現—運作”四個階段較好地發揮主觀能動性，在對整體知識結構的掌握、單一知識點的理解、工程實踐能力的訓練、團隊協作意識的提高各個方面，均取得明顯的效果。

關鍵詞：CDIO；數字邏輯電路；實驗教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）25-0136-02

一、背景

CDIO理念是以麻省理工學院為首的全球幾十所著名大學倡導的現代工程教育框架，是當前國際工程教育最新的發展方式，集構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）和運作（Operate）四個階段為一體。它以產品研發到運行的生命周期為載體，讓學生以主動、貫穿式、實踐的方式學習工程性明顯的課程，從而能夠在課堂理論學習和實驗項目完成的基礎上，提高工程實踐能力。

數字邏輯電路是工科高等教育的一門重要專業基礎課程。該課程對于培養學生分析計算能力、實驗操作能力、研究設計能力和科學歸納能力等有著重要的作用。除理論教學外，必須配以一定的實踐環節，才能使學生更好地掌握課程內容，而且實驗項目的內容設計對于整個教學過程中學生能力的培養起著至關重要的作用。教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》（教高[2005]1號）中有關本科實驗教學工作中提出，要“大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力”。《數字邏輯電路》無論是課程內容和課程特點，還是課程地位，都決定了其實驗教學環節必須肩負提高學生綜合實踐能力和培養學生工程實踐素質的責任。

二、傳統數字邏輯電路實驗項目存在的問題

《數字邏輯電路》是我校（中國石油大學（華東））通信工程專業的一門專業必修基礎課，針對課程自身特點和其在整個專業培養方案中的地位，課程組已經對其理論和實驗內容教學進行了深入調研和分析，做到了理論和實驗相結合、硬件實驗和軟件仿真相補充，但在以下幾個方面仍存在一定的問題。

1.實驗內容缺乏綜合性，系統度不夠。傳統的實驗環節是學到某個章節，針對該章的知識點布置簡單的實驗內容，學生也可以很快地理解要求完成實驗，但課程結束后對一些綜合性的電路分析和設計理不清思路，缺乏整體性，系統度不夠。

2.實驗要求缺乏獨創性，工程力不足。傳統實驗教學環節雖然也有簡單的綜合性實驗項目，但是要求過于死板，沒有給學生提供獨創的空間，實驗內容與實際工程結合度不高，無法激發學生的興趣，致使學生缺乏獨立思考和參與熱情。

3.結果評價缺乏多元性，過程化不顯。單純的實驗報告評價和現場實驗操作的簡單考核，沒有考查到不同學生在實驗設計過程中的方案論證、縝密思考和調試修改等環節，無法激發學生的主觀能動性，不可避免地存在學生把寫實驗報告當成負擔，甚至出現抄襲的現象。

三、融合CDIO理念的綜合性實驗項目教學探索

針對傳統數字邏輯電路實驗教學中存在的問題，以“簡易數字跑表”實驗項目為例，探索融合CDIO理念的數字邏輯電路實驗教學方法。“簡易數字跑表”就是一個計時工具，下面從實驗內容、實驗要求和實驗考核三個角度對該綜合性實驗項目的教學新方法進行說明。

1.貫穿式的實驗內容設計。所謂貫穿式的實驗內容，是指教師在理論課程授課開始前布置實驗任務，將實驗內容中所涉及的知識點和理論教學建立起對應關系，明確各章節知識點在本實驗項目中的作用，將課程全部知識點進行融會貫通。從而可以使學生的學習目的更加明確，提高了教學效果。

簡易數字跑表的設計指標主要包括：①計數包括百分秒、秒、分鐘，各兩位；②開始/停止按鍵，低電平為計時，高電平為暫停；③復位按鍵，低電平時為計時，高電平為清零；④用BCD碼計數方式，直接輸出到6個數碼管顯示讀數。因此需要用到的電路單元主要有：控制電路、分頻器、顯示譯碼器。

從實驗項目的建模到最后實現，其各環節與課程內容的對應關系為：功能分析環節，用到課程的數字邏輯基礎知識部分，包括邏輯變量定義、邏輯函數表述、真值表；計時部分主要用到時序邏輯電路的計數器和分頻器電路；時鐘電路對應于課程的脈沖波形的產生與整形電路章節；數碼顯示環節，主要用到基本邏輯門電路和組合邏輯電路的譯碼器芯片。此外的一些細節和輔助芯片，在布置實驗任務時進行說明，引導學生查閱資料，補充完善。

2.工程化的實驗任務要求。根據實驗項目內容，要求學生自由組隊，并進行任務分工。在構思階段（C階段），在教師引導下，團隊成員集體討論，通過深入理解任務內容，確定所需輸入/輸出邏輯變量、系統狀態、狀態轉換關系等，建立數學模型。可以鍛煉學生的獨立思考能力，查閱資料能力。設計階段（D階段），團隊各成員結合理論教學中的簡單實例，對應進行子任務的設計。先采用軟件工具進行仿真模擬，從而進一步理解實驗項目中各電路芯片的工作原理。隨著理論學習的不斷深入，教師引導學生查閱資料，鼓勵學生在原有任務內容基礎上進行自由發揮和合理創新，使實驗項目功能更加豐富，并能綜合利用更多的理論知識。從而激發學生的學習興趣，提高學生的參與熱情，培養學生的創新能力。實現階段（I階段），將各子任務合并，并進一步進行仿真調試，直到得出正確實驗結果，然后用實際硬件芯片來實現，并用示波器、萬用表等相應工具進行測試，排查故障，完成實驗項目。在這個過程中，學生可以充分理解各芯片在實際應用中的注意事項等，鍛煉學生工程實踐能力。運作階段（O階段），團隊成員進行項目展示，從設計思路、設計原理、關鍵技術、到調試過程遇到的問題及解決方法，進行全面的說明。對一個問題從理解到應用，再到講解，進一步鞏固所學知識。這不僅能擴大學生的視野，而且能培養團隊的協作意識。

3.過程化和多元化的實驗評價機制。融合CDIO工程教育模式的實驗項目在考核階段，除了傳統的實驗報告外，更多的比例為采取過程化和多元化的評價機制。過程化主要體現在對電路設計各個環節均進行評價，改變以往僅僅關注任務完成的結果，而忽視設計過程的評價模式。從電路設計的基本過程上看，其中的各個環節是一個遞進的過程，包括“數學建模→電路設計→電路仿真→電路連接→電路測試→電路完善”。每個環節不僅對于最后成果的呈現非常重要，而且對下一個環節如何進行和進行得好壞起到至關重要的作用。因此，根據各個階段性任務是否符合要求，或者在符合要求的前提下完成的質量情況，給予一定比例的分數。

多元化包括評價主體的多元化和評價對象的多元化，打破傳統單一的由老師評價學生完成的狀況和只評價個人任務完成的狀況，加入組內評價和不同組之間的評價。課程評價標準將教學標準和行業標準統一起來，將任務完成情況和團隊合作及個人在團隊中貢獻度結合起來，從而避免了僅評價實驗報告的片面性，使最終評價更加合理、完善，極大地提高了學生在學習和實驗過程中的主觀能動性。

四、結語

在《數字邏輯電路》實驗教學中融入CDIO工程教育理念，從實驗內容、實驗要求和實驗評價三個方面改革傳統實驗教學模式的不足。使學生對基本理論知識有更完整和更深層次的理解，并在此基礎上培養學生的創新精神、系統性思維能力、工程實踐能力和團隊協作意識，很好地保證了教學質量和教學效果。

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