新工科背景下基于OBE理念的數字電路課程改革與實踐

祝鵬

摘要：新工科建設背景下，傳統的數字電路教學模式不能很好契合卓越工程科技人才的培養需求，課程改革迫在眉睫。以提高課堂成效和學生就業競爭力為出發點，以提升計算機系統能力、邏輯思維能力和自學能力為目標，以行業發展要求、企業崗位需求和學生職業生涯成長需求為指引，立足課堂、課程雙維度，通過重構課程內容體系、提升教學信息化水平、構建多課堂協同的線上線下混合式教學模式等措施，拓展師生互動方式與渠道，提升課堂教學質量和課程的實用性，推動同類課程的改革與建設。

關鍵詞：新工科;OBE理念;數字電路;課程改革

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）30-0166-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Digital Circuit Curriculum Reforming and Practice Based on OBE Concept under the Background of New Engineering

ZHU Peng

（Vocational and Technical College， Inner Mongolia Agricultural University， Baotou 014109，China）

Abstract： Under the background of new engineering， the traditional digital circuit teaching mode can not meet the training needs of outstanding engineering talents， so the curriculum reforming is imminent. In order to improve the classroom effect and students' employment competitiveness as the starting point， to improve the computer system ability， logical thinking ability and self-learning ability as the goal， to industry development requirements， enterprise job needs and students' career growth needs as the guidance， based on the classroom and curriculum two dimensions， through the reconstruction of the curriculum content system， improve the level of teaching information， construct the online and offline mixed teaching mode of multi classroom cooperation， expands the ways and channels of teacher-student interaction， improves the quality of classroom teaching and the practicality of the course， and promotes the reform and construction of similar courses.

Key words： new engineering; OBE concept; digital circuit; curriculum reforming

1引言

新工科是立足支撐服務創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略發展需求，主動應對新一輪科技革命與產業變革而提出的一種工程教育類新模式[1]，其核心特點是計算機學科與各學科的交叉、融合，人才培養標準是引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才，這就要求培養的學生不僅僅具備分析、解決實際工程問題的能力，更應具備密合技術發展和變革升級所需要的快速適應能力、動態調整能力、實踐創新能力以及交叉復合能力[2，3]。當前工程教育還存在著思維局限化、模式陳舊化、教學理論化、內容滯后化、考核評價單一化等問題，不利于創新思維和創造能力的培育，與行業需求及企業人才要求脫節，這都推動著職業教育教學模式的變革：改變以教學資源為中心、以教師講授為主、學生被動學習為輔的傳統教學模式，變為以學生為中心、以產出為導向、持續改進的新型教學模式，同時運用現代信息技術改進教學方式方法，引入行業、企業資源推進線上教學信息化建設和普遍應用，形成多元參與、多主體合作的共贏局面，實現行業企業需求與高職教育發展的同頻共振。

我校計算機硬件類課程群主要包括計算機組裝與維護、數字電路、微機原理與接口技術、操作系統、單片機原理及應用等課程。數字電路的課程定位為計算機硬件類課程群中最主要的專業基礎課，學生通過課程學習，掌握組合邏輯電路、時序邏輯電路以及脈沖波形產生電路的使用，能夠根據需求獨立進行常用中小規模集成電路的分析、設計、安裝和調試，具備一定的“邏輯思維”能力，為后續大規模及超大規模集成電路的學習和設計奠定基礎。受教育理念、教學模式、學情差異及實驗設備等多種因素制約，教學不能很好契合新信息技術的需要，課堂教學的成效不足，課程改革迫在眉睫。

2課程授課現狀及主要問題

2.1教育理念滯后且教學模式陳舊

授課教師未能充分把握新工科建設對課程建設的新要求，教學過程過于注重常用邏輯電路的定義、分類、特點、原理及應用等傳統知識傳授，忽略了學生邏輯思維能力及系統觀的培養，育人過程不能有機結合知識、能力和素質，部分教師采用灌輸式、“一言堂”式授課模式，片面認為幫助學生掌握數字電路的基本概念、原理并按照實驗指導書完成各類邏輯電路的分析與設計就算達成了教學目標，教學過程缺乏與學生的有效互動，知識講授完畢后學生是否理解以及理解的程度無法深度驗證，學生學習過程中不能從整個知識體系的視角審視所學，學習效果也無法適時對接行業企業需求及后續求職就業，面對枯燥、抽象的理論知識，只能被動地接受知識，學習興趣得不到激發，實踐能力得不到充分的培養，自學能力得不到提升，學習態度惰性明顯，往往只能掌握簡單的單個知識點，缺乏融會貫通，無法構造系統的知識框架。

2.2理論知識多且課程內容更新不及時

數字電路課程的教學主要分為理論和實驗兩個模塊進行，其中理論48學時、實驗16學時。理論教學主要知識點包括數制和碼制、邏輯代數與邏輯函數、門電路、觸發器、組合及時序邏輯電路分析與設計（包括常用中規模邏輯器件的使用）、半導體存儲器、脈沖波形產生與變換、A/D及D/A變換等，課程知識點繁多且前后聯系緊密，48學時把全部知識點講授完畢尚且困難，要把重難點講解清楚、學生理解透徹則顯得尤為困難，特別是部分同學對某個知識點理解不到位又不善于請教或自學，導致學習過程的“滾雪球效應”;同時上述理論知識體系與后續計算機硬件類課程存在部分內容上的重疊，不同課程授課教師不同，有同一知識多次重復講解的現象，造成時間和學習精力上的浪費，因此從課程群視角系統性重構和優化課程知識體系顯得尤為重要。實驗教學采用軟件仿真和實物操作結合的形式，軟件仿真以proteus軟件為載體開展，實物操作以實驗箱為載體開展。實驗類型以驗證型實驗為主、設計型實驗為輔，缺乏綜合型實驗，不利于實踐創新能力的培養，同時由于電子技術更新換代加快，新器件、新產品、新技術及新方法層出不窮，導致教師知識體系更新不適時、教材內容更新不及時，實驗所用器件相對較老、更新換代頻率較慢，所教所學均一定程度上滯后于社會需求。

2.3學情差異明顯，個性化學習需求得不到匹配

課程授課對象主要為計算機科學與技術、網絡工程、計算機系統與維護等專業的本專科生及專升本同學，大都來自不同的學校，生源既有普通高中又有職業高中，二者的學習能力、邏輯思維能力都存在一定差別，對同一知識點的掌握程度不盡相同;部分同學在專科階段學習了前置課程如離散數學、實用電子電路等，由于有硬件知識及邏輯代數基礎，學習起來相對容易，而未修過前置課程的同學需要從零學起;部分同學勵志電子信息類專業讀研深造，該專業學校大都以數字電路作為研究生初試專業課考試科目。這些都導致學生對課程的期冀、學習的訴求不盡相同，深度學習的需求及學習內容層次差異明顯，而課程講授的時候要面向全體同學，不能做到因材施教、因需施教。

2.4考核評價方式單一

傳統的數字電路考核評價過于注重結果性考核，過程性評價的比重較低。一般結果性考核采用紙質試卷、期末考試的形式，占總成績的70%;過程性評價主要包括上課出勤、課堂表現、作業、實驗完成情況及報告撰寫情況，占總成績的30%。該評價方式弊端較為明顯，一是過程性評價數據往往不完備，以課堂表現為例，其成績由班級同學上課問題回答情況及討論反饋情況給出，由于上課人數較多，不可能面面俱到，也不可能某個同學多次回答，因此成績可能由該同學問題回答最好或最差的一次給出，難免有以偏概全之嫌，一定程度上打擊學生平時學習的積極性、主動性;二是結果性考核的重點是理論知識的掌握程度，欠缺學生實踐能力及創新能力的考核，成績為主的考核側重導致學生的學習導向與新工科的要求出現偏差;三是部分同學通過考前突擊形式備考，難以建構課程的知識體系，后續課程使用相關知識的時候遇到困境。

3課程教學改革的總體思路

新工科背景下的現代計算機類專業高職教育承擔著培養復合型工程技術人才的任務，人才培養的核心是以能力建設為中心，以提升思想道德素質、科學文化素質、跨學科素養和職業素質為基礎，持續深化內涵建設、提高教育教學質量。作為計算機硬件類專業主干課程之一的數字電路，課程建設過程也必須遵循這一培養準則。因此，課程改革總體思路為：以新工科卓越工程人才為培養導向，以提升計算機系統能力、邏輯思維能力和自學能力為目標[4]，以計算機技術與軟件專業技術資格、計算機硬件類企業人才需求和崗位要求以及學生職業生涯成長需求為指引，立足課堂、課程雙維度，以學生為中心，以多課堂協同、線上線下混合式教學為方法，重構課程內容體系，拓展師生互動模式，改革考核評價方法，切實提升課堂教學質量和課程實用性。

4課程教學改革的實施

4.1貫徹學生中心理念、線上線下有機融合

融合OBE教育理念和高職教育培養目標，樹立以學生為中心、以行業企業需求、職業資格要求和專業培養目標結合的培養導向，設計在線開放課程資源，具體包含理論教學資源案例、實踐教學資源案例、自學資源案例，其中理論教學資源案例面向課程理論知識建構緯度，主要服務第一課堂，包含導學單、關鍵核心知識點微視頻、微課件、動畫、隨堂測驗、作業等內容，通過課前線上預習、課中線下學習（帶著問題學習、討論式學習等體驗式方式，借助調查問卷、彈幕互動、答題、討論等方式強化師生互動、檢驗學習成效）、課下線上測驗及重難點鞏固學習等方式建構理論知識體系;實踐教學資源案例面向實際應用場景、以項目化為主線開展，注重實際生產生活中理論知識的應用，主要服務第一課堂的實驗教學和第二課堂學以致用能力培育，除包含課程實驗教學內容外，引入企業培訓案例、電子設計競賽案例等，拓展學生課程學習視野、培植深度學習興趣[5];自學資源案例主要面向有繼續學習興趣、有學習余力、有深度學習需求的同學，以課程拓展知識點或技能點的形式給出，包括后續課程深度關聯知識點、數字電路行業發展趨勢及新技術介紹、電子科技類及相關競賽規程及作品集、硬件類方向職業職稱類考試考核要求及歷年試題資源、區內外知名院校數字電路課程大綱及歷年真題等，通過爬蟲技術不斷豐富案例庫，為不同學習需求同學建立個性化分析模型，開展各類資源的定向推送。

4.2重構課程內容、優化知識體系

從知識與能力并重、素養與視野并舉的角度重構課程內容體系，從系統能力培養視角優化課程知識框架，注重課程本身知識體系完整性的同時兼顧前后續課程的知識銜接以及新信息技術發展帶來的新知識、新技術、新方法，遵循牢固根基、感性認知、歸納總結、鞏固提高的知識養成路徑，按照“奠定理論知識基礎→興趣引導創建系統思維→凝練核心知識框架→鞏固提升批判思維”的素養提升策略，依托“輕結構分析、重功能應用”的思路重構課程內容[6]，具體為：（1）基本概念及邏輯基礎，包括數制和碼制、邏輯代數、門電路等內容，適當壓縮進制轉換、分立及集成門電路等前置課程關聯知識點，增大邏輯代數概念、規則等的講解，建構邏輯分析基礎;（2）邏輯電路的分析與設計，采用案例結合應用場景講解+仿真演示的教授方法，重點講解常用中規模集成器件如譯碼器、數據選擇器、計數器、寄存器等的邏輯功能、電氣特性及應用領域，壓縮內部結構的講解，使學生能夠識讀典型應用電路圖、會使用常用中規模集成器件，舉一反三，能夠看懂芯片手冊并掌握一般芯片的使用方法;（3）典型數字集成電路，主要講解脈沖波形的產生與整形電路，使學生掌握555定時器的使用，簡要講解半導體存儲器、數模及模數轉換的原理，具體應用由后置課程講授;（4）現代數字系統設計，以典型的數字系統設計實例為依托，系統講解現代數字系統的設計方法、模式、可編程邏輯器件及VHDL語言。

4.3依托需求設計實驗

改革理論與實驗分離的授課方式，實施教學做一體、理實結合的模式，講授理論知識同時開展實踐認知，摒棄傳統的以實驗箱為載體的驗證型實驗，采用先軟件虛擬仿真后洞洞板實物焊接操作的實驗授課形式，依托虛擬仿真技術解決實驗設備更新不及時問題，依據學生層次水平設計必做和選做實驗項目，按照學生認知水平及知識講授進程設置驗證性、設計性和綜合性實驗，其中驗證性實驗主要包括門電路、觸發器、常用中規模邏輯器件（如編碼器、譯碼器、數據選擇器、加法器、寄存器、計數器等）的功能性驗證，通過實驗能夠明確各類芯片的基本使用方法、各引腳的作用;設計性實驗以解決實際問題為指引開展，按照學生知識掌握程度分類開展，設置必做和選做實驗，針對具體邏輯問題，引導學生養成批判思維，給出不同的設計方案并選擇最優方案，一般選用少于3個中規模集成器件;綜合性實驗面向相對復雜的應用場景，需系統應用所學知識來實現產品功能。數字電路實驗項目的具體組織如表1所示。

4.4完善考核評價體系

OBE教育理念下的課程評價以學生素養提升為中心來確定評價目標，注重評價方式的多元化[7]，因此課程考核指標中需要適當增加過程性考核比重、弱化結果性考核比重，成績構成中過程性和結果性考核各占50%。過程性評價主要包括理論學習環節和實驗環節，前者的過程性評價主要包含以下部分：在線學習平臺的課前學習完成情況（包括課前預習任務點完成情況、應知應會知識點的客觀考核情況等）、課堂活動參與及課堂表現（主要包括考勤、隨堂測驗完成情況、課堂討論參與情況、問卷參與情況、選人回答情況等）、課后知識鞏固情況（作業、單元測驗情況等）;后者的過程性評價主要包含以下部分：實驗知識儲備及實驗任務預習情況、實驗方案設計情況、實驗報告撰寫情況、軟件仿真分析情況、洞洞板焊接情況、綜合作品答辯情況等。結果性考核以期末考試成績的形式給出，題目設置以邏輯電路的分析與設計為主，減少概念性、理論性試題，確保考核結果體現學生對知識、能力、素質的全面評價。

5 結束語

《數字電路》作為計算機硬件類專業重要的專業基礎課，以培養學生的系統思維、邏輯思維和工程實踐能力為目標，新工科這一工程教育類新模式的提出拓展了課程的目標維度，對課程建設提出了新的要求和期冀。依托OBE教育理念開展數字電路課程改革，以學生為中心，以卓越工程人才為培養導向，以行業發展需求、企業崗位要求和職業生涯成長需求為指引，通過重構課程內容體系、提升教學信息化水平、構建多課堂協同的線上線下混合式教學模式等措施，拓展了師生互動方式與渠道，強化了數據時代學習過程性數據的使用，促進了教師教學理念轉變和課程的信息化建設與應用，提升了課堂教學質量和課程的實用性，推動了同類課程的改革與建設。

參考文獻：

[1] 陳彥，徐利梅.“新工科”背景下“數字電路”課程的跨學科教學模式改革探索[J].工業和信息化教育，2018（12）：34-38.

[2] 董建娥，謝裕睿，李莎.新工科背景下的數字電子技術課程教學模式改革[J].現代信息科技，2019，3（23）：169-170，173.

[3] 郭金妹，張建榮，陳磊.“新工科”背景下面向實踐創新能力培養的數字電子技術基礎課程教學模式改革與實踐[J].科教導刊（下旬），2019（12）：113-115.

[4] 李東勤，徐勇，常郝.系統能力培養背景下《數字電子技術》課程改革[J].現代計算機，2019（33）：66-68，72.

[5] 李如春，金燕.數字電路與數字邏輯課程多課堂協同教學模式改革[J].計算機教育，2020（1）：164-167.

[6] 張利娜，劉尚爭，李定珍.《數字電子技術》課堂引入成果為本教學的探索[J].教育教學論壇，2019（39）：155-156.

[7] 孫琦，徐錦麗.基于OBE模式的《數字電路》課程教學改革研究[J].電腦知識與技術，2019，15（35）：170-171.

【通聯編輯：王力】