應用型本科院校數字電路與邏輯系統教學改革實踐

摘要：應用型本科院校的《數字電路與邏輯系統》課程作為學科建設的重要基礎課程之一，不僅需將培養人才的目標定位于應用型人才，體現出對專業培養目標的支撐作用，還需要與工程實踐相結合，培養理論基礎扎實、實踐能力強、符合市場需求、適應社會發展的高素質應用型人才。

關鍵詞：應用型本科院校;新工科;數字電路;教學改革

一、引言

《數字電路與邏輯系統》（以下簡稱《數電》）是電子信息工程、電氣工程及其自動化、計算機科學與技術等工科專業的重要專業基礎課程，也是一門發展迅速、實踐性和應用性很強的課程。該課程在電子類、電氣信息類、計算機類專業人才培養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，其主要任務是讓學生獲得數字電子技術的基本理論、知識和技能，培養學生分析和解決實際數字電路/系統問題的能力，為后續學習可編程邏輯器件與VHDL、微機原理、計算機組成原理、單片機和嵌入式等專業課程打下基礎。

在國家戰略方面，隨著集成電路、物聯網、5G等產業的發展，使得對相關人才培養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。針對應用型本科院校發展方面，隨著“新工科”及新一代信息技術產業的發展，地方本科院校承擔著培養應用型人才的重任，要求培養出的人才應具有較強的實操能力和工程能力。

二、《數電》課程現狀分析

《數電》作為工科類的專業基礎課，對學生的工程意識、工程能力與工程創新精神的培養起到承前啟后的作用。但目前《數電》課程的授課方式，多數還停留在傳統的講授方式，雖然也有老師將教學內容進行實例化、情景化的改革，但對學生的實踐能力的培養，始終還不能充分銜接，往往出現理論課程與實驗課程內容脫節，或僅進行驗證性實驗、缺少相關的系統性項目實踐的問題。因此在以往的課堂中，教師往往扮演著課堂教學的主體角色，而學生處于被動受教的狀態且缺乏自主思考和探究的過程，不足以激發學生的興趣，也就不能帶動學生對知識進行獨立思考;同時，學生缺少動手實踐的機會，對工程素質、創新能力的培養十分有限。目前我系《數電》仍主要使用傳統教學內容與方法，但此課程是一門實踐性和應用性很強的課程，它不僅與后續課程《可編程邏輯器件與VHDL》的教學內容銜接緊密，并且兩門課在數字系統的分析方法、項目設計思路上由淺入深、循序漸進。因此，在《數電》課程階段進行項目化重構與教學方法、教學評價改革，使學生更早建立對工程項目從無到有的實戰練習，對后續課程的順利開展與學生工程綜合能力的提升，具有十分重要的意義。

三、《數電》課程改革思路

（一）教學內容模塊化

并以培養學生綜合素養與動手能力為主線進行項目設計，開發具有工程特色的課程體系。對原有理論內容進行模塊化重構，并在此基礎上，針對不同知識模塊的內容特點與理論講授型教學現狀，采取項目驅動與工程情境驅動教學相結合，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，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。

（二）以學生為中心

初步建立以線上資源與教師自有資源為主體，學生課前線上學習、課堂線下討論的混合式教學模式，促使學生在有限的學時內提高學習效率，培養探索、創新的能力。針對以目前教師為中心的教學模式，通過翻轉教學、項目驅動、仿真實驗等方法，逐步建立學生在學習過程中的主體地位。

1.以電子信息工程專業為初期實施對象，整合《數字電路與邏輯系統》課程的線上教育教學資源，同時根據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.根據課前學習任務，通過數據監控與配套測試實時掌握學生預習行為與預習效果，并針對課前學習出現的問題與模塊化內容的教學設計進行部分翻轉教學。

3.課堂教學過程中注重系統性與拓展性，啟發主動思考、擴展思維，結合工程實踐進行內容擴充，并在項目設計過程中傳遞CDIO（構思Conceive-設計Design-實現Implement-運行Operate）思路，培養工程思維與職業素養。

4.細化完善考核評價體系。鼓勵學生開展討論與互評，同時將SPOC平臺的數據與學生線下的表現結合，同時引入企業評價，對學生的綜合表現進行準確評價。

（三）以產業需求為導向

以實戰型教師為主干，初步建成一支具有較高教學水平和較強實踐能力、結構合理的“雙師型”教師團隊。改變“在規定學時和教室內，僅僅講授沒有錯誤的知識”這一以教師為中心的教學現狀，鼓勵教師探索新知識，結合工程實踐，并形成適合本院學生的教學內容與教學方法。提高教師自身素養與能力，通過參與科學研究、行業會議、掛職鍛煉等方式，探索新知識，并結合工程實踐，優化并形成適合本院學生的教學內容與教學方法。

四、《數電》課程改革實踐

（一）教學內容改革和教學體系改革

1.明確課程定位

《數電》課程的能力培養目標為提高學生的邏輯思維與數字系統設計能力。在理解專業人才培養方案（2019版）的基礎上，進行行業、企業調研，根據行企需求明確《數電》在電子技術、電氣信息、計算機類專業就業過程中的細節需求與其他專業課程之間的聯系點。站在學生未來能力培養的角度，對學科與行業領域整體進行凝練。

2.教學內容優化

相對于有限的教學課時，課程的知識內容非常龐大，如何形成有限學時內的《數電》課程內容體系，需要進行教學內容、資源的有效選擇與整合。

恰當使用開放精品慕課資源，配套建立與慕課資源相對應的引導性測試;根據學生課堂的表現與反饋，針對部分課時內需要弱化，但又作為重要基礎知識的內容制作相應微課視頻以補充學生課前、課后階段的學習所需。線上微課的設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容演示出來，達到較易理解的效果;同時及時引導學生思考，達到舉一反三的學習效果。

理論與實踐一體化教學：強調理論與實踐的交替進行，著力培養學生的動手能力和專業技能，可充分激發學生的興趣。尤其是在軟件操作、硬件設計學習初期，學生可以通過模仿老師的操作，進行高效學習。

對課上內容的補充與完善：針對學生在預習、課上學習過程中產生的問題，課上講解之后學生仍然存在問題的內容;綜合設計或討論之后，學生仍存在疑惑的知識點，可通過微課教學設計，用不同角度引導學生進行查漏補缺。

3.課程內容模塊化構建與實施

對原有理論內容進行模塊化重構，針對不同知識模塊的內容特點，設置綜合項目，再對綜合項目采取項目驅動與工程情境驅動教學方法相結合，使用Multisim軟件（具有豐富的芯片庫與測試儀器儀表）進行虛擬仿真實現項目設計，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。

（二）教學方法和教學手段改革

在明確課程定位的基礎上，采用多元化教學方法，將理論與實踐結合，線上與線下融合，課前、課中、課后內容層層遞進貫通，使學生掌握知識的同時，培養工程思維與項目的執行能力，從而實現CDIO的培養目標。教學過程中，主要采用Multisim軟件進行數字電路的設計與仿真;亦可根據各專業需求，選擇EDA軟件Quartus II進行系統級仿真，為可編程邏輯器件與硬件語言VHDL/Verilog課程的學習打下基礎。主要教學方法有：

1.翻轉課堂教學法

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

2.項目驅動教學法

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

3.案例教學法

由生活中的實際案例驅動，引導學生從現象到本質進行探究，從基礎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計的需求分析;同時啟發學生思考哪些部分還可以優化，再運用深度教學方法引導學生繼續優化設計。例如：用CMOS芯片74HC4511實現時鐘顯示電路，首先讓學生自主預習顯示譯碼器芯片的工作原理，并根據之前階段培養的資料查閱能力，對芯片各管腳功能進行分析，再根據實際案例進行設計需求分析，進而選擇所需芯片進行電路設計;基礎電路設計完成后，還可繼續引導學生結合生活中的實際運用，繼續優化設計，熄滅高位的“0”。

4.情境教學法

在教學過程中，有目的地引入或創設形象生動的具體場景或課程思政，以引起學生的情感體驗，讓學習自然發生，進而幫助學生理解知識內容，并促使學生對系統模塊間如何關聯進行思考，提高教學質量。例如：如果你是一名志愿者，面對疫情中口罩需求的激增，如何幫助口罩生產商家按一定數量進行口罩分裝？這就需要設計一個計數器，并將口罩數量實時顯示出來。并流水線及生產過程的實際場景，讓學生了解各個模塊及所需芯片，拓展相關知識的廣度。

5.分享教學法

線上教學資源使學生能夠隨時隨地自主學習的同時，也帶來了使學生感受不到線下教學中實實在在的學習氛圍這一問題，使學習孤獨、難以堅持。分享教學法的主要目的是引導學生把學到的內容“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，同時可將線上預習成果檢測、易混淆概念思辨、擴展性知識點、習題/測試題或主觀題等融入其中，促進同學之間分享知識、交流學習經驗的熱烈氛圍。

（三）教學評價改革

針對重構的教學大綱與教學內容，建立多元化考核指標，構建完整的過程評價體系，建立學生自主驅動學習的文化氛圍。

教師教學工作評價：定期調查問卷，任課教師互相聽課、開展教學討論等，企業參與評價。

學生學習效果評價的細化與升級：

1.細化20%考勤與30%過程考核量化指標，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;將作業考核細化為多種形式的過程考核，如：階段性測試、預習完成度、視頻觀看個數、參與話題研討次數與質量、主觀題同伴互評的綜合表現等。

2.知識考核向能力考核轉變。將知識放在具體場景中，讓學生應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由傳統習題升級為數字系統的設計問題，鼓勵學生使用工程思維解決問題。同時配合模塊化內容和基于項目的教學方法，對主觀設計內容構建開放性評價體系，采用小組討論與互評的學習和評價方式，對學生的表現進行基于CDIO的綜合評價。

五、結束語

通過對《數電》課程的教學實踐，近兩學期已將部分改革內容實施于電子信息工程專業的學生。經專業主任教師、教研室主任、教研室教師聽課反饋良好;通過階段性學生問卷調查，學生反饋基本可以適應現階段教學內容與教學方法的調整;通過SPOC平臺后臺數據反饋，學生的預習自主性、預習測試效果、課堂互動效果、課后知識分享情況良好。通過配套實驗課程、課程設計課程、學科競賽等方式的開展，印證了通過本課程應用型模式實踐，逐步培養了學生的自主學習意識與能力，逐步提升了學生工程實踐能力與創新意識。同時，學生對課程內容的興趣、對學科拓展的能力均有一定程度的提高，初步實現了“應用型”人才的培養。

作者單位：邵璐? ? 寧夏大學新華學院

參? 考? 文? 獻

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