新工科背景下以能力培養為目標的民族院校數字邏輯實驗課程教學改革探索

摘? 要：數字邏輯作為一門理論性和實踐性都很強的理工類專業基礎課程，在新工科教育的需求背景下，對學生的實踐動手能力和創新能力提出新的挑戰和需求。然而，傳統的教學方式和課堂教學模式存在著課程設置和人才需求不符的現象，理論和實驗環節相分離，難以隨著技術發展實時做出調整，導致不能滿足新工科人才能力培養的需求。特別地，西南民族大學計算機專業本科的同學大多來自西南偏遠的少數民族地區，很多同學的學習基礎相對薄弱，加大了課程教學的難度。文章以新工科背景下對計算機專業人才培養的新需求為導向，結合民族院校學生的學習能力實際情況，針對目前課程教學中存在的這些問題，在數字邏輯實驗課中引入能力導向思維，針對教學中存在的問題進行行之有效的教學改革探索，使學生能夠通過學習數字邏輯實驗課程，掌握數字邏輯與數字電路的分析與設計方法， 為后續的其他軟硬件課程打下數字電路的基礎，從而培養學生分析和解決工程實踐問題的能力，并培養和提高學生的實踐創新意識和動手能力。

關鍵詞：新工科;數字邏輯實驗;教學改革

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0134-04

Abstract： Digital Logic as a theoretical and practical science and engineering professional basic course under the "new engineering" education demand background， new challenges and demands are put forward to the students' practical ability and innovation ability. However， the traditional teaching method and classroom teaching mode exist the phenomenon that the curriculum setting is not consistent with the talent demand， the theory and experiment part are disjointed， and can not be updated in time according to the development of technology， and it is difficult to adapt to the ability training demand of "new engineering" talents. In particular， most of the students majoring in Computer Science in Southwest University for Nationalities are from remote ethnic minority areas in Southwest China， and many of them have a relatively weak learning foundation， which also increases the difficulty of course teaching. In view of these problems existing in the current course teaching， this paper takes the new demand for computer professional personnel training under the background of new engineering as the guidance， and combines the actual situation of students' learning ability in ethnic colleges and universities， and introduces the ability-oriented thinking into the digital logic experiment course. This paper aims at the problems existing in teaching and explores effective teaching reform.? The purpose of the research is to enable students to master the analysis and design methods of digital logic and digital circuit through learning Digital Logic Experiment courses， and lay the foundation of digital circuit for other subsequent software and hardware courses. Finally， the study cultivates the students' ability to analyze and solve engineering practice problems， cultivate and improve the students' practical innovation consciousness and practical ability.

Keywords： new engineering; Digital Logic Experiment; teaching reform

作為計算機專業的一門專業基礎課，數字邏輯實驗課程是單片機技術、計算機組成原理及應用、嵌入式系統開發等硬件課程的前導課程[1]。數字邏輯實驗課程在整個計算機類人才培養方案中的地位非常重要，可以引導學生從了解數字電路，掌握其工作原理，一直到分析與設計數字硬件電路[2]。隨著科學技術的飛速發展，尤其是在國際競爭中，科技創新和技術升級的競爭愈演愈烈，我國國家發展戰略的核心已變為提高自主創新能力。特別是在2017年，教育部高等教育司發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，對高校特別是計算機類的專業基礎課程教學和實踐提出了新的要求和挑戰[3-4]。

數字邏輯作為一門理論性和實踐性都非常強的專業基礎課程，在新工科需求背景下，既要注重學習理論知識，為學生打下扎實的理論基礎，又要以提高學生的實踐動手能力和創新能力為目標，著重培養學生的實踐能力[5-6]。然而，原有的單一課堂教學模式存在課程設置與人才培養需求不一致的現象。傳統的課堂教學方式主要是教師在課堂上講授相關理論知識，實驗課上對理論知識進行驗證。理論和實驗環節相分離，難以隨著技術發展實時做出調整，導致不能滿足新工科人才能力培養的需求[7-8]。西南民族大學計算機專業本科的同學大多來自西南偏遠的少數民族地區，很多同學的學習基礎相對薄弱，在學習計算機類等難度比較大的專業時比較困難，這對數字邏輯這門基礎的計算機課程教學提出了新的挑戰。因此，數字邏輯實驗課的課堂教學作為人才培養中最基本的環節，在新工科人才培養過程中必須從實際需要出發，以課程教學為基礎，針對民族院校學生的學習能力，因材施教，進行必要的適應性教學改革。

本文通過對當前民族院校計算機類學生的學情分析，結合當前新工科背景下對基礎課程的教學要求，總結出當前數字邏輯實驗課程中存在的問題，并針對問題提出了一系列行之有效的改革方案。本文的機構安排如下：第一部分分析當前民族院校數字邏輯實驗課程教學過程中存在的問題，第二部分針對這些問題提出了對應的改革措施，第三部分結束語對文章進行了總結。

一、數字邏輯實驗課程教學存在的問題

西南民族大學計算機科學與工程學院將數字邏輯設置在大二的第一個學期，雖然每年數字邏輯教研組的老師們都會根據情況對實驗課程進行相應的調整和完善，然而目前的實驗課程教學依然存在著以下問題。

（一）理論課程課時減少，而培養要求增高的矛盾

新工科背景下，對數字邏輯實驗課程的教學培養需求提出了新的挑戰。而在2018年的新培養方案調整中，民大計科學院各專業的數字邏輯理論課程的課時由原來的每學期68個課時縮減到了34個課時。隨著課程課時的減少，如何優化實驗課程的教學內容提升教學效率達到更高培養目標的要求，成為目前實驗課程課堂教學的主要問題之一。

（二）實驗環節和理論環節相分離的問題

數字邏輯是需要兼具邏輯思維和動手能力的學科，該課程以培養學生綜合運用組合邏輯和時序邏輯設計數字電路的能力為教學目標。當前，大多數數字邏輯課程完全將理論教學與實驗教學相分離。理論課程以基礎知識和原理介紹及題目講解和筆試考核為主;實驗課程安排在理論課之外，且實驗過程中涉及的各種芯片功能原理和數字邏輯電路設計理論，都是理論先導課介紹很久的知識且教授的理論知識同實驗課程不能同步。學生不能及時對相關理論和設計進行驗證，實驗課程與理論課程嚴重脫節。不能實現理論教學和實驗教學的有機融合成為數字電路與邏輯設計課程的另一問題。

（三）實驗內容中綜合性和設計性實驗有待加強

目前的實驗內容中驗證性的比重較大，主要是對各種邏輯關系、芯片、簡單組合邏輯電路和時序邏輯電路的驗證性實驗。與實際應用密切聯系的綜合性、設計性的實驗內容較少，使學生認為做實驗就是連導線、搭電路、記數據和寫報告，導致其學習興趣不高，不利于學生學習興趣的培養和提高。

（四）實驗教學缺乏靈活性、自主性和互動性

首先，現有的實驗多是建立在固定電路上的，實驗過程較機械和簡單。很多情況下，都是教師在臺上先演示實驗過程，學生在下面跟著老師做，并沒有充分調動學生的自主學習動力。其次，完成電路驗證實驗后，教師沒有安排相應的拓展實驗任務供學生獨立完成。

（五）教學方式方法陳舊，學生興趣缺乏

信息化程度的不斷提升，使學生獲取知識的途徑更加便利和多樣化。因此如何采用多樣化的教學方式，例如利用虛擬仿真平臺等進行實驗，提升學生的注意力和興趣已經成為數字邏輯實驗課程教改過程中不可避免的問題。

（六）教學工具單一，教學方法不靈活

長期以來，數字邏輯課程都是利用在實驗室的試驗箱，讓學生自己在試驗箱上，用芯片和組合芯片驗證數字邏輯電路功能，教學工具單一。教師在講臺上講解相關內容，然后學生在老師的指導下進行操作，驗證試驗結果，并書寫實驗報告，教學方法不夠靈活。

二、數字邏輯實驗課程改革方案

本文擬從新工科建設下對計算機專業學生的能力培養的需求出發，針對目前數字邏輯實驗課程教學過程中存在的問題，探討改革思路，提出解決方案并進行教學試點。本文擬從以下七個方面對課程進行教學改革。

（一）優化實驗課程的教學內容提升教學效率

針對理論課程課時縮減一半，而新工科能力培養要求增高的矛盾， 本項目擬重新規劃實驗課程的教學內容，將部分理論課中不能直觀理解的內容，比如芯片引腳和功能的介紹等內容，放在實驗課中進行講解，講解的同時讓學生自己動手驗證芯片功能，從而提高學生自主學習的能力，并提升教學效率。

由于目前理論課程課時縮減一半，而數字邏輯課程本身的教學內容又比較多，本項目擬適當地增加實驗課的課時，將實驗課的教學課時由原來的每學期30課時，增加到34課時。

（二）實驗教學與理論教學緊密結合

針對實驗教學和理論教學相孤立問題，本文擬重新調整培養方案，將原來從第三周開始上的實驗課，調整到從第一周理論課結束之后就開始上。讓學生及時學習到相關理論和設計的實例演示，縮短理論課和實驗課相同內容學習之間的時間差，使實驗和理論做到緊密結合。

課程的實驗題目可以多選取貼近日常生活中的案例，如交通燈、計時器、數字時鐘等小型數字系統的設計與實現，讓學生結合具體的生活實際案例進行分析和設計，一方面提高學生的學習興趣，另一方面鍛煉學生的動手能力和實踐能力，加強理論與現實實踐的結合。

（三）以立體式的實驗教學體系構建為目標

針對實驗教學內容需要加強綜合性、設計性實驗的問題，構建了“基礎實驗”“大型實驗”“綜合實驗”等多層次的實驗內容體系。以綜合提高學生的學習興趣，并鍛煉學生設計大型實驗和綜合實驗的能力。

（1）基礎實驗層次教學包括電路基礎實驗和仿真電子基礎實驗。其目標是培養學生的基本實驗技能和分析解決問題的能力。采用分組實驗的方式，保證每個學生在實踐中都有操作和實踐的機會。

（2）大型實驗層次以大型數字電路實驗為主，以培養學生獨立分析、處理問題的能力為教學目標，促進知識更新，鼓勵創新思維，提高學生系統分析、設計和應用方面的能力，教學方式為學生在規定范圍內獨立選擇課題，并在實驗室以兩人一組的方式獨立完成實驗。

（3）綜合實驗型層次以數字電路系統性實驗的設計與實踐為主要內容，重點培養學生綜合利用先導學習背景實驗下的數字邏輯的專業知識和工程技能，設計和分析大型數字電路系統，著重培養學生的創新、自主學習、系統分析和設計的能力。教學可以結合電子設計競賽等課外科技活動來進行安排。教學方法是在教師的指導下，在開放式實驗環境中，通過需求分析、數據查詢、方案演示、設計調試、測試分析等過程，最終完成該實驗項目。

（四）重視具體的實驗步驟，貫徹預習、操作和總結的“實驗三部曲”

針對實驗教學缺乏靈活性、自主性和互動性的問題，在開設的數字邏輯實驗課程中，將實驗過程劃分為三個階段，預習、操作和總結。同時增加隨堂測試和課堂討論與互動，提高學生的自主學習能力。

（1）預習是為了使學生了解實驗的基本方法和原理，在老師的引導下使其快速掌握實驗原理及方法，在保證實驗質量的前提下設計出實驗邏輯電路。同時預習需要學生提交預習報告。

（2）操作不僅是學生對基本原理和方法的重新理解，而且也是對自己動手設計的數字邏輯電路進行驗證的過程。通過實踐，可以加深學生對所學理論知識的理解。實驗操作完成后需要教師的檢查和驗收。

（3）總結就是通過總結實驗過程中的現象，發現實驗過程中存在的問題，回顧整個實驗的過程和步驟，總結實驗心得體會，然后撰寫相關實驗報告，加強對所學知識點的理解。

（五）采用新興的多樣化教學手段

針對該問題，積極進行在線開放課程建設，鼓勵學生在線上和線下同時進行學習。同時，靈活設置實驗課教學內容，并多從日常生活中選取案例，增加做實驗的興趣。

（1）本科生網絡教學環境的開放，將師生之間的交流限制在課堂上的幾個小時內，課堂下面對面的交流機會減少。借助互聯網的快速發展，學校可以建立校園網，為師生提供學習交流的網絡平臺。教師可以在平臺上設置一個課程網絡區域，師生可以共享網絡資源。學生可以從網絡平臺下載多媒體課件進行自學，教師也可以隨時了解學生的學習動態，實時地調整數字邏輯實驗課程的教學計劃。

（2）進行在線開放課程建設，鼓勵學生在線上和線下同時進行學習。由于部分民族院校的學生來自比較偏遠的民族地區，學習基礎比較薄弱。設置線上課程，方便學生隨時觀看，并進行預習和復習。將平時上課講課的內容進行錄像，并放在學校的在線開放課程平臺。此外，在在線平臺上建立每個講解視頻的重點和難點，以及學生學習情況統計，方便老師了解學生線下學習的具體情況。

（六）采用多樣化的教學工具

虛擬仿真平臺教學是近年來教師們積極探索教學改革的重要手段。尤其是應對諸如“新型冠狀肺炎”等突如其來的情況時，學生不能及時來學校上課，利用虛擬仿真平臺進行教學，能夠克服硬件實驗課程教學的短板，保證學生課程的有效持續和培養方案的具體實施。

積極探索虛擬仿真平臺教學，具有重要的現實意義。在本課程的教學改革探索中，我們將積極采用protues軟件平臺，使同學們在電腦上就能模擬實驗箱上的動作，通過在電腦端拖動實驗器材，點擊鏈接線，并觀看實驗結果，可以方便學生更直觀地驗證實驗效果。同時網絡虛擬仿真平臺教學還可以更方便地開展綜合性實驗和大型實驗的設計和實現，并不需要學生購買大量的元器件來完成大型實驗，既可以減少教學的成本，同時還能減少手工連線過程中容易出現的連接錯誤，導致實驗失敗。此外，還可以將學生在電腦上進行的實驗，下載到可編程的硬件實驗電路板上，對實驗結果進行驗證。虛實結合的實驗方式，方法靈活，學生體驗也更為良好，對于培養學生的動手能力和學習興趣有很大的幫助。虛擬仿真實驗教學還可以在線上進行教學。通過騰訊課堂或者超星課堂，不需要直接接觸試驗箱，就可以方便地對同學進行線上教學實踐。方便隨時開課，也方便學生隨時對課程內容進行復習。線上和線下結合的教學方式，可以使學生對所學的知識點掌握得更加牢固，同時還可以有效地增強學生的學習興趣。

（七）改革數字邏輯實驗課程考核方法

考核方式的改革應包含兩個方面：一是要改變傳統的考核形式和內容，二是要改變過去的成績考核構成。針對民族院校學生的具體學習能力和學習情況，在數字邏輯實驗課程最終評定過程中，不以期末考試的成績“一考定終身”，降低期末考試分數在總分中的比重，增加平時分數和實驗分數的比重，即總分數=期末分數（50%）+平時分數（30%）+實驗成績（20%）。

（1）期末分數以綜合性考試的方式考核得出，要求學生兩人一組完成一項命題式的綜合性實驗。占總成績的50%。

（2）平時的分數應該反映學生在課程學習過程中的平時表現。通常，平時分數分為三個部分：出勤率（10%）、過程評估（10%）、作業和課堂表現（10%）。而實驗分數中預習報告占總分數的5%、實際操作占10%，實驗報告占5%。

（3）綜上所述，總分數就能更全面地反映學生在數字邏輯實驗課程學習過程中的學習和掌握情況。學生若想取得優異的成績，就必須在課程學習的各個階段表現出色，因而提高學生的學習動機和內驅力。

三、結束語

本文以能力培養為目標，以新工科教育背景的民族院校數字邏輯實驗課程教學改革探索為切入點，首先分析了民族院校學生的具體學情，然后介紹了當前教育背景之下數字邏輯實驗課程存在的一些不足，從而引入了本文探索教學改革的目的及意義;最后詳細闡述了從理論課程與實驗課程交叉進行，設計立體式不同難度和維度的實驗體系，設置自主性選擇性實驗項目和提高性項目，增加隨堂測試和課堂討論互動，提高學生上課積極性，做好在線開放課程，利用虛擬仿真實驗平臺，開展線上線下混合式教學，做好課堂內外的學習互動等課程改革措施。希望通過本次教學改革能夠有效改善當前課程教學過程中存在的一些問題，從而實踐出一套更適合學生的教學體系，使得學生在專業能力、學習能力等綜合方面都得到全面提高。

參考文獻：

[1]林純，陳娟，王建平，等.新工科背景下數字邏輯電路教學改革探索與實踐[J].中國教育技術裝備，2019（24）：106-107+110.

[2]劉歡歡.新工科背景下的計算機專業基礎課教學模式改革探究——以《數字邏輯基礎》為例[J].電子世界，2019（16）：102-103.

[3]趙春波，譚雪霏，徐娟娟.新工科背景下通信原理課程教學改革探索與實踐[J].教育現代化，2019，6（71）：90-91.

[4]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.

[5]李東勤，徐勇，常郝.系統能力培養背景下《數字邏輯》課程實踐教學改革[J].現代計算機，2020（31）：68-71.

[6]劉琪芳，楊懷卿，劉振宇.新工科背景下的電子信息類實踐教學探索[J].電氣電子教學學報，2019，41（6）：151-154.

[7]王君，謝維奇，何云紅.淺談新工科下計算機系統能力培養的探索[J].電腦知識與技術，2019，15（3）：124-125.

[8]余華，郭娟，鄒夢強.基于項目式的《數字邏輯》實踐教學探索[J].家庭生活指南，2019（5）：293.

基金項目：2019年四川省科技廳國際科技創新合作項目“基于車隊模型的車聯網智能駕駛關鍵技術研究”（2019YFH0033）;2019年西南民族大學校級一流本科課程建設項目“數字邏輯實驗線下一流課程”（2019YLKC04）;2021年西南民族大學校級一流本科課程建設項目“數字邏輯實驗線上線下混合式一流課程”（2021YLKC17）

作者簡介：邵彩幸（1983-），女，漢族，河南開封人，博士，講師，碩士研究生導師，研究方向為物聯網通信，車聯網通信，強化學習技術。