面向應用型人才培養的《數字邏輯》課程教學研究與實踐

鄒祎，李浪

(衡陽師范學院計算機科學與技術學院，湖南 衡陽 421006)

1 引言

隨著物聯網、人工智能、信息產業等領域的飛速發展，各行業對于高素質、技能型的人才的需求越來越大。計算機及相關專業在大多數高等院校中均有開設，但專業人才培養的效果等面臨著諸多問題，如高校計算機類專業人才培養與社會行業需求脫節、高校在轉型發展過程中面臨的人才培養方案改革、校企合作機制、教學方法與教學手段、學生就業等問題，這些問題導致了計算機類專業人才供需矛盾突出[1]。同時，為加強高校專業建設，教育部實施了工科專業工程教育認證。這一系列問題與措施，對高校的人才培養目標也將產生巨大的影響，培養高校學生的創新思維和創新實踐能力成為高等教育的共識。

基于此，結合社會需求，以學生為中心，以產出為導向，所在教學團隊提出了面向“一生一系統”計算機類專業應用型人才培養方案[2-3]。圍繞如何培養高素質應用型人才等問題，對高校計算機類專業應用型人才的培養進行深入研究與實踐探索，并在計算機類專業課程中展開創新探索實踐。

數字邏輯是計算機類專業的一門專業基礎必修課，不同于以研究型為主的高校，所在學院對課程目標的定位，更側重于應用型人才的培養。因此在課程教學上，也應有別于研究型高校的教學內容[4][5]。因此，本文在面向“一生一系統”計算機類專業應用型人才培養方案的基礎上，結合《數字邏輯》課程的教學，從教學任務和目標，教學結構，以及教學評價等方面進行了新的探索。后續章節從傳統教學存在的問題、創新模式構建及教學成效三個方面，進行詳細闡述。

2 傳統教學存在的問題

傳統的教學更多關注“教”的質量，“教”的多少，從教學任務、教學目標到教學結構的設置，以及對教學成效的評價，大多圍繞著教學者(老師)來展開，學生的學習是被動地接受，缺乏學習的主動性。

在以往傳統的數字邏輯教學設計中，大多是以課堂理論講授為主，硬件實踐為輔的教學模式。該模式存在著以下主要問題：

1)課堂教學的知識講授，采用的是以教師向學生傳輸模式，不能激發學生的探究能力，教學內容以理論教學為主，實踐教學比重輕，更缺乏理論與實踐相結合。

2)在教學過程中，學生的學習主動性不高，學習方式以“記憶”為主，少有“創新”。

3)傳統的實驗教學內容少，且實驗設計基本上是按已有的電路原理圖進行連線，實驗中大量的時間，用在了糾正如連線錯誤之類的非知識性問題上，導致學生在邏輯設計方面的關注太少。

4)缺乏合作學習、教學合作團隊的環境，學習環境多是競爭性個人行為。

5)教學資源匱乏，并且缺乏有效學習交流平臺實現資源共享，如相關題庫，實驗指導，教學視頻等資源的共享。

6)缺乏有效學習效果評價機制，通常以評分，評級的形式判定，缺乏教學過程中的持續性評價。

3 課程教學創新模式構建

針對以往傳統教學中存在的一系列問題，解決人才培養與經濟社會人才需求脫節等突出問題，本文提出一種“任務驅動”“團隊合作”的線上線下混合教學模式，形成以學生創作為主、教師輔導為輔，線上線下相結合的教學理念。實際教學采用以案例導入，任務驅動的形式展開，加強實踐教學的比重，將實踐教學貫穿于整個教學過程中，形成以“學生為中心”的教學模式。同時，有效利用線上平臺，提供更多的學習交流窗口，獲取教學過程數據，助力教學成效分析與評價。

1)“任務驅動”“團隊合作”的線上線下混合教學模式

根據數字邏輯課程教學大綱的要求，將傳統的課程知識點進行梳理，結合每個章節的重點難點問題進行分門別類，不斷完善課程教學計劃和培養方案，建立“任務驅動”“團隊合作”的線上線下混合教學模式，形成以學生創作為主、教師輔導為輔的特色實踐教學方案。

首先，將課程按知識點分成20個小模塊[6](如圖1所示)，結合教學進度，精心制作課件，選取案例，設置“任務”(按章節內容設置Proteus仿真實驗任務[7]，如圖2所示(部分內容)，并線上發布。課前，學生可在線預習課程；課中，圍繞知識點進行講解，組織學生以任務為中心，結合案例，進行師生討論，分析，設計，實現；課后，進行“任務”總結，并拓展設計。

圖1 知識點模塊(部分)

圖2 按章節設計的部分仿真任務

合理利用Proteus仿真工具，引入仿真實驗，打破了傳統硬件實驗對實驗環境、實驗設備以及實驗時間的限制和約束。學生可根據仿真任務的要求，隨時進行仿真實驗設計并驗證，無須再花大量的時間去做接線工作，可將更多的精力放在如何實現邏輯設計上。按章節設計的仿真任務，內容從簡單到復雜，循序漸進，使得實驗教學與理論教學同步，學生在仿真實驗中，可再一次對理論知識的梳理，同時在仿真實驗中遇到的問題，可及時通過線上平臺以及理論教學中，與老師同學進行交流，還可與同學合作，自由組隊進行實驗，進一步推進實驗設計從簡單問題到復雜問題的漸進，促使學生更大興趣地學習探究，提高學習興趣的同時，也提高了自主學習能力，加強了團隊合作。

2)建立在線課程資源庫

利用現有的在線學習平臺，建立課程資源庫、習題庫、考試庫(如圖3所示)。配合線下的理論、實踐教學(硬件實驗和仿真實驗相結合)，鞏固所學的知識點。每一教學課時的教學內容均配備對應的章節練習，作為課后作業發布；每一章節有對應的單元測試，作為章節復習。

圖3 在線課程題庫

借助平臺的在線優勢，建立課后討論區，實現針對性地解決學生的學習難點，可師生一對一地交流，也可生生多對多地互助。同時，結合答題情況，隨時可一對一進行在線課后答疑；還可進行班級在線自由討論。有助于激勵學生的學習興趣，增強合作意識。

課程資源除每個章節的教學課件外，還提供了教學案例的仿真設計源程序，以及仿真工具和相關的教學參考電子書，為學生提供課外學習的資料和進行仿真實驗的平臺與參考案例支持，保障線下學習和仿真實驗的順利進行。

圖4 線上課后練習節選及課后答疑

3)建立線上線下過程評價模式

線上線下過程評價的內容包括隨堂練習，課后作業，仿真“任務”設計，現場答辯。既保留了傳統的考核內容，如課后作業；又新增設更多過程性考核內容，如課程教授中，結合教學的重點難點，展開隨堂練習，課中大討論。每一次的仿真實驗設計“任務”，學生自由組隊，完成相應設計，并通過線上平臺展示，各參與組現場答辯的形式，采取師生互評，生生互評，并選取優秀作品線下共評(圖5為學生仿真設計部分作品展示)。這種模式不僅增強了團隊合作意識，又可調動學生的實踐積極性，提高實踐動手能力和分析問題，解決問題的能力。

圖5 部分仿真設計作品

4 實際課程教學成效

本文根據對近幾年來，在數字邏輯課程創新教學方面的研究和實踐經驗，進行了反思、歸納并總結，結合在線平臺對授課班級記錄的學習情況進行統計分析，發現班級月平均學習次數逐年上升。表1所列班級是2020-2022年四個學期間，采用本文提出的創新教學模式的授課班級，其月平均學習次數如統計表1所示。從數據不難發現，學生參與學習的次數隨課程教學創新的開展不斷增加，班月平均學習次數逐年上升，且增長速度趨向平穩，這也從側面表明，學生對課程的關注度不斷提高，學習興趣得以激活。

表1 2020-2022年各學期的學習情況統計表

新的教學方式激發了學生的學習興趣，增強了學生學習的主觀能動性。從課程改革后，采用創新教學模式教學的授課班級，學生的創新實踐能力普遍獲得很大提升，據不完全統計，授課班級的學生在各級各類競賽中的獲獎均有突破。僅2021年，授課班級的學生，獲得省級學科競賽一等獎的3項，二等獎6項，三等獎4項。如圖6所示，是2020—2022年授課班級學生在各類競賽中的獲獎情況統計，圖中可見，2020—2022年期間，不同專業的學生在各級各類的競賽中獲獎的數量及人次，均呈增長趨勢。

圖6 2020-2022年各班競賽獲獎人數統計圖

5 總結

面向”一生一系統”計算機類專業應用型人才培養方案對人才的培養更關注學生的應用能力，而且《數字邏輯》課程本身應用性較強，因此，本文提出的“任務驅動”“團隊合作”的線上線下混合教學模式，在課堂理論教學中有效加入Proteus仿真工具，開展仿真實驗活動與實驗教學，使學生在學習過程中操作更加靈活方便，不受硬件的限制，實現實踐教學和理論教學有機結合。課程教學的創新，有效激發了學生的學習興趣，培養了學生的實踐動手能力和創新能力，同時教學質量也得到提升。并且，創新教學方式促使學生積極參與研究探索活動，并與教師科研項目結合，更多的學生展開科學研究活動，以學生為第一作者的高質量科研成果也不斷涌現，學生綜合素質能力得到提高。

目前，實踐教學的開展雖較之傳統教學模式，有了較大的進步，同學的積極性得到有效激活，但在實踐任務設計的內容方面，比如設計的現實性、連貫性、整體性上，還有待進一步完善。在今后的教學實踐中，還需不斷總結、反思，進一步改進教學方式方法，讓學生能更方便更快捷地獲得相關教學資源和幫助，實踐的設計與時俱進，更貼合現實應用，切實應用型人才培養目標。