樂譜演奏為成果導向的數電實驗思政探索

汪興海 張海波 畢敬騰 孫雪麗

(海軍航空大學， 煙臺 264001)

數字電路(以下簡稱：數電)課程作為電子信息類相關專業的重要專業基礎課程，有助于學生了解集成電路發展、領會數字電子系統在人類社會進步中的重大作用。遺憾的是數字電子技術比較抽象和枯燥，特別是可編程時序邏輯電路設計思想比較難領會，如何將抽象的時序邏輯設計和形象生動的生活體驗結合，形成理論層次高、趣味性強、演示效果好、科學美感足、愛國主義情懷濃厚的實驗項目體系，具有重要的研究意義。

目前，針對數電課程的思政研究呈現出多角度、多層次的特點。比如將思想教育融入課程標準并修訂教學大綱，將職業素養、工藝規范等納入評價體系，全面提高了學生綜合素質和職業實踐能力[1]；比如在教學知識點講授中引入思政教育，促進專業教育與思政教育深度融合，充分發掘課程的育人功能[2]；再如采用多樣化的教學模式鼓勵引導學生多讀書、深思考、善提問、勤實踐,激發學生學習潛能和學習興趣，將學生培養成有思想,能創新,有正確價值觀的人才[3]。

本文以數字電路實驗項目體系為課程思政載體，以數字電路(含FPGA)實驗箱為工具，以《我和我的祖國》簡譜演奏電路為成果導向，形成模塊化設計、系統性強、層次遞進、銜接緊密的實驗項目體系，使學生在系列趣味性實驗中能夠形成“樂中做、做中學、學中研”的良性循環，在系列實驗中培養學生的科學精神和人文素養。

1 理論依據

1.1 贊可夫實驗教學論

在數電課程中引入音樂元素是贊可夫實驗教學論體系的科學實踐。贊可夫在長期的實踐研究過程中，逐步形成了指導各科教學工作的五條“教學原則”：以高難度進行教學的原則；以高速度進行教學的原則；理論知識起指導作用的原則；使學生理解學習過程的原則；使全體學生都得到發展的原則。高等教育作為知識創新和人才培養的陣地，在促進人的全面發展方面具有無可替代的基礎作用。馬克思認為教育“不僅是提高社會生產的一種的方法，而且是造就全面發展的人的唯一方法”。作為新時代高校思想政治教育模式的新探索，課程思政就是通過將思想政治教育內容嵌入專業課的課程教學體系中，確保學生在獲得專業知識的同時實現素質發展的全面化。這里的發展全面化既包括正確價值觀的塑造，也包括科學精神的培養、藝術品質的熏陶等。《我和我的祖國》樂曲演奏電路的設計涵蓋了組合邏輯電路設計、時序邏輯電路設計、序列信號產生、狀態機設計等數電課程中的多個重、難點，是一個典型的高難度、綜合性實驗項目，學生通過完成該項目可以更加深刻地理解數字電路設計相關理論，同時在電路調試過程中，融合了聽覺的刺激，沉浸在音調的細微變化與愛國主義樂曲的熏陶中，對于提升課程教學效果，促進學生全面發展具有重要的實踐意義[4]。

1.2 課程文化發展理論

根據時代背景進行實驗項目體系革新是課程文化發展理論的體現。積極推進課程思政建設，是新時代我國高校課程文化實現科學發展的內在要求。斯賓塞認為，課程即“教學內容的系統組織”，課程文化是課程在實踐展開和功能實現過程中的文化集合，包括課程發展中的相關制度、規范和內在精神等多重因素。對于課程發展而言，物質投入是基本前提，而文化和精神等理念性的元素則事實上構成了決定課程發展質量的內在靈魂。換言之，課程建設離不開課程文化的發展和豐富。英國著名課程論專家丹尼斯·勞頓就提出了課程發展的文化分析概念，力主在課程規劃中對文化做出恰當選擇，以確保課程發展建立在良性的文化選擇基礎之上。數電相關實驗依托數字課程實驗箱開展，實驗設置屬市場貨架產品，和其他院校之間存在同質化的問題，而如何系統科學的設計個性化的實驗項目體系則成為不同院校教學團隊能力和水平的體現，也體現了課程文化建設與發展水平。課程思政為數電實驗課程的文化發展提供了新思路，設計以《我和我的祖國》樂曲演奏電路為成果導向的實驗體系內容既是課程思政的有效的推進，也是課程文化發展的內在需求[5]。

1.3 多元智能理論

探索將工程基礎課和人文課程融合是多元智能理論在數電教學中的發展應用。多元智能理論由美國教育學家和心理學家加德納博士提出，并在后來的實踐中不斷發展。它認為人類思維和認識的方式是多元的。該理論認為，智能是解決某一問題或創造某種產品的能力，而這一問題或這種產品在某一特定文化或特定環境中是被認為有價值的。就其基本結構來說，智能是多元的，每個人身上至少存在七項智能，即語言智能、數理邏輯智能、音樂智能、空間智能、身體運動智能、人際交往智能、自我認識智能；智能的分類也不僅僅局限于這七項，隨著研究的深入，會鑒別出更多的智能類型或者對原有智能分類加以修改。在數字電路實驗課程中以《我和我的祖國》樂譜演奏為成果導向，能夠促進學生的數理邏輯智能、音樂智能、語言智能的綜合培養，具有很有價值的實踐意義[6]。

1.4 成果導向教育理念

以《我和我的祖國》樂譜演奏電路設計和實現為成果導向的實驗項目體系內容是對成果導向教育理念的推廣。成果導向教育OBE(Outcome Based Education)自1981年由斯派迪(Wiliam G.Spady)創設以來，受到國內外教育界的追捧[7]。成果導向教育的基本原理認為：所有學習者均會成功，每個學生都是有才能的，學校應當成為為每個學生找到成功方法的教育機構。斯派迪于1994年提出了成果導向教育的金字塔結構，該結構要求教育實施一開始就要有一個清晰的愿景和框架，這個愿景和框架要闡明學生在專業領域應具有何種能力，并圍繞具體能力指向設計教學目標、課程組織、教師教學以及教學評價的框架體系[8]；要構建成果藍圖以及營造成功情境與機會，標明學生在結業時應具有的知識、能力與價值追求；設計原則應遵循最終要高峰成果向下進行創設，而高峰成果應當是學生在整個學習過程過程結束時能夠展示出綜合應用所學的能力[9]。以《我和我的祖國》簡譜演奏電路設計與實現為成果導向進行數字電路實驗項目體系設計非常清楚地闡明了“愿景和框架”，并將電路設計按照“合-分-合”的層次遞進關系進行科學劃分，將每個模塊所要求具備的能力和課程實施大綱進行有機對接，最終通過《我和我的祖國》簡譜演奏電路實現對所學知識的綜合應用展示[10]。

2 實驗項目體系設計

結合數字電路課程教學要求，以《我和我的祖國》樂曲演奏電路為成果導向，對數字電路實驗項目進行體系設計。

2.1 設計總要求

設計一套音樂演奏電路系統，應具備如下功能：①該系統能夠實現多路按鍵(琴鍵)信號的讀入與音符顯示，實現電子琴功能，能夠演奏21階音符效果；②該系統能夠一鍵啟動《我和我的祖國》樂譜演奏[11]；③具備一鍵暫停/恢復功能，即按一下暫停，再按一下繼續演奏；④系統具有快進/快退功能，即通過按鍵可以實現樂譜的跳躍演奏；⑤系統具有倍速功能，可實現1倍速、2倍速自由切換功能；⑥系統具有倒計時功能，自動演奏時能夠進行倒計時：開始演奏時顯示整個樂譜的演奏時長(如03：54)，演奏結束時顯示00：00。

2.2 實驗項目體系設計

根據設計總要求，結合數電課程授課內容，按照“合-分-合”的設計思想，將設計任務進行模塊化、層次化劃分，并將實驗內容同理論知識結合，同課程思政元素融合[12]。

1)蜂鳴器驅動電路設計

要求學生用三極管、二極管、電阻搭建蜂鳴器驅動電路；用數字信號源方波信號測試驅動電路性能；分析不同頻段方波信號的聲音效果。

課程思政元素：通過精密調整頻率，感受音律的科學美感；通過音調的細微變化，學習調音師嚴謹的科學精神：通過晶體管開關電路產生音律，思考數字電路對于推動社會進步的貢獻。

2)按鍵讀取與消抖電路設計

基于觸發器設計按鍵讀取電路讀取10路按鍵輸入信號(上升沿輸入)，通過LED燈進行顯示；觀察按鍵抖動現象，設計消抖電路，測試消抖效果。

課程思政元素：通過按鍵抖動現象分析抖動成因，培養學生注重細節、主動發現問題、思考問題、解決問題的工匠精神；通過設計消抖電路，激發學生學以致用、舉一反三的發散思維能力。

3)音符顯示譯碼電路設計

能夠將1-7音符(含高、中、低共21個)通過數碼管配合紅色、藍色發光二極管進行顯示。

課程思政元素：通過藍色發光二極管發明者獲得諾貝爾獎的典故，拓展學生知識面，鼓勵他們學習前輩們敢為人先、勇于挑戰科技盲區的探索精神。通過藍色發光二極管對于人類社會的貢獻，讓學生進一步認識到電子技術的科學之美。

4)動態音符顯示電路設計

采用動態掃描的設計思想，能在8個不同的數碼管上視覺上同時顯示不同音符。

課程思政元素：通過動態掃描，引導學生思考“分時復用”的總線通信設計理念；將數碼管顯示拓展到8*8*8光立方的控制，并進一步推廣到三維立體沙盤。引導學生思考1對多的管理控制思想，強化學生系統思維能力。

5)按鍵編碼與顯示電路設計

合理分配10個按鍵，組合成21種琴鍵組合，分別代表輸入1-7音符(含高、中、低共21個)，進行二進制編碼，并通過數碼管和發光二極管配合顯示。

課程思政元素：通過對不同按鍵組合進行編碼，引入學生思考摩爾斯電碼，引導學生思考數字邏輯在情報與信息傳遞中的重要作用，致敬歷史上杰出的天才情報家，同時培養學生對于數字信息的感知能力和信息素養。

6)演奏倒計時顯示邏輯電路設計

設計任意進制倒計時電路，可根據樂曲長度進行倒計時，一直持續到樂曲演奏結束時顯示00：00。

課程思政元素：通過倒計時電路的設計與測試，培養學生精準計算的工程素養；通過倒計時電路與樂曲演奏電路的預留接口設計，培養學生模塊化設計思想系統設計能力。

7)數控分頻器設計

掌握任意整數分頻器的設計、分析和測試方法。比較奇數分頻和偶數分頻設計方法的區別。

課程思政元素：引導學生對比奇數分頻和偶數分頻的設計方法，強化學生時序邏輯設計能力，培養學生細致縝密的科學習慣。

8)琴鍵演奏電路設計

通過10個按鍵的不同組合，分別實現高、中、低音的DO、RE、MI、FA、SOL、LA、SI。

課程思政元素：將電路設計與韻律之美結合，增強學生對電子技術的學習熱情，培養學生的科學美感和樂感。

9)演奏控制邏輯電路設計

實現對《我和我的祖國》樂譜演奏的控制，可以實現暫停/恢復-快進/快退-倍速等功能。

課程思政元素：《我和我的祖國》簡譜中包含較為豐富的音符，每個音符又涉及多個音長，全篇簡譜包含兩種拍子，在調試過程中又能讓學生沉浸在跌宕起伏的韻律之中；以該簡譜為演奏控制對象，能夠以抽象、復雜的系統級電路設計，促進學生進行全面系統的思考問題，鍛煉系統設計能力、復雜問題分析解決能力；通過設計的不斷修正與功能的不斷實現，幫助學生收獲成功的喜悅，激發學生勇于挑戰難題的學習熱情。

3 教學組織與實施

數字電路實驗以中小規模集成電路和FPGA設計為主，課內學時20學時。其中蜂鳴器驅動電路設計通過面膜板搭建，引導學生從模擬電子技術向數字電子技術過渡，加深學生對TTL門電路基本原理的理解。中小規模集成電路如譯碼器、編碼器、集成計數器等依托Altera Cycloneiv芯片為核心的電路實驗箱，通過QuartusII軟件宏功能模塊和IP核進行調用，通過QuartusII原理圖文件進行電路設計，通過Blaster下載到芯片進行硬件電路驗證[14]。

3.1 課堂組織

每次實驗項目課內學時為2學時，其中15-30 min由教員進行實驗要求說明、理論知識講解(含思政元素融入)、目標效果演示。其中目標效果演示可以通過前期錄制視頻或現場實物演示的方式進行，目的是通過直觀、形象的實驗現象，要達到的實驗效果，幫助學生清晰地理解實驗要求。

教員講授完畢后，學生以1人1組的形式開展實驗，教員對學生進行遍歷跟蹤，掌握學生的進展情況，并對實驗中出現的共性問題、典型問題等進行及時講解。對學生提出的新思路或設計過程中出現的原創性見解進行收集整理，做好學生進度情況記錄；對能夠當堂完成的實驗進行項目驗收，并記錄完成情況。

3.2 課外實踐

依托電子設計俱樂部等學生課外創新實踐平臺，為學生配置數字電路實驗相關設施，要求未能當堂完成設計任務的學生利用俱樂部資源繼續完成。鼓勵學生在實驗要求的基礎上對實驗項目進行功能拓展和提升。鼓勵學生利用俱樂部進行設計方案和設計思想交流。要求學生利用課外時間完成實驗項目總的設計報告，并篩選優秀學生在俱樂部進行交流匯報。

3.3 考核評價

考核評價的因素主要包括：項目完成時間、演示效果、設計思路、代碼實現等幾個方面。完成時間采用相對名次來記錄，即最先完成基本要求且經過教員對演示效果進行認證的，記錄名次1，第2個完成的則記錄名次2；設計思路和代碼實現則通過學生利用課外實踐完成的設計報告進行評價，設計報告采用電子版形式提交，要求以模塊化設計的框圖形式體現設計思想，并配以文字說明進行模塊介紹。用QuartusII將verilog代碼綜合成*.bsf文件，以截圖形式作為模塊化設計框圖的佐證。verilog代碼作為附件附在設計報告之后。總評成績中項目完成時間占比40%，設計思想占比40%，代碼占比20%；其中若代碼重復率超過50%者則被認定不合格。

4 結語

科學合理地進行實驗課程設計能夠有效幫助學生入門數電、深入理解數電、激情熱愛數電，能夠有力激發學生的創造熱情。課程思政為數電實驗改革指明了方向，通過近兩年的教學實踐，通過將音樂等人文元素融入數電實驗，學生的學習主動性提升明顯，學習獲得感明顯增強，學生更多地沉浸在個人想法實現帶來的興奮中，學生對數電之美的認識層次不斷提升。在后續的教學工作中，將繼續在數電實驗教學中不斷改革創新，將更多與時俱進的元素融入數電實驗設計中。