新工科背景下數字電路教學方式的改革與實踐

張志勇 張建鋒 黃鋁文

摘? 要：在對傳統工科課程進行升級改造的新工科背景下，為解決專業基礎課時數減少的問題，提高教學效果，文章利用案例式、項目驅動和課程思政等多種教學手段，在鍛煉學生動手能力前提下，以看得見的現象和摸得著的結果為抓手，結合理論知識因地制宜地開展電路仿真，輔以針對性較強的問題思考與課堂練習，增強學生主動學習數字電路的積極性。推進以學為中心的多種教學方式的改革與嘗試，對建設新工科、促進“課程和工程”融合和培養新一代電路人才具有重要的推廣與應用價值。

關鍵詞：新工科；項目驅動；課程思政；案例式教學

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1673-7164（2023）26-0101-04

新工科是傳統工科專業進行升級改造而產生新興事物，旨在培養學生的工程實踐能力，知識快速獲取能力，創新能力、創新創造能力、知識綜合與集成能力，全球視野的領軍人才［1］等方面具有巨大應用前景，對目前工科教育的教學方式創新帶來了新挑戰。當前，西北農林科技大學在數字電路教學中的教學理念、課程課時、師資、實驗基礎等方面與新工科存在一定差距，仍然以“教”為中心，由教師主導課堂，組織和控制教學過程，數字電路的教學內容既無法支撐產業轉型升級和區域經濟發展，也不能適配產業發展方向，主要表現在以下幾方面：

第一，工程實際與理論教學交叉性差，既不能相互促進，也無法滿足產業升級與學科發展需要具備的綜合素質人才要求［2］。

第二，教師在教學方式上基本上依靠“一份PPT、一支投影筆、一本教材、一本教案、老師臺上講、學生座下聽”的單一化課堂教學方式，考核手段仍然以期末試卷為主。“教法”無法較好的影響“學法”，造成學生習慣“照葫蘆畫瓢”，充當知識的被動接受者，教師教什么，學生就學什么。

第三，在實踐環節中，驗證性實驗居多，進行探索性與自主創新性的實踐內容較少。

第四，在學時減少、課時壓縮后，學生每課時要求接受的知識量增多，導致相關的概念理解吃力，教師也沒有很好地把握專業特點，加之課后習題講解沒有時間保證，勢必導致部分學生平時不認真學習，使學生在學習過程中出現動力不足、混學分、厭學等現象。

隨著新工科計劃的實施和新工科理念的逐步滲透，在滿足教學內容和教學方法的多樣性和新穎性的前提下，不斷加強多學科交叉、理論結合實踐應用等方面的探索研究，更需要引領本科生早進課題、早進實驗室、早進團隊參與科研活動［3］。對于體現實踐性、工程性與應用性的專業基礎課程數字電路教學，還需要在加深對大綱知識理解的前提下，提高學生課堂參與度，把所學內容“活學活用”，實現理論教學與學生自主項目驅動的有機融合與閉環反饋，在突出注重授課內容實用性的前提下，把課程側重于分析和設計的特點以問題的形式引出，以虛擬仿真或實驗室實操為主線，提出問題，凸顯項目驅動分析并解決問題，實現實踐實作與理論教學的平滑連接，以解決在新工科背景下把單純知識灌輸傳授改變為啟發式授課的難題。

一、數字電路教學方式改革與實踐

在新工科背景下，數字電路理論教學是熟悉、領會電路主要分析和設計方法的基本教學環節，為應對當前大學生思維活躍、個性突出、需求多元的特點，需探索高效的理論教學模式和教學方法，形成“以學生為中心”的教學理念［4］，完善提高課程質量教學的手段。文章在教學過程中融入一系列探究性教學方法，在不斷提升教師人格魅力的前提下，針對計算機類且生源質量較高的本科生，交叉運用案例教學、項目驅動教學、課程思政的融入等進行理論教學，提高課堂效率，提升學生持續學習的動力，助其將所學知識付諸實踐并快速轉換為自身能力。

（一）提升教師的人格魅力

教師的人格魅力體現在“以情感人、學高與身正”。“學高”，不只是要求教師要有廣博的學識，還需要具備較為豐富的人文修養，針對學生的專業學科特點，堅持以教師為主導、學生為主體，教學為主線，突出在講練結合的數字電路課堂教學中展現自身人格魅力。彰顯教師在潛移默化中感染和影響學生的理想信念、知識能力、學識水平、品質修養等人文素質［5］。首先教師要剛柔相濟，充滿親和力地與學生溝通，與學生良好互動，努力感染學生的內心，使學生喜歡上老師，喜歡上老師的數字電路課堂；其次要不斷學習，用新知識提升學識魅力，在教學過程中充滿自信，滿懷激情，教師豐富科學文化基礎知識和精深專業學科知識，既能理論聯系實際地向學生傳授知識，又能風趣幽默地激發學習興趣，使課堂保持求知的積極性；再次在問題處理上，教師展現智慧和包容魅力，在課堂上常會出現影響教師教學的情況，比如學生玩手機、睡覺等，在遇見這類問題時，教師可以根據頻率和時長采取理解、微笑提醒和站在后排聽課的方式處理。鑒于問題總是在實踐中不斷出現，方法總是在實踐中不斷悟出，經驗總是在實踐中不斷積累，人格魅力的提升也要在實踐中不斷地完善與提高。

（二）案例式教學法

案例教學法是通過經典案例分析、講解、討論等環節加深學生理解復雜問題的一種經典的教學方法。為滿足學生學習數字電路的好奇心，有效理解較為抽象的邏輯知識，加深理解相關時序邏輯電路設計步驟［6］，可根據數字電路知識體系、計算機領域應用和當前電路熱點問題構建生動有趣的案例教學。例如識別并繞開障礙物的智能機器人，依靠前端的視覺傳感器可以在布滿障礙物的環境里自由行走。當遇到障礙物時傳感信號為1，控制信號Z1和Z0控制腳輪行走以此實現機器人轉向。在避障規則的指導下實現左轉、右轉和直行，試用D觸發器設計一個機器人行走方式的避障控制器的教學案例，增強課程的趣味性；又如為提高道路交叉口車輛的通行效率、緩解交通堵塞，解決交叉口在車流量相差很大時產生空等待的問題，提出以兩相位十字交叉口為對象，用Verilog HDL硬件描述語言在Quartus開發環境中設計信號燈控制模塊、分頻模塊、譯碼顯示模塊，利用QuartusⅡ13.0軟件進行綜合測試，對交通控制系統進行功能仿真的交通燈控制器設計，豐富案例教學的內容。學生通過聆聽、思考并交叉運用提問、交流等方式加深理解同步時序邏輯電路設計方法，培養學生的邏輯思維能力，將經典理論知識與前沿研究內容深度融合，創造生動活潑的課堂氣氛激發學生理解數字電路相關知識的興趣，平等的互動交流催生了學生的創新思想的火花［7］。不斷運用上述案例，持續引領學生探究新知，將按部就班的課堂教學過程轉變為明確的任務實現過程，在理論教學和動手實踐過程中培養學生的工程應用能力和創新意識。

（三）探究式教學法

為增強學生對邏輯電路的分析能力、設計集中規模邏輯器件應用的能力，項目組提前將設計好的教學案例和案例思考發給學生，便于教師在課堂上引導學生主動思考和學習，科學合理安排學生討論和師生互動。“探究”作為一種科學有效的教學方法，主要對理論性較強的內容，采用知識點融合案例的教學形式，更有利于學生理解相關課程知識點［8］。例如在前面章節已經學過的復合門設計全加器電路，在講授中規模集成組合邏輯電路的內容時，可以先拋磚引玉，使學生思考是否還能用其他邏輯部件來實現加法器電路，由此引出本節將要學習的加法器74290、譯碼器74138和數據選擇器74153等中規模邏輯器件及其相應的芯片邏輯電路。接續提出譯碼器和數據選擇器的定義為什么能實現上述加法器電路設計等問題。首先依據功能表與邏輯符號詳細講授其邏輯功能，然后通過例題講解與復合門結合實現邏輯電路功能的設計過程，學生不僅收獲了消除疑問的喜悅，也掌握了采用多種方案實現同一邏輯問題的組合邏輯電路設計方法。該探究式教學方法通過分析問題、主動學習、理解問題、解決問題等環節的引入，不僅能開闊學生視野，還能加深學生對理論知識的理解，提高學生的探究能力和創造能力，充分發揮其主動性和積極性，為后續驅動項目的教學做好鋪墊。

（四）項目驅動教學法

項目驅動教學法強調學生以任務為學習的中心，在執行任務過程中去討論、分析、解決問題，是培養學生小組協作能力的有效教學方法。需要從學生的視角設計教學項目主題，包含選擇、方案設計、所需材料的選取等［9］，在實施過程中以學生為主體來設計與選擇，教師不包辦代替、不提供直接的解決方案，學生要從自身生活的經驗世界中，利用所學知識，尋求解決方案。該教學方法讓教師圍繞著一個核心知識點，進階式引導學生在課前進行調研，將所學的理論知識融會貫通，自主設計一個完整的系統，再搭建電路與系統仿真并完成系統實現。項目實施中，按照個人的意愿和特長允許學生3人一組在團隊中發揮各自的作用，相應負責電路理論分析、電路設計、電路制作。團隊在時間允許前提下，鼓勵對數字電路設計感興趣或實踐能力較強的學生掌握學習的主動權，利用仿真技術搭建虛實結合的電子課程實驗平臺，升級項目難度并為項目考核加分。在項目考核內容方面，需要體現原理與方案選擇的課前調研；體現出系統功能的構建方法和電路設計的自主創新；體現出規范的設計報告所包含的測試過程、數據分析與仿真結果。上述三種體現反映了全方位、多角度的考評機制，在破解過去學生被動等待教師傳授知識的難題，在逐步培養學生的創新思維和綜合實踐能力，使學生探索主動尋求知識融合的方式方法，鍛煉學生的溝通和管理能力等方面，均有重要的現實意義和實踐探索價值。

（五）踐行課程思政

將思想政治教育融入課堂教學，是目前教學改革中的重要熱點。數電課堂中如果能夠潛移默化地將表面冰冷的概念、定律和方法中引發出智慧光芒、深層次哲學和人文思考，將科學知識蘊涵的美麗思考呈現給學生，使學生沐浴深層次、高質量、全方位教育春風，這也是大學教師對“傳道、授業、解惑”的高境界詮釋［10］。基于以上教學理念，凝練思政元素步入數字電路課堂的教學實例，詳細闡述如何將數電知識與做人、做事相結合，增強服從意識，達到“教書重在育人”的教學目標。在數字電路教學中，鑒于時鐘在數字電路中扮演同頻同步各種信號的功能，因此各輸入信號、邏輯單元等狀態出現與更新都以時鐘為基礎發揮指揮棒的作用。同樣，學生在集體生活和學習中，只有統一時間節點與號令，大家才能步調一致的有序運轉，體現出什么時間段出現什么狀態（該干什么事情）的人生哲學。在講解觸發器時，先講述所有的觸發器之間都一脈相承，均在閂鎖電路的基礎上產生，觸發器之間可以相互轉換，如果身邊沒有JK觸發器，可以用D觸發器代替，故以此告之學生，同樣與我們同承一脈的兄弟姐妹，他們身上不僅有相似的優點，而且還有值得重視的性格缺陷和其他缺點，故不僅要相互珍惜，更要加強溝通與聯系，要以開放、包容的姿態對待他們，切莫因為小事而指責與否定。

二、數字電路教學方式課程教學改革思考

在“新工科”背景下，建立以應用為主線，運用典型系統的案例分析、項目驅動訓練的多種教學方法的交替綜合，既可以鼓勵學生利用開放實驗室，激勵學生借助網絡自學平臺解決面對新工科自學能力欠缺的問題，還可以擺脫傳統教學中的學生系統設計能力弱、動手能力差的問題。反觀近5年的教學實踐，學生對教學與實踐相結合的數字電路課程非常感興趣，在項目實施中所投入的精力和時間已遠遠超出課程的要求，產生了明顯的教學效果。開放實驗室的有效利用，使得項目驅動做到了項目時間、項目內容和項目器材對學生的真正融合，使學生能夠將理論與實踐結合、課程前沿與經典結合、課內與課外相結合，將耳聞（授課聽課）、目睹（課堂演示）、手動（學生做實驗）、完成項目的經歷有機結合起來，突出重點，以點帶面，在促進學生充分閱讀教材，查閱學習網絡資源，提升語言表達與合作能力，完善編程等實踐能力方面激發更多潛能。學生評教顯示，項目式教學使教師給予了學生更個性化的指導，有針對性地彌補了學生能力的短板，學生對教師的教學態度評價高，學生的學習獲得感強，學生動手實踐的熱情，工程實踐的能力以及探究和創新精神的培養，讓學生在“干中學”。課程思政幫助學生在潛移默化中熟悉了分析與設計方法的運用，提升了對知識點的理解，擴展了知識的外延，升華了做人做事的道理，與項目式教學深度結合構成了數字電路課堂融入新工科教育的重要教學改革手段。

三、結語

文章在西北農林科技大學新工科建設背景下，以不斷提升教師人格魅力為前提，通過多種教育方法融合思政教育，使學生更快、更好地領會電路理論，鍛煉動手能力，喚起學生對數電課程的好奇心，激發學生主動探索電路相關研究領域知識的熱情，特別是項目式驅動教學改革應用已經成為學校授課教師的共識。根據針對性較強的問題思考和課堂練習，結合理論知識循序漸進地展開課程設計、電路仿真，形成以課堂主體、網絡為驅動平臺、開放實驗室為載體的協同教學模式，探究以學為中心的多種教學方式的改革與嘗試，在“新工科”建設中對新一代電路人才培養具有重要意義。相信面向新工科內涵的數字電路教學方式的構建與實踐，將會得到更多教師和學生的認可。

參考文獻：

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［8］ 毛齊明，王莉娟，代薇. 高校翻轉課堂的實踐反思與超越路徑［J］. 高等教育研究，2019，40（12）：75-80.

［9］ 張蕾，李平，柴俊武. 新工科背景下項目式教學提升翻轉課堂教學研究［J］. 電子科技大學學報，2020，40（12）：75-80.

［10］ 張文謙，楊俊杰. 新工科背景下制藥工程專業中藥化學課程融入思政元素的探索與實踐［J］. 化工時刊，2021，35（11）：51-53.

（責任編輯：胡甜甜）