基于工程教育理念的數字電子技術課程教學改革與實踐

傅莉，劉偉彬

（景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，江西 景德鎮 333002）

0 引言

數字電子技術是電子信息類本科專業的一門專業基礎課，該課程具有很強的實踐性和工程性，將軟件和硬件設計相結合。在深化新工科人才建設的背景下，以學科知識為導向，以教師為主體的教學模式無法滿足新時代工程專業人才的培養目標，對工程教育進行創新勢在必行[1]。

本文基于新工科背景下工程教育人才培養要求，借助開放性較強的線上資源，實施線上線下一體化融合式教學，利用翻轉課堂、工程問題引導式教學模式，突出工程思維理念，并融入思政元素，培養學生的愛國情懷和樹立正確的人生觀，使學生在掌握數字電路理論分析、設計及基本實驗技能的基礎上，強化工程應用能力，提高學生的綜合設計能力，適應對電子信息技術的時代要求，并充分發揮教師教書育人的作用。

1 以學生為中心的項目式教學改革實踐

數字電子技術課程是一門工程性和實踐性較強的學科，在科技飛速發展的今天，原有的教學模式已無法滿足工程性專業人才的培養要求，當前工程教育的教學要求構建以學生為中心的教學模式，注重學生工程實踐能力的培養，引入項目式教學是培養學生工程創新實踐能力的有效方式。教師在教學過程中以項目為導向，重構教學體系和課程內容，在每個項目中融入課程思政元素[2]，“教、學、做”為一體，充分體現出教學改革的新模式和新理念。項目式教學內容設計見表1。

表1 項目式教學內容設計

以景德鎮陶瓷大學電子信息工程專業的數字電子技術課程為例，采用“理論+實驗”的方式進行教學，其中理論學時46學時，實驗學時10學時（均為線下獨立課程），共56學時，理論學時安排為：線上自學學習8 學時，線下討論8 學時，集中授課30 學時，另不定時地安排碎片時間自主學習。線上自學學習為基礎和容易理解的內容，線下討論課為工程案例或圍繞項目分析設計進行深入探討，集中授課主要是教學重點和難點內容。借助慕課堂和學習通等互聯網資源，實施線上線下一體化教學[3]。以汽車尾燈控制電路為例進行項目分析、模塊電路設計、系統搭建。通過工程實例，幫助建立系統的概念，學會如何將多種邏輯功能模塊相互連接起來形成一個完整的系統，體會系統中每一個模塊的工作原理及作用。

1）課前自學：利用線上平臺觀看視頻SPOC：計數器、寄存器及移位寄存器的定義、分類及電路實現，教師提供課前測試題和在線答疑。

2）課中學習：線下講解4 位同步二進制計數器的工作原理、集成計數器74LS161 的功能，左移、右移、雙向移位寄存器的工作原理、集成移位寄存器74LS194的功能。

3）線下討論：①任意進制計數器的實現：組織課堂專題討論如何利用十六進制芯片74LS161構成9進制計數器，引導學生利用反饋清0法和同步置數法跳過其中7 個無效狀態構成9 進制加法計數器，進一步引導學生設計同步和異步60進制計數器的設計方法，并用multisim 軟件進行仿真；②讓學生介紹計數器和移位寄存器的應用場合，以任務驅動，教師為主導、學生為主體，引入工程項目——汽車尾燈控制電路，分析其功能及技術要點，分組討論讓學生嘗試自行分解任務，了解汽車尾燈電路與計數器、移位寄存器之間的聯系，分小組進行單元電路設計，提出完整的設計方案，最后用Multisim軟件進行仿真。

4）課后：布置作業，推送提前錄制的微課視頻項目模塊中的重要知識點，強化課程內容的學習，并引導學生進一步自主學習，培養學生合作及科技創新能力，線上布置任務：30倒計時電路的設計與制作，要求學生分組完成任務并提交仿真視頻。

2 實驗實踐教學內容改革

實踐教學是新工科建設背景下工程教育理念中至關重要的一個環節，傳統的數字電子技術實驗以驗證性實驗為主，學生只需要照著演示視頻步驟完成既定實驗，最后連做了什么，為什么這么做都不清楚，更不用談創新、工程實踐能力的培養。OBE工程教育理念是獲國內大部分高校認可的一種工程教育模式，它強調以學生為中心，以成果為導向[4]。在實驗教學中引入OBE教學理念并融入理實一體化，注重實踐創新和思維開拓，以項目為驅動，分層次遞進式選擇實驗內容，將實驗分為基礎型、綜合設計型、創新研究型三種類型，內容與難度層層推進展開。

1）基礎型

掌握常用門電路、中小規模集成電路芯片的功能和使用方法，具備基本的實驗操作能力和處理數據的能力，加深對理論知識的理解和應用。

2）綜合設計型

利用電子設計自動化（EDA）技術，完成具有一定功能的中小型數字系統的搭建和仿真，提高工程應用，在綜合設計能力的培養方面，適應對電子信息時代要求。

3）創新研究型

在綜合設計實驗基礎上進一步提高學生科研層次的訓練，培養創新意識。以FPGA 平臺作為實驗操作的載體，激發學生的創新創意，培養學生具有基本科學研究的素養和認真嚴肅的科學作風，以及解決復雜工程問題的能力和團結合作的精神。

在課程之后安排的課程設計實踐任務，將查找文獻、軟硬件電路設計、調試，制作數字電子產品和撰寫課程設計說明書貫穿其中，培養學生在實踐中分析和解決問題的能力，提高學生應用數字電路技術的思路和方法解決工程問題的能力。

3 基于口袋實驗的教學改革

面向工程應用型人才培養需求，實驗教學在工程實踐創新方面起到關鍵作用。但目前很多高校實驗室資源匱乏，傳統實驗箱通用性低且受場地制約，給綜合設計型、創新型項目實驗的實施帶來很大的困難。2020 年，線下實驗因疫情無法有效展開，虛擬實驗室的建設和仿真軟件迅速應用開來。口袋實驗室最早由斯坦福大學克利夫頓博士提出，由于體積小、成本低、功能全面、攜帶方便、便于二次開發，可以靈活地帶入生活當中的各種場景[5]。口袋實驗被學生使用到課堂和實驗環節中，理論學習與動手實踐同步，學生在掌握扎實理論基礎的同時，提升分析和解決實際問題的能力，實現理實一體化。基于口袋實驗室的教學模式，構建以學生為中心的工程教育理念，使項目式實驗教學突破了原有的時間和空間的限制，給學生賦予了更大的創造力和想象力，從本質上提高了數電實驗的教學效果，有效地提高了學生的工程實踐應用能力和創新能力。

國內清華大學、東南大學、哈爾濱工業大學等高校較早地引入口袋實驗室。人們借助口袋實驗室，陸續嘗試在“數字電子技術”課程教學中引入FPGA的相關知識，課程均安排在線上自學，線下前期可將綜合設計實驗項目進行細化分解，根據實施效果進行持續改進，利用FPGA開發板和Vivado開發環境，搭配面包板和簡單電子器件構成便攜式系統，學生可以將實驗項目搬到圖書館、自習室、寢室等場合進行，自由安排時間進行項目測試，經過一輪線上線下學習實踐后，學生普遍能夠熟練運用Verilog HDL語言實現較為復雜的數字電路系統設計，解決了教學與工程實踐脫節的問題，后期老師圍繞口袋實驗安排創新實踐項目，可實時請學生展示創新實踐成果，實現學生之間的團隊合作和師生的全面互動，同時也增加了課程的廣度并加強了課程的深度。

4 考核方式的改革

線上線下混合式教學模式中，傳統的采用“一卷式”考核考查學生學習成效已不再適用。加大過程考核，建立多元化、過程化、能力化的考核方式，將考核評價貫穿于教學過程中。教學課程考核分為線上和線下考核：在基礎知識考核方面，線上分為考勤（10%），線上章節自學測試（10%），主要目的是提高學生自主學習的能力；在能力考核和綜合素質方面，線下分為分組討論（5%），任務設計、仿真與制作（10%），培養學生團隊協作、工程實踐能力。實驗考核（15%）中加大綜合設計和創新實驗的考核比重，從驗證性實驗主要考查學生處理和分析實驗數據的能力到綜合設計實驗中電路設計、仿真結果、軟件使用、硬件調試及創新實驗項目中科研論文的撰寫，提高學生綜合素質和創新能力。期末考試（50%）分為基礎題、分析題和設計題進行考查，這樣多元化的考核方式從基礎、能力到創新多方面、多角度提升學生的學習興趣和課程學習的挑戰度。

5 結束語

基于新工科背景下工程教育理念對數字電子技術課程教學進行改革，以學生為中心進行項目式教學，應用線上線下混合式教學模式，引入思政元素、設置遞進式實驗項目、創新實驗教學內容，結合多元化的考核方式，激發學生學習熱情和創新意識。新的教學模式新的理念，以學習成果為導向、持續改進的教學方法和手段能較大程度提升學生的工程思維和綜合實踐能力，對培養具有國際競爭力的高素質復合型“新工科”人才起到促進作用。