基于OBE的“數(shù)字電子技術(shù)”課程改革初探

楊春玲, 朱　敏

(哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程系， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0　引言

2016年，我國成為《華盛頓協(xié)議》正式成員?！度A盛頓協(xié)議》要求正式成員遵循：①工程教育認證體系和程序在成員之間是等效的；②認證所采用的畢業(yè)生標準實質(zhì)等效于協(xié)議中的畢業(yè)生素質(zhì)要求。由于工程教育認證協(xié)會(ABET)將成果導向教育OBE(Outcome based education)的理念全面貫穿于工程教育認證標準，因此需要我們開展基于OBE認證的研究工作?；贠BE的認證要求自頂向下地根據(jù)需求制定培養(yǎng)目標、提出相應的畢業(yè)要求、構(gòu)建課程體系、課程目標，最終達成學習成果[1, 2]。鑒于此，作為OBE底層的課程改革勢在必行。

目前，電子技術(shù)已經(jīng)滲透到工程領(lǐng)域的各個學科，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展依賴于電子技術(shù)的飛速發(fā)展。對于電氣工程、自動控制、儀器科學與技術(shù)等電類專業(yè)的畢業(yè)生而言，掌握最新的電子設(shè)計方法是一項基本要求。

國內(nèi)各個高校電子技術(shù)教學通常由兩門課程支撐，即“數(shù)字電子技術(shù)”和“模擬電子技術(shù)”。我校以“數(shù)字電子技術(shù)”課程為試點，開展了基于OBE的課程改革與實踐，取得一定經(jīng)驗，供大家借鑒。

1　課程的具體達成目標

按著OBE設(shè)計一門課程，首先我們應該思考這門課程應該使學生達成什么樣的成果，即想讓學生取得的學習成果是什么？為什么要讓學生取得這樣的學習成果？如何有效地幫助學生取得這些學習成果？如何知道學生已經(jīng)取得了這些學習成果？

近幾年數(shù)字電子技術(shù)已經(jīng)進入電子設(shè)計自動化(EDA)時代，每3年EDA技術(shù)就更新一次。因此，“數(shù)字電子技術(shù)”課程的具體達成目標應該包括數(shù)字電子器件及最新數(shù)字電路設(shè)計方法。數(shù)字電子器件包括中小規(guī)模數(shù)字器件及大規(guī)模集成數(shù)字器件；設(shè)計方法包括自底向上的基本設(shè)計方法和最前沿的EDA設(shè)計方法。目前工業(yè)應用的數(shù)字電子器件幾乎都由大規(guī)模集成電路可編程邏輯器件實現(xiàn)，其相應的設(shè)計方法就是采用EDA自頂向下設(shè)計方法。另外該課程的另一特點是實踐性強，要求學生掌握“根據(jù)設(shè)計要求-開展設(shè)計-實際制作-實驗調(diào)試-修改設(shè)計-最終形成滿足設(shè)計要求的數(shù)字電路產(chǎn)品”的數(shù)字電路設(shè)計全過程。針對如何幫助學生完成課程的具體達成目標，取得學習成果，我們?yōu)榇碎_展了教學改革與實踐。

2　教學手段先進性

為了實現(xiàn)課程目標，光依靠課堂教學是遠遠不夠的。需要采用先進的教學手段將問題帶出教室開展數(shù)字電路設(shè)計工作。因此需為學生提供相應的方便的課外實驗平臺，我們調(diào)查了美國、加拿大部分大學的數(shù)字電子技術(shù)課外實驗系統(tǒng)，包括麻省理工大學(Massachusetts Institute of Technology, MIT)、斯坦福大學(Stanford University)、伊利諾州立大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)、密西根大學(University of Michigan-Ann Arbor)、加拿大多倫多大學(University of Toronto)等。這些大學的數(shù)字電子技術(shù)課程都使用國際兩大著名半導體公司ALTERA和XILINX的實驗系統(tǒng)。因此我們通過大學計劃項目以優(yōu)惠的價格購買了XILINX的便攜式實驗系統(tǒng)BSYS，用于全校該課程的教學改革，每年全校大約1000人選修這門課程。該系統(tǒng)小巧輕便，不足一本書大小非常便于學生攜帶，被形象地稱為口袋實驗箱。主芯片為XILINX的FPGA芯片，外設(shè)包括撥碼開關(guān)、時鐘輸入、發(fā)光二級管及數(shù)碼管。可以開展包括EDA設(shè)計在內(nèi)的數(shù)字電子電路設(shè)計課外實踐活動。通過此實驗箱學生可以將課堂延伸，自主便捷地開展數(shù)字電路的實踐活動，進而更好地掌握數(shù)字電路設(shè)計方法。

3　教學方法多維化

教學活動包括教與學兩個方面，教師既是知識的傳輸者也是學生的指導者。引導學生從知識的被動接受者變?yōu)橹R的主動建構(gòu)者也是課程目標達成的關(guān)鍵。教師努力營造“敢想、敢說、敢問、敢試” 的學習氛圍, 為學生思考、探索、發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新提供最大空間。所以本課程教改的一個重點是采取混合式教學模式，其包含的內(nèi)容有：

(1)研究報告的撰寫。課程安排了一些學生自學內(nèi)容，要求學生學習后撰寫研究報告。例如，在講述EDA的基本概念及內(nèi)涵之后。要求學生撰寫EDA技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析報告。學生通過查閱資料從不同角度全面地了解EDA技術(shù)的發(fā)展。通過比較，學生了解到我國EDA技術(shù)與國際前沿的差距，高精度大規(guī)模集成電路創(chuàng)新人才缺乏，一些軍事、民用裝備技術(shù)核心處理器受制于人，發(fā)展受限。因此會激勵學生要學好數(shù)字電子技術(shù)、探索數(shù)字電子技術(shù)前沿科學領(lǐng)域的意志。由于學生是通過自己的方式尋找第一手材料完成的報告，因此掌握的信息量大、記憶深刻。

(2)復雜趣味實驗演示環(huán)節(jié)。教師通過演示實驗向?qū)W生展示數(shù)字電路的精妙設(shè)計，從而激發(fā)學生學習興趣。例如：給學生演示了通過國際化聯(lián)合實驗室的引入的模仿美國工程類頂尖名校伊利諾伊-香檳分校的桌面彈球游戲?qū)嶒?。另一個演示實驗是我校2011年亞洲創(chuàng)新設(shè)計大賽海峽兩岸總冠軍作品：5階魔方機器人還原系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)5階魔方的自動還原。將這些演示實驗穿插在課堂教學中，活躍了課堂氣氛，開闊了學生視野。同時鼓勵和引導學生開拓思路，尋找選題，參加電子設(shè)計相關(guān)大賽。這些實驗演示教學活動收到很好效果。在2015年秋選修這門課程的學生中，多名學生在課程結(jié)束后報名參加了全國2016年ALTERA亞洲創(chuàng)新設(shè)計大賽及全國大學生電子設(shè)計大賽。

(3)在線學習內(nèi)容設(shè)計。為了使學生快速掌握BSYS實驗箱結(jié)構(gòu)及實驗流程，我們錄制了實驗講解錄像、編寫了詳細的實驗指導，學生按著實驗指導步驟操作就可非常容易地完成實驗。受“翻轉(zhuǎn)課堂”教學的啟發(fā)，本課程在互聯(lián)網(wǎng)考試庫平臺上建立了相應的班級空間，上傳上課的課件PPT、實驗箱講解錄像、自編的實驗操作步驟等資料和幾百道自測試題。學生可以隨時隨地通過手機或電腦進行在線學習和測試，大大方便了學生的學習，受到了學生的歡迎和好評?？荚噹炱脚_還設(shè)有學生和教師交流區(qū)，學生可以將遇到的問題通過這個平臺與教師交流。

(4)學生課外實驗及課堂演示。當課程開始進入邏輯電路學習后，對于典型的邏輯電路要求學生課外通過BSYS口袋實驗箱進行實驗研究。課上布置設(shè)計題目，對那些想法奇特或完成情況好的同學，邀請他們上課時到講臺上演示實驗結(jié)果并進行講解。通過示范作用，激勵其他同學。一學期以來，學生們以極大的熱情參與到這項活動中。不斷有學生課后聯(lián)系教師，求教課后實驗中遇到的問題，并積極參與課上演講。

(5)自主設(shè)計大作業(yè)。課程還安排了一個自主設(shè)計大作業(yè)，要求學生自擬題目完成設(shè)計并基于便攜式實驗箱完成設(shè)計，教師一對一進行面試驗收，根據(jù)題目的難易程度及完成情況計分，并計入期末總成績。學生很樂意投入，有些學生選擇了多位計數(shù)、譯碼、顯示電路設(shè)計和運算電路實驗；還有一些學生選擇的題目難度較大：如自動售貨機、交通燈控制、數(shù)字鐘電路等。

4　課外支持系統(tǒng)構(gòu)建

民主、平等、融洽的師生關(guān)系是實現(xiàn)混合式教學的基本保證。要求教師注重滿足不同學生的需求。從授課技巧, 到教學手段運用，都要以飽滿的情感投入創(chuàng)造優(yōu)良的學習氛圍。教師和學生一道在課內(nèi)課外、書內(nèi)書外相互交流、相互啟發(fā)、相互補充、互教互學，成為一個“學習共同體”，從而使學生帶著創(chuàng)新的心愿去吸取知識。

具體做法包括兩方面，一是本課程配備了助教，充分發(fā)揮助教作用，助教除負責批改作業(yè)外，還包括指導學生實驗箱使用、系統(tǒng)軟件安裝、程序調(diào)試等具體技術(shù)支持。所聘助教多為教師所在課題組博士，具有豐富的電子電路設(shè)計開發(fā)實踐經(jīng)驗，熟悉FPGA設(shè)計，具備解答這些問題的能力。另外還有教師所在的科研課題組團隊輔助，共同研究學生提出的具體工程實踐問題。

另一個是將教師的各種聯(lián)系方式發(fā)布給學生，方便學生預約，隨時安排答疑。課程中間安排課堂測驗，對測驗成績較差的學生集中安排3次集體補習，集體補課一般安排在課程中間，這是考慮到學生對前面的知識掌握不好，會對后續(xù)課程學習產(chǎn)生不利影響，進而影響學習興趣?？傊?，通過教師所承擔的科研課題、科研團隊、博士助教及教師等課外全方位的技術(shù)支持，為學生提供最大限度幫助，使得課程目標得以順利達成。

5　結(jié)語

以成果導向為目標的“數(shù)字電子技術(shù)”教學更新了教師的教學觀念，極大地激發(fā)了學生對該課程的學習積極性，使得課程目標得以順利達成。學生以一種比較愉快的方式獲取知識，成為受益者。改革成果可以推廣至其他課程，為工程教育認證工作打下基礎(chǔ)。這可以從學生對課程及任課教師的總體評價中看出，學生對課程教學的滿意度較高。下面是2015年秋季學期任課學生給予的評價，摘自教務處學生評價系統(tǒng)中，從中選擇出有代表性的如下：“老師非常負責任，教學很認真，導致我對本課程學習非常感興趣，學得很認真。老師態(tài)度極好，教學能力強，教學方法很到位，課堂氛圍活躍”?！袄蠋熢敢鉅奚鼤r間為學生補課，課外支持很多，課后支持給力。老師水平高，講課由淺入深，條理清楚，粗細分明，結(jié)合問題，嵌套設(shè)計。很關(guān)心同學的掌握情況，是我大學四年遇到的最好的老師”。“老師講課很有條理，認真負責，很關(guān)心同學的掌握情況，講課內(nèi)容清晰重點明確，這門課程收獲頗豐”。

本學期“數(shù)字電子技術(shù)”教學組的教師最終在全校2000余名教師中評教得分居前5%，獲得A+。

參考文獻:

[1]李志義, 朱泓, 劉志軍,等. 用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J]. 湖北: 高等工程教育研究, 2014(2):29-34.

[2]李志義. 適應認證要求 推進工程教育教學改革[J]. 北京: 中國大學教學, 2014(6):9-16.